1631210421-891ddcdbaeed3d72448339ed7dc8790d (Лекция 5 - Методы образования межнуклеотидной связи)

ПУТИ ОБРАЗОВАНИЕ МЕЖНУКЛЕОТИДНОЙ СВЯЗИ.МАТРИЧНЫЙ БИОСИНТЕЗ БИОПОЛИМЕРОВ.ПУТИ РЕГУЛЯЦИЯ ЭКСПРЕССИИ ГЕНОВ.Мы сосредоточимся на химических аспектах процесса синтезануклеиновых кислотОбратите внимание! Необходимо выполнять домашнее задание! Еще некоторые ребята неприслали ответы на первое домашнее задание.Вопросы задаются в слайдах презентации.

Они помечены красным жирным шрифтом.Что необходимо знать• Матричный биосинтез биополимеров. Наследственная информация и реализация ее в клетке:репликация, транскрипция и трансляция. Прокариоты и эукариоты. Хромосомы и хроматин.Эухроматин и гетерохроматин. Основные компоненты системы матричного биосинтеза: фермент,матрица и набор мономеров. Механизм действия ДНК-лигазы. Основные стадии матричногобиосинтеза: инициация, элонгация и терминация. Сигналы инициации и терминации.

Основныестадии каждого цикла элонгации: отбор мономера, присоединение его к растущей цепи и перемещениепрограммирующей матрицы на одно звено относительно активного центра фермента (транслокация).Посттранскрипционная модификация РНК. Пре-мРНК и ее превращение в зрелую мРНК (сплайсинг,кепирование, полиаденилирование). Альтернативный сплайсинг. Минорные основания.• Контроль экспрессии генов. Пострепликационная модификация ДНК.

Метилирование ДНК – первыйматериальный химически идентифицированный и расшифрованный эпигенетический сигнал.• Генная терапия. Антисмысловые олигонуклеотиды: проблемы и перспективы. Регуляция экспрессиигенов на посттранскрипционном уровне. РНК-интерференция. Основные типы сайленсинга. Регуляцияэкспрессии гена на уровне трансляции. Транскрипционный сайленсинг генов.2БИОХИМИЧЕСКАЯ ГЕНЕТИКА И СИНТЕЗ НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ И БЕЛКОВВажные открытия в биологии связаны срасшифровкойгенетическогокодаивыяснением путей, ведущих к синтезунуклеиновых кислот и белков. Строениенуклеотидов и аминокислот мы рассмотрелив предыдущих лекциях.

Далее речь пойдет охимическихосновахпроцессовполимеризациииомеханизмах,контролирующих реакции полимеризации иобеспечивающих организацию нуклеотидов иаминокислотвправильнойпоследовательности.При изложении материала нам придетсяпользоватьсятерминами,незнакомыминекоторымстудентам-химикам.Потомупредставляется целесообразным сначалавкратцеосветитьнекоторыевопросымолекулярной биологии и биохимии.ПРОКАРИОТЫ И ЭУКАРИОТЫ.

ХРОМОСОМЫ И ХРОМАТИН.Все живые организмы разделяют на две основные группы –прокариоты и эукариоты. У первой ДНК представлена однойдвунитевой структурой, как правило, кольцевой, котораяпрактически не обособлена от остальной части клетки. Кпрокариотам относятся разнообразные бактерии.Эукариотами являются более сложно организованныеодноклеточные организмы, такие как дрожжи и инфузории, и всебез исключения многоклеточные, вплоть до человека. Клеткиэукариот содержат четко оформленное клеточное ядро, в которомсосредоточена подавляющая часть ДНК.

При этом ДНКраспределена по нескольким структурам, число которых зависит отприроды живого организм и которые называют хромосомами.ДНК в составе хромосом не находится в свободном состоянии. Онасуществует в виде комплекса с набором белков небольшогоразмера, богатых остатками лизина и аргинина – гистонов, которыеобозначают буквой Н, снабженной цифрами. Комплексыопределенных относительно небольших участков ДНК с наборомгистонов Н1, Н2А, Н2В, Н3 и Н4 называют нуклеосомами.Последние вместе с некоторыми другими белками, не входящими всостав нуклеосом, образуют основное вещество хромосом –хроматин.Большинство клеток содержит двойной набор хромосом(диплоидные клетки).

Например, клетки человека содержат набориз 23 хромосом. На 23 хромосомы у человека приходится около 3миллиардов пар нуклеотидов. Ординарный набор характерен дляполовых клеток – сперматозоидов и яйцеклеток (гаплоидныеклетки), и эти наборы сливаются при оплодотворении. После этоговсе развитие организма идет с сохранением двойного набора иисключением является лишь последний этап созревания половыхклеток, когда двойной набор распределяется пополам по двумсозревшим сперматозоидам или яйцеклеткам.ЭУХРОМАТИН И ГЕТЕРОХРОМАТИНВ ядре эукариот фракция хроматина,содержащая активные гены, называетсяэухроматином.Конститутивно компактные участкихроматина называют гетерохроматином.На основе цитологических методовокрашивания гетерохроматин былпервоначально определен как те районыхромосом, которые сохраняютконденсированное состояние на протяжениивсего клеточного цикла.Универсальной характеристикойгетерохроматина является передача«молчащего» состояния по наследству.

Этоозначает, что формированиегетерохроматина на дочерних цепяхпроисходит вскоре после репликации.МАТРИЧНЫЙ БИОСИНТЕЗ ДНКСхематическое изображение процесса репликации. Цифрами отмечены:1.Запаздывающая нить.2.Лидирующая нить.3.ДНК-полимераза бета (ДНК Pol β). Каждый фрагмент Оказаки содержит праймер, которыйудаляет ДНК Pol β, потепенно отрезая от 5’-конца фрагмента по одному рибонуклеотиду.

К3’-концу фрагмента ДНК Pol β присоединяет дезоксирибонуклеотиды в количестве,равном вырезанному праймеру, заполняя образованную брешь.4.ДНК-лигаза. Соединяет фрагменты запаздывающей цепи ДНК.5.РНК-праймер. Каждый праймер состоит примерно из 10 нуклеотидов.6.ДНК-праймаза.7.Фрагмент Оказаки. ДНК-полимераза альфа (ДНК Pol α ) и ДНК-полимераза эпсилон (ДНКPol ε) ведут синтез отстающей цепи (фрагментов Оказаки) против движениярепликативной вилки. Каждый фрагмент Оказаки состоит примерно из 100 нуклеотидов.8.ДНК-полимераза дельта (ДНК Pol δ) не способна инициировать синтез новых цепей ДНК,она может лишь удлинять уже имеющуюся нуклеотидную цепь – затравку (праймер).

Рользатравки выполняет РНК-праймер. ДНК Pol δ, активируемая праймером, продолжаетсинтез новой непрерывной цепи в направлении от 5’- к 3’-концу по ходу раскручиваниярепликативной вилки (лидирующая цепь).9.ДНК-хеликаза. ДНК-зависимая АТРаза, использующая энергию АТР для расплетениядвойной спирали ДНК. Участок, где происходит расплетение нитей родительской ДНК,называется вилкой репликации.10. Одиночная нить со связанными белками, дестабилизирующими спираль (SSB-белки –single strand binding). SSB-белки, не закрывая оснований, связываются с одноцепочечнойДНК этим предотвращают образование «шпилек» и комплементарное скручиваниематричных цепей.11.

Топоизомераза. Является обратимой нуклеазой. Сначала она разрывает цепь (3’,5’фосфодиэфирную связь) ДНК, а по окончании репликации зашивает временные надрезы.Такие временные разрывы цепи ДНК облегчают образование и продвижениерепликативной вилки.ДНК-ПОЛИМЕРАЗА – МАТРИЧНЫЙ ФЕРМЕНТРепликация – матричный процесс. Во время репликации каждая из 2 цепейДНК служит матрицей для образования новой цепи.Субстратами и источниками энергии для синтеза ДНК являютсядезоксирибонуклеозидтрифосфаты – dNTP (dATP, dGTP, dCTP, dTTP).Поскольку присоединение каждой следующей молекулы мономера крастущей дочерней цепи представляет собой химическую реакцию, топроцесс требует участия специального фермента, который известен какДНК-полимераза. Этот фермент относится к категории наиболее сложныхтак называемых матричных ферментов. ДНК-полимераза не толькоспособна катализировать образование новой фосфодиэфирной связи междунуклеотидом и растущей полинуклеотидной цепью, но и на каждом шагевыбирает из четырех мономеров такой, который комплементареночередному нуклеотиду управляющей ДНК.

ДНК, управляющая синтезомновой, комплементарной ей цепи, протягивается через ДНК-полимеразу,превращая информацию, записанную в ней в новую копию. На каждой изразошедшихся нитей родительской ДНК с помощью ДНК-полимеразыпроисходит синтез новой (дочерней) комплементарной цепи. Посколькуразошедшиеся нити антипараллельны, а синтез всегда идет от 5’- конца к3’-концу, то рост одной из новых цепей происходит по направлению к вилкерепликации, а рост другой – в противоположном направлении. Перваяможет беспрепятственно удлиняться по мере расплетения родительскойДНК. Вторая дочерняя нить должна начать образовываться в какой-то частиуже расплетенной ДНК, и ее синтез будет идти в направлении от вилкирепликации. Только после того.

как в результате расхождения цепейродительской ДНК на этой нити освободится достаточно протяженныйоднонитиевый участок, может начаться синтез нового фрагмента дочернейцепи, который будет проходить до тех пор, пока не достигнет 5’-концаранее синтезированного фрагмента. В итоге дочерняя нить,синтезирующаяся в направлении от вилки репликации, хотя и будетобразовывать полный дуплекс с родительской нитью, но будет состоять изотдельных цепочек (фрагментов Оказаки), которые не соединеныфосфодиэфирной связью. Чтобы завершить синтез полноценного дуплекса ,необходимо образовать недостающие связи – соединить (сшить) междусобой отдельные фрагменты Оказаки.