Нуклеиновые кислоты. Нуклеотиды. Биологич. роль. Обмен нуклеотидов.

Нк являются носителями наследственной информации и определяют видоспецифичность организма, сложившуюся в ходе эволюции.

Нк в клетке находятся в форме нуклеопротеидов, лишь тРНК преимущественно в свободном виде в цитоплазме.

Основные нуклеопротеиновые структуры – хромосомы, ДНК-протеиды и рибосомы.

Функции гистонов:

1. Создание нуклеосомного уровня организации хроматина (90% ДНК входит в состав нуклеосом)

Нуклеосома («бусина») представляет собой частицу, включающую в себя 8 молекул гистоновых белков – Н_2а, Н_2в, Н₃, Н₄ – по 2 молекулы от каждого класса.

Связь молекулы ДНК с гистонами происходит за счет электростатического взаимодействия отрицательно заряженных фосфатных групп ДНК и положительно заряженных «хвостов» гистонов.

2. Регуляция генной активности ДНК

Считается, что нуклеосомы – это фрагменты «молчащего» хроматина. Межнуклеосомные участки – активного.

Нуклеосомы могут развертываться и переходить в линейную форму. Развернутые нуклеосомы являются активной формой хроматина.

Механизм генной активности ДНК связывают с образованием химических модификаций гистонов – продукты метилирования, ацетилирования, фосфорилирования. В результате пространственные структуры белков становятся менее благоприятными для блокирования спирали ДНК.

3. Защинтная функция

Гистоны предохраняют ДНК от разрушительного действия ДНКаз.

Обмен нуклеотидов

Почти все клетки организма способны к синтезу нуклеотидов. Кроме того, источниками нуклеотидов служат нк пищи и собственные. Однако, эти источники имеют второстепенное значение.

Биосинтез пуриновых нуклеотидов

Пуриновая структура образуется из мелких фрагментов, поставленных различными соединениями.

Первоначальное соединение синтеза – фосфорибозинпирофосфат (ФРПФ).

рибозо-5-ф + АТФ = ФРПФ + АМФ (под действием ФРПФ-синтетазы)

Биосинтез пуриновых нуклеотидов из аденина и гуанина

В результате превращения постоянно образуются свободные пуриновые основания. Они могут повторно использоваться для синтеза нуклеотидов – это «путь спасения». При этом участвует фосфат аденинфосфорибозилтрансфераза и гипоксантингуанинфосфорибозилтрансфераза.

Катаболизм пуриновых нуклеотидов

Гиперурикемия и подагра

Мочевая кислота – плохо растворимое в воде соединение.

Подагра – заболевание, характеризующееся образованием кристаллов мочевой кислоты или кислого урата Na, которые формирубт подагрические узлы (тофусы), локализованные в суставных хрящах, синовиальных оболочках, подкожной клетчатке.

Отложения урата Na приводят к воспалительным процессам.

Основные причины подагры:

1. Первичная, связанная с врожденной предрасположенностью

а) повышение активности ФРПФ-синтетазы, или нечувствительность к ингибированию нуклеотидами

б) частичная или полная потеря активности пути спасения гипоксантингуанилфосфорибозилтрансферазы

2. Вторичные

а) нарушение фильтрации мочевой кислоты при патологии почек

б)усиление образования уратов при тк распаде (псориаз)

а ллопуринал (рис. слева) – структурный аналог гипоксантина, является конкурентным ингибитором ксантиноксидазы. Его применяют для лечения и предупреждения подагры. При этом соединения мочевой кислоты в крови снижаются до нормы.

Возжействие гипоксантина повышается, однако он в 10 раз лучше растворим, чем мочевая кислота; лучше выводится из организма.

Биосинтез пиримидиновых нуклеотидов

Фтор урацил

Антиметаболит урацила, конкурирует с ним за тимидинатсинтетазу, нарушая образование ДНК и вызывая образование несовершенных РНК путем включения фторурацила в их синтез.

Аминоптерин и метотренеат

Структурные аналоги фолиевой кислоты, ингибирую дегидрофалатредуктазу (Н₂ Н₄ фалат) и тем самым нарушает работу трансфераз водно-углеводных фрагментов, участвует в синтезе пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов.

Меркаптопурин

S-H-соединение, аналог гипоксантина, ингибирует ФРПФ-синтетазу и тем самым влияет на синтез пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов и на путь спасения.

Биосинтез нк и белков. Матричные биосинтезы.

При биосинтезе новых молекул нк и белков носителями информации являются нк-матрицы. Матрица в ходе матричного синтеза не расходуется, может использоваться многократно.

3 основных типа матричного и биосинтезов

1. Биосинтез ДНК – репликация с использование в качестве матрицы уже существующую молекулу ДНК

2. Биосинтез РНК на матрице ДНК – транскрипция

3. Биосинтез белков на матрице РНК – трансляция

Репликация

Синтез ДНК у эукариотов происходит полуконсервативным путем в S-фазу клеточного деления. Одновременно в нескольких определенных участках ДНК происходит локальная денатурация; ДНК-цепи расходятся, и в каждом участке образуется по 2 репликативные вилки (ок 2000 нулеотидных пар), движущихся в противоположных направлениях до слияния друг с другом – окончание синтеза.

Ккаждая одноцепочечная половина ДНК достраивается до целой по правилу комплементарности.

Расстояния между центрами – репликон.

Субстратами при синтезе ДНК служат дезоксирибонуклеотид-3-ф. В ходе реакции от каждого из них отщепляется пирофосфат, т.е. включение каждого мономера в молекулу ДНК требует расхода энергии высокоэнергетических соединений.

Факторы, влияющие на клеточное деление:

- факторы роста (пептиды, активирующие деление клеток определенного типа) – их механизмы действия аналогичны действию пептидных гормонов;

- наличие клеточных контактов, ингибирующих клеточное деление;

- уровень гормонов: половых стероидов, инсулина, etc.;

• доступность пластических и энергетических компонентов для деления клетки;

• состояние клеточной мембраны (в том числе количество холестерина).

В образовании репликационной вилки участвуют мед. фосфаты

ДНК топоизомераза разрывает фосфоэфирную связь в одной из цепей ДНК двойной спирали.

Разрыв водородной связи осуществляется ДНК-геликазой (используется АТФ).

В поддержании участка в раскрученном состоянии используются специальные стабилизирующие белки.

В синтезе ДНК у эукариотов принимает участие 5 ДНК-полимераз:

Инициирует репликацию ДНК-полимераза , которая комплементарна определенному участку ДНК.

Присоединяясь к нему, ДНК-полимераза синтезирует небольшие фрагменты РНК – праймер (8-10 нукл), а затем фрагмент ДНК (ок 50 дезоксирибонукл). Синтез цепей ДНК происходит в направлении от 5' к 3' концу растущей цепи. Олигонуклеотид синтезирует ДНК-полимераза , помогает присоединиться ДНК-полимераза и продолжить синтез цепи по ходу раскручивания репликационной вилки, это «лидирующая цепь».

На второй матричной цепи синтез дочерней ДНК осуществляется ДНК-полимеразой и ДНК-полимеразой в направлении от 5' к 3', в противоположном направлении раскручиванию цепи – «запаздывающая цепь». Она синтезируется короткими фрагментами – Оказаки. Каждай фрагмент Оказаки создает праймер. Праймеры удаляются ДНК-полимеразой , она же присоединяет дезоксирибонуклеотиды, заполняя брешь, возникшую при уладении нуклеотидов.

ДНК-лигаза сшивает точечные разрывы, образуя диэфирные связи.

Метилирование ДНК

После завершения репликации происходит метилирование с участием S-аденозилметионина (активная форма метионина), всех остатков аденина в последовательностях ГАТЦ вновь образованных цепей ДНК. Это необходимо для формирования структуры хромосом, а так же для регулировки транскрипции генов. В течение непродолжительного времени в молекуле ДНК последовательности ГАТЦ только в матричных цепях, но не в новой цепи. Это используется для исправления ошибок, возникших при репликации. Точность репликации очень высока, частота спонтанных ошибок 10^-6 – 10^-9.

Репарация ДНК

ДНК-полимераза и ДНК-полимераза способны делать шаг назад и вырезать нукл, если он не комплементарен нуклеотиду в матричной цепи ДНК.

Этот процесс исправления ошибок иногда не срабатывает: распознавание некомплементарных нуклеотидов происходит с участием специальных белков (mut S, L, H), которые удаляют некомплементарную пару и гидролизуют фосфоэфирную связь в неметилированной цепи, обладая эндонуклеотидной активностью.

Затем экзонуклеаза отцепляет нуклеотиды по одному в направлении 3' – 5'. В дочерней цепи брешь застраивает ДНК-полимераза . Соединение основного и вновь синтезированного участка катализирует ДНК-лигаза.

При репарации необходимо участие хеликазы и статических белков.

Транскрипция

Отрезок ДНК, подвергающийся транскрипции, - транскриптон. Отдельные участки транскриптона несут разную информацию. Одна группа участков относится к информативным – несущим информацию по полипептидной цепи – экзоны, а другая к неинформативным, не содержащим генной информации – интроны. В каждом транскриптоне транскрибируется только 1 из 2х цепей ДНК – матричная , вторая комплементарная ей цепь – кодирующая.

Синтез молекул РНК начинается в определенных последовательностях ДНК, которые называются промоторами, и завершается в терминирующих участках.

Процесс транскрипции регулируют специальные регуляторные белки взаимодействиями с определенными участками; есть ускоряющие (активаторы) и замедляющие (репрессоры) процесс транскрипции. Гормоны и другие регуляторные белки влияют или на синтез регуляторных белков, или на их модификацию (метилирование и др.).

Биосинтез РНК осуществляется ДНК-зависимыми РНК-полимеразами.

Стадии транскрипции: