Автор работы: Пользователь скрыл имя, 18 Октября 2013 в 17:18, лекция
Нуклеиновые кислоты – это линейные полимеры, мономерами которых являются нуклеотиды. Полимеры – это макромолекулы, которые состоят из большого числа повторяющихся структурных единиц – мономеров. Мономерами ДНК являются дезоксирибонуклеотды, мономерами РНК – рибонуклеотиды.
Строение и номенклатура нуклеотдов. В состав нуклеотида входят три компонента: фосфат – сахар – основание.
углеводный компонент нуклеотида представлен рибозой или 2’-дезоксирибозой, имеющих D-конфигурацию.
Первичная структура РНК определяется последовательностью рибонуклеотидов в цепи. Нуклеотиды в молекуле РНК соединяются посредством 3’,5’ - фосфодиэфирных связей, образуя полинуклеотидные цепи. Клеточные молекулы РНК состоят из одной полинуклеотидной цепи, геномы некоторых вирусов представлены двухцепочечными молекулами РНК, напоминающими А-форму ДНК. Наличие 2’-OH группы в рибозе определяет чувствительность фосфодиэфирной связи в молекуле РНК к действию щелочей и ферментов РНКаз, расщепляющих РНК.
Вторичная структура РНК. В большинстве молекул тРНК и рРНК имеются небольшие участки комплементарных последовательностей, которые спариваются и образуются петли. Эти области двухцепочечных участков РНК непротяженные и прерывисты. Комплементарные пары оснований в двухцепочечных участках РНК:
А=У, Г≡Ц, Г=У (менее стабильная, 2 водородные связи)
Структура клеверного листа. Зависимость функции молекулы от ее упаковки показана на примере тРНК. Компьютерные модели показали, что все тРНК имеют вторичную структуру типа «клеверный лист», которая имеет 4 стебля (акцепторный, D, антикодоновый и T) и три петли (D-петля, антикодоновая и T-петля). Спаренные основания образуют стебли, не спаренные основания - петли.
5’- и 3’-концы тРНК образуют акцепторный стебель. 3’-конец тРНК содержит три не спаренных нуклеотида ЦЦА. Псевдоуридиновая петля содержит модифицированные азотистые основания псевдоуридин (ψ) и риботимидин (Т). Антикодоновая петля находится напротив акцепторного участка и содержит антикодон (три нуклеотида, комплементарных кодону мРНК). Еще одна петля содержит дигидроуридин (DU). Вариабельная петля находится между антикодоном и псевдоуридиновой петлей и содержит разное число нуклеотидов.
Третичная структура тРНК. Рентгеноструктурный анализ показал, что эта структура более компактная, чем клеверный лист. Она образуется благодаря взаимодействиям, сближающим дигидроурациловую (DU) и псевдоуридиновые (Т ψ) петли. Такой общий вид молекулы получил название L-конфигурации, которая указывает на наличие двух взаимно перпендикулярных участков молекулы тРНК – в одной части находится акцепторный участок, в другой – антикодон.
Денатурация и ренатурация РНК. При повышении температуры двухцепочечные участки РНК разрушаются, но в отличие от молекул ДНК, при высоких значениях рН (действии щелочей) в РНК разрушаются фосфодиэфирные связи. После денатурации восстановление двуцепочечных участков РНК затруднено и в результате образуются структуры, отличные от исходной молекулы РНК.
Лекция 2.
Биосинтез ДНК. Молекулярные основы передачи генетической информации
Полуконсервативный механизм репликации ДНК. Перед каждым делением клетки в ней должно удвоиться содержание ДНК, чтобы каждая дочерняя клетка получила полный набор хромосом. Основу каждой хромосомы образует одна двухцепочечная молекула ДНК. Предложенная Дж. Уотсоном и Ф. Криком модель строения ДНК форме регулярной двойной спирали сразу же позволила понять принцип копирования ДНК. Ее репликация происходит полуконсервативным способом: две исходные цепи материнской ДНК расходятся, и каждая из них становится матрицей для синтеза новой комплементарной цепи. Таким образом, каждая новая двойная спираль ДНК содержит одну старую и одну новую цепь. Такой механизм репликации ДНК, при котором от одного поколения к другому передается одна из двух материнский цепей ДНК, получил название полуконсервативного и был экспериментально доказан в 1958 году М. Мезельсон и Ф. Сталь.
Легко представить, что удвоение ДНК происходит вследствие того, что цепи расходятся и каждая цепь служит матрицей для синтеза новой комплементарной цепи ДНК. Каждая дочерняя молекула состоит из одной старой материнской и одной новой синтезированной цепи ДНК.
Общие принципы репликации ДНК.
В основе процесса репликации лежит принцип копирования материнской цепи ДНК с образованием двух идентичных молекул ДНК. В основе синтеза новой цепи ДНК лежит принцип комплементарности азотистых оснований, т.е. последовательность нуклеотидов материнской цепи определяет последовательность нуклеотидов в синтезируемой цепи ДНК
Синтез новых цепей ДНК идет в направлении 5’ → 3’.
В основе репликации ДНК лежат принципы антипараллельности и униполярности. Синтез новых цепей ДНК идет в направлении от 5’-конца к 3’ - концу, при этом ДНК-полимеразы – ферменты, синтезирующие новые цепи ДНК, - добавляют нуклеотиды к 3’- концу наращиваемой цепи ДНК. При этом матричная цепь имеет противоположную ориентацию: 3’ → 5’, т.е. ДНК-полимеразы могут передвигаться вдоль матрицы только в направлении от 3’ к 5’-концам.
3’
5’ 3’ направление синтеза новой цепи ДНК
Рис. Схема расположения матричной и дочерней цепи ДНК.
Реакция синтеза полинуклеотидной цепи ДНК.
Механизмы синтеза ДНК хорошо изучены в клетках бактерий, однако имеются доказательства, что в клетках эукариот процесс протекает аналогичным образом.
Инициация репликации ДНК. Репликация начинается в специфическом участке молекулы ДНК, который называется точка начала репликации или ориджин.
Точка начала репликации (origin) – это участок молекулы ДНК со специфической последовательностью нуклеотидов с большим содержанием пар АТ (последовательность 300 п.н., богата АТ). Специальные инициирующие белки необходимы для связывания ферментов репликации с молекулой ДНК:
Кольцевая хромосома прокариот имеет одну точку начала репликации, которая называется OriC. В этой точке цепи расходятся и образуются две репликативные вилки, которые движутся в противоположном направлении. Скорость синтеза ДНК в клетках прокариот составляет 500 нукл./сек. Две вилки встречаются на противоположной стороне кольца. В клетках прокариот существует специальный фермент гираза (топоизомераза II), который разделяет две образующиеся кольцевые молекулы ДНК. Антибиотик налидиксовая кислота угнетает размножение бактерий, путем инактивации гиразы. В клетках эукариот этот фермент отсутствует, поэтому налидиксовую кислоту используют в клинической практике для лечения бактериальных инфекций.
Репликация ДНК эукариот начинается одновременно во многих точках начала репликации, от каждой точки движутся две репликативные вилки в противоположных направлениях. Скорость синтеза молекул ДНК эукариот составляет 50 нукл./сек.
Репликон – фрагмент молекулы ДНК, репликация которого происходит под контролем одной точки начала репликации. Кольцевая хромосома прокариот имеет 1 репликон. Геномы эукариот содержат сотни и тысячи репликонов.
Инициация - образование репликативной вилки. Нити ДНК разделяются благодаря действию специальных ферментов и белков.
Хеликаза (от англ. helix – спираль) - основной фермент, расплетающий цепи ДНК. У прокариот он называется белок DnaB. Хеликаза разрывает водородные связи между комплементарными основаниями, используя энергию АТФ.
Топоизомеразы – ферменты, которые устраняют положительные сверхвитки перед репликативной вилкой. Эти ферменты временно разрывают нити материнской ДНК в двойной спирали перед репликативной вилкой, после завершения процесса нити ДНК восстанавливают целостность.
SSB - белки – это белки, которые связываются с одноцепочечной ДНК и удерживают матрицу. В результате образуется репликативная вилка, где и происходит синтез новых цепей ДНК.
Синтез ДНК в репликативной вилке катализирует ДНК-полимераза III. ДНК-полимераза I играет важную роль в синтезе отстающей цепи и репарации ДНК. ДНК-полимераза II участвует в репарации ДНК.
Реакция синтеза. ДНК-полимеразы могут только удлинять (элонгировать) уже существующую полинуклеотидную нить, которую называют затравкой или праймером. В клетках роль затравки играет олигонуклеотид РНК (РНК-праймер), который комплементарен матрице и образует с ней двухспиральный комплекс матрица-затравка. Синтез РНК праймера осуществляет фермент праймаза. Затем ДНК-полимераза синтезирует цепь ДНК, используя 3’-OH конец праймера. После окончания синтеза ДНК РНК-праймеры удаляются с помощью ферментов – экзонуклеаз.
Реакция осуществляется как удлинение цепи с 3’- конца затравки
Необходимы ионы Mg 2+ (3’ – OH) конец полинуклеотидной цепи атакует α-фосфат дНТФ, образуя фосфодиэфирную связь
Матрица копируется точно на основе принципа комплементарности
Кроме полимеризующей активности, ДНК-полимеразы обладают корректирующей активностью: они дважды проверяют нуклеотид, который добавляют в растущую цепь ДНК. Корректирующая активность ДНК-полимераз проявляется в способности отщеплять нуклеотид, некомплементарный матрице, и замещать его комплеметарным нуклеотидом.
Асимметричность репликативной вилки. Поскольку ДНК-полимераза наращивает цепь ДНК в направлении 5’ → 3’, синтез дочерних цепей идет в противоположном направлении. Одна цепь синтезируется непрерывно (лидирующая), а другая синтезируется прерывисто, в виде фрагментов Оказаки (отстающая). Фрагменты Оказаки – это короткие цепочки ДНК вместе с РНК-праймерами, расположенные на отстающей цепи.
Синтез отстающей цепи. ДНК-полимераза III останавливается перед РНК-праймером предшествующего фрагмента Оказаки. Здесь подключается ДНК-полимераза I, которая удаляет РНК-праймеры предшествующего фрагмента Оказаки и одновременно наращивает 3’-OH – конец растущей цепи ДНК, заполняя образующуюся брешь. Фермент лигаза соединяет два фрагмента Оказаки, используя АТФ. Таким образом, на отстающей цепи также синтезируется непрерывная цепь ДНК.
Функции теломеразы.
Проблема недорепликации 3’-концов линейных молекул ДНК заключается в том, что удаление последних РНК-праймеров с 5’-концов обеих цепей дочерней ДНК, приводит к тому, что дочерние цепи оказываются короче материнской на 10-20 нуклеотидов (у организмов разных видов размер РНК-праймеров различен). Проблема недорепликации 3’-концов линейных молекул ДНК эукариот решается с помощью специального фермента – теломеразы.
В случае репликации кольцевых молекул ДНК этой проблемы не существует, т.к. первые РНК-затравки удаляются ДНК-полимеразой I, которая одновременно наращивает 3’-OH – конец растущей цепи ДНК и заполняет образующуюся брешь.
Ограничение числа клеточных делений. Лимит Хейфлика.
В 1971 г. А.М. Оловников в своей теории маргинотомии (от лат. marginalis – краевой, toma - сечение) предположил, что последовательное укорочение ДНК хромосом во время репликации лежит в основе ограниченного числа делений, которое наблюдается у нормальных соматических клеток, растущих в культуре in vitro. Позже был обнаружен фермент теломераза, активный в стволовых, половых и раковых клетках, которые способны к бесконечному делению.
Функции теломеразы.
Фермент теломераза впервые был обнаружен в 1985 году у равноресничной инфузории Tetrahymena thermophila, а позже – в клетках дрожжей, растений и животных, в том числе в яичниках человека и иммортализованных (бессмертных) линиях раковых клеток HeLa.
Согласно номенклатуре этот фермент называют теломерной терминальной трансферазой. Теломераза выполняет функции ДНК-полимеразы, которая достраивает 3’-концы линейных молекул ДНК короткими повторяющимися последовательностями нуклеотидов (у позвоночных – ТТАГГГ) в отсутствии ДНК матрицы. В качестве матрицы для синтеза цепи ДНК теломераза использует молекулу РНК, которая является составной частью этого фермента.
Строение теломеразы. Теломераза, кроме белковой части, содержит молекулу РНК, которая исполняет роль матрицы для наращивания 3’-конца ДНК-матрицы. Молекула теломеразной РНК содержит от 150 нуклеотидов у простейших до 1400 нуклеотидов у дрожжей, у человека она содержит 450 нуклеотидов. Поскольку РНК является матрицей для синтеза ДНК, теломеразу можно отнести к обратной транскриптазе, т.е. ферменту, синтезирующему ДНК на матрице РНК.
Информация о работе Структура нуклеиновых кислот. Роль молекул ДНК и РНК в клетках