2 курс / Биохимия / Лекции_по_общей_биохимии_Для_студентов_медицинских_вузов_Тимин_О

Н А РОУБШМЕЕННИАЕ П И Р ИОМСИНДОИВНАО В Ы Х Н И Й

МАТРИЧНЫЕ БИОСИНТЕЗЫ

Основной фигурой матричных биосинтезов являются нуклеиновые кислоты. Они представляют собой полимерные молекулы, в состав которых входят азотистые основания пяти типов, пентозы двух типов и остатки фосфорной кислоты.

Азотистые основания в нуклеиновых кислотах могут быть пуриновыми (аденин, гуанин) и пиримидиновыми (цитозин, урацил, тимин).

В зависимости от строения углевода выделяют рибонуклеиновые кислоты – содержат рибозу (РНК), и дезоксирибонуклеиновые кислоты – содержат дезоксирибозу (ДНК).

О С Н О В Н О Й П О С Т У Л А Т М О Л Е К У Л Я Р Н О Й Б И О Л О Г И И

В подавляющем большинстве случаев передача наследственной информации от материнской клетки к дочерней осуществляется при помощи ДНК (репликация). Для использования генетической информации самой клеткой необходимы РНК, образуемые на матрице ДНК (транскрипция). Далее РНК непосредственно участвуют на всех этапах синтеза белковых молекул (трансляция), обеспечивающих структуру и деятельность клетки.

На вышесказанном основана центральная догма молекулярной биологии, согласно которой перенос генетической информации осуществляется только от нуклеиновой кислоты (ДНК и РНК). Получателем информации может быть другая нуклеиновая кислота (ДНК или РНК) и белок.

С Т Р О Е Н И Е Н У К Л Е И Н О В Ы Х К И С Л О Т

СТ Р О Е Н И Е ДЕЗОКСИРИБОНУКЛЕИНОВОЙ КИСЛОТЫ

ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) представляет собой двухцепочечную молекулу, в каждой цепи мономерами выступают дезоксирибонуклеотиды – dАМФ, dГМФ, dЦМФ, dТМФ. Нуклеотиды связаны между собой через фосфатные мостики между 3' и 5' атомами углерода соседних дезоксирибоз. Сахарофосфатный остов в ДНК заряжен отрицательно благодаря заряду фосфатных групп. В то же время пуриновые и пиримидиновые основания

гидрофобны.

Цепи ДНК обладают направленностью, т.е. имеют 3'-конец и 5'-конец, цепи антипараллельны, т.е. направлены в разные стороны. Имеется комплементарность азотистых оснований: аденин комплементарен тимину (А=Т), гуанин комплементарен цитозину (Г≡Ц).

осом. Участок ДНК между нуклеосомами называется спейсерным (англ: space – пространство), его длина варьирует в зависимости от вида организма и типа клеток. У человека она составляет около 50 пар нуклеотидов.

Благодаря наличию нуклеосом достигается уменьшение размеров хромосомы в 7 раз, далее происходит укладка в суперспираль фибриллы и „суперсуперспираль" волокна.

СТ Р О Е Н И Е РИБОНУКЛЕИНОВЫ Х КИСЛОТ

Рибонуклеиновая кислота (РНК) представляет собой последовательность рибонуклеозидмонофосфатов – АМФ, ГМФ, ЦМФ, УМФ, связанных друг с другом 5'-3'-фосфо- диэфирными связями. По строению РНК отличается от ДНК однонитевой структурой, значительно меньшей молекулярной массой, наличием урацила вместо тимина и рибозы вместо дезоксирибозы.

В клетке присутствует четыре типа РНК:

Матричные РНК (мРНК) представляют собой линейную последовательность нуклеотидов. К 5'-концу молекулы присоединен метилгуанозиндифосфат, на 3'-конце имеется полиадениловая последовательность (см ниже). Их функция – информационная, т.е. перенос информации о структуре белков от ДНК к месту их синтеза.

Малые РНК используются для созревания мРНК и некоторых других клеточных процессов.

Рибосомальные РНК (рРНК) прокариот и эукариот различны и отличаются величиной седиментации (скорости оседания молекулы при центрифугировании). Они участвуют в построении рибосом.

У прокариот есть три разновидности рРНК: 5S, 16S и 23S. Малую (30S) субчастицу рибосом образуют белки и 16S-рРНК; большую (50S) субъединицу – белки, 23S-рРНК и 5S-рРНК. У эукариот – в составе рибосом четыре разновидности рРНК: 5S, 5,8S, 18S и 28S. Малую (40S) субчастицу образуют белки и 18S-рРНК, большую (60S) – белки и 5S-, 5,8S-, 28S-рРНК.

Р Е П Л И К А Ц И Я Д Н К

Синтез ДНК происходит не беспорядочно, а в строго определенный период жизни клетки. Всего выделяют 4 фазы клеточного цикла: митоз (М), синтетическую (S), пресинтетическую (G1, от англ. gap – интервал), постсинтетическую (G2).

Важное участие в регуляции смены фаз клеточного цикла занимают циклины – белки массой 35-90 кДа, уровень которых меняется в ходе клеточного цикла. По функции циклины – это активаторные субъединицы ферментов циклин-зависимых киназ (ЦЗК). Активные комплексы циклин-ЦЗК фосфори-

лируют внутриклеточные белки, изменяя их активность. Этим обеспечивается продвижение по клеточному циклу.

Синтез (репликация, удвоение) ДНК происходит в S-фазу клеточного цикла, когда клетка готовится к делению. Механизм репликации, как установили Мэтью Мезельсон и Франклин Сталь в 1957 г, полуконсервативный, т.е. на каждой нити материнской ДНК синтезируется дочерняя копия.

Как любой матричный биосинтез, репликация требует наличия нескольких компонен-

тов:

o матрица – в ее роли выступает материнская нить ДНК, o растущая цепь – дочерняя нить ДНК,

o субстраты для синтеза – dАТФ, dГТФ, dЦТФ, ТТФ, o источник энергии – dАТФ, dГТФ, dЦТФ, ТТФ,

o ферменты.

Синтез ДНК начинается в определенных участках, получивших название точка ori (англ. origin – начало). На каждой ДНК млекопитающих точек ori насчитывается около 100. Репликация распространяется от этих участков в обе стороны по нитям ДНК с образованием

репликативных "пузырей". В каждом таком "пузыре" имеются две репликативные "вил-

ки", в которых происходит расплетание, раскручивание и непосредственный синтез ДНК. При этом репликативные вилки удаляются друг от друга. В целом вся репликация ДНК у эукариот заканчивается за 9 часов.

В хронологическом порядке события репликации развертываются примерно следующим образом:

1.ДНК-топоизомеразы, находясь перед репликативной вилкой, разрезают молекулу ДНК для облегчения ее расплетания и раскручивания.

2.ДНК-хеликазы, следуя за топоизомеразами, раскручивают и расплетают молекулу ДНК.

3.ДНК-связывающие белки (ДСБ) связывают расплетенные нити ДНК и стабилизируют их, не допуская обратного "слипания" друг с другом.

4.ДНК-полимераза δ (греч.: δ – дельта), согласовано со скоростью движения репликативной вилки, осуществляет элонгацию ведущей цепи дочерней ДНК в направлении 5'→ 3' на матрице одной из нитей материнской ДНК (скорость 100 пар нуклеотидов в секунду).

5.ДНК-полимераза α присоединяется к другой нити ДНК сразу после расплетания и в направлении 5'→ 3' синтезирует праймер (РНК-затравку) – последовательность РНК на матрице ДНК длиной от 10 до 200 нуклеотидов. После этого фермент удаляется с нити ДНК.

6.ДНК-полимераза ε проводит синтез фрагмента (длина 150-200 нуклеотидов) отстающей цепи дочерней ДНК в продолжение праймера. Она работает до тех пор, пока не встретит праймер предыдущего фрагмента Оказаки (синтезированного ранее). После этого данный фермент удаляется с цепи.

7.ДНК-полимераза β встает вместо ДНК-полимеразы ε, движется в том же направлении (5'→ 3') и удаляет рибонуклеотиды праймера, одновременно встраивая дезоксирибонуклеотиды на их место. Фермент работает до полного удаления праймера, после чего сходит с цепи.

8.ДНК-лигаза производит сшивку отрезка, синтезированного ДНК-полимеразой ε, и участка отстающей цепи дочерней ДНК, встроенного ДНК-полимеразой β, (фрагментов Ока-

заки).

o субстрат для синтеза – рибонуклеотиды (УТФ, ГТФ, ЦТФ, АТФ), o источник энергии – УТФ, ГТФ, ЦТФ, АТФ.

o ферменты РНК-полимеразы и белковые факторы транскрипции.

Биосинтез РНК происходит в участке ДНК, который называется транскриптон, с одного края он ограничен промотором (начало), с другого – терминатором (конец).

РНК-полимеразы эукариот имеют по две больших субъединицы и несколько малых субъединиц.

СТ А Д И И ТРАНСКРИПЦИИ

Выделяют три стадии транскрипции: инициация, элонгация и терминация.

Инициация

Промотор содержит стартовый сигнал транскрипции – ТАТА-бокс – определенную последовательность нуклеотидов ДНК, связывающую первый фактор инициации ТАТА-фактор. Этот ТАТА-фактор обеспечивает присоединение РНК-полимеразы к той нити ДНК, которая будет использоваться в качестве шаблона для транскрипции (матричная нить ДНК). Так как промотор ассиметричен ("ТАТА"), то он связывает РНК-полимеразу только в одной ориентации, что определяет направление транскрипции от 5'-конца к 3'-концу (5'→ 3'). Для связывания РНК-полимеразы с промотором необходим еще один фактор инициации – σ-фактор (греч. σ – "сигма"), но сразу после синтеза затравочного фрагмента РНК (длиной 8-10 рибонуклеотидов) σ-фактор отрывается от фермента.

Другие факторы инициации раскручивают спираль ДНК перед РНК-полимеразой.

Элонгация

Белковые факторы элонгации обеспечивают продвижение РНК-полимеразы вдоль ДНК и расплетают молекулу ДНК на протяжении примерно 17 нуклеотидных пар. РНК-полимераза продвигается со скоростью 40-50 нуклеотидов в секунду в направлении 5'→ 3'. Фермент использует АТФ, ГТФ, ЦТФ, УТФ одновременно в качестве субстрата и в качестве источника энергии.