Нуклеиновые кислоты и матричные биосинтезы

1. Нуклеиновые кислоты и матричные биосинтезы.

2. Нуклеиновые кислоты

ДНК
Дезоксирибонуклеиновая кислота
Функция: хранение генетической
информации
РНК
Рибонуклеиновая кислота
реализация генетической
информации

3. Первичная структура ДНК

1,5 – 2 метра – общая длина ДНК в диплоидном наборе хромосом человека
500 млн мономерных звеньев или 250 млн пар нуклеотидов
нуклеотиды
главные
минорные
97%
3%
• дАМФ
• дГМФ
• дЦМФ
• дТМФ
Т
Ц
А
Г
Химически модифицированные главные
нуклеотиды

4. Структура пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов

дТМФ
дАМФ
тимин
Н3С
аденин
Остаток
Фосфорной
кислоты
Остаток
Фосфорной
кислоты
дезоксирибоза
дезоксирибоза

5. Формирование полинуклеотидной цепи

Т
3’,5’-фосфодиэфирная
связь
А

6. Полинуклеотидная цепь ДНК

Полярна
5’-конец – начало цепи
3’-конец – окончание цепи

7. Комплементарные пары азотистых оснований

Ц
Г
Т
А

8. Вторичная структура ДНК

- правозакрученная спираль, построенная из двух антипараллельных
комплементарных полинуклеотидных цепей
1 виток включает
10 пар нуклеотидов
3,4 нм
0,34 нм
Д. Уотсон
Ф. Крик
2 нм

9.

Третичная структура ДНК
Уровни компактизации молекулы ДНК:
1. Нуклеосомный
Нуклеосома
Гистоновый октамер:
линкер
2 молекулы Н2А
2 молекулы Н2В
2 молекулы Н3
2 молекулы Н4
Длина молекулы
ДНК уменьшается
в 6-7 раз.
Гистоновый
октамер
2. Фибриллярный
30 нм
Длина молекулы
ДНК уменьшается
ещё в 6-7 раз.
Гистон Н1
ДНК
3. Петельный

10.

Информационная структура ДНК
Информационная единица клеточного генома – ген.
Ген – это участок ДНК, ответственный за хранение и реализацию
генетической информации об одной ППЦ белка или об одной
молекуле структурной РНК (тРНК или рРНК).
ДНК эукариотического генома
Уникальные последовательности
Повторяющиеся последовательности
70% всей клеточной ДНК
высокоповторяющиеся
15%
умеренно повторяющиеся
10-20%
Участки ДНК длиной в 5 – 500 пар
нуклеотидов, повторяющиеся от 1
до 10 млн раз.
Участки ДНК,
повторяющиеся в
геноме <1 млн раз

11.

Информационная структура гена эукариот
Энхансеры или сайленсеры
5’
СААТ-бокс
Участки
адаптивной
регуляции
транскрипции
Промотер
Экзоны
ТАТА-бокс
ААТААА
Стартовая точка
Сайт кэпирования
3’
Интроны
Сайт
терминации

12.

Классы РНК в клетках эукариот
1. Рибосомальные РНК (рРНК)
2. Информационная или матричная РНК (мРНК)
3. Транспортная РНК (тРНК)
4. Гетерогенная ядерная РНК (гяРНК)
5. Небольшие стабильные РНК (например, малые ядерные РНК)
Особенности структуры РНК
Главные нуклеотиды РНК:
• АМФ
• ГМФ
• ЦМФ
• УМФ
До 15-17% минорных нуклеотидов
Образование «шпилек»

13.

Особенности структуры мРНК
Лидерная
последовательность
Е
5’
Зона трансляции
АУГ
КЭП
Инициирующий
кодон
УАА
УГА
УАГ
3’-концевая не
транслируемая
последовательность
Поли-А
Терминирующий
кодон
3’

14.

Особенности структуры тРНК
Плоская модель структуры тРНК - «клеверный лист»
Сайт связывания с
переносимой аминокислотой
Фосфорилированный
5’-конец
Дигидроуридиловая
петля
Псевдоуридиловая
пелтя
Дополнительная петля
Антикодоновая петля

15.

Репликация или биосинтез ДНК
В ходе репликации происходит удвоение
молекулы ДНК; S-фаза клеточного цикла
Суммарное уравнение синтеза ДНК:
Материнская цепь ДНК
+
n(дАТФ) + m(дГТФ) + p(дЦТФ) + q(дТТФ)
Дочерняя молекула ДНК
+
(n + m + p + q) Ф Ф

16.

Репликационная вилка
Лидирующая цепь
ДНК-полимераза
Фрагменты Оказаки
Хеликаза
Праймаза
Отстающая цепь

17.

Элонгация ведущей цепи
Ведущая цепь – дочерняя цепь ДНК, направление синтеза которой
совпадает с направлением движения репликационной вилки. Синтез ее
ведется непрерывно. Синтезируется ДНК-полимеразой эпсилон, для
которой характерна высокая процессивность, обусловленная
соединением фермента с белком, выполняющим функцию «скользящего
зажима» (clamp, обозначается также как PCNA). Обладает функцией
«коррекции ошибок»

18.

Элонгация отстающей цепи
Отстающая цепь – дочерняя цепь ДНК, направление синтеза которой
противоположно направлению движения репликационной вилки. Синтез
ее происходит прерывисто, в виде фрагментов Оказаки. Синтезируется
ДНК-полимеразой дельта, для которой также характерна высокая
процессивность, обусловленная соединением фермента с белком,
выполняющим функцию «скользящего зажима» (clamp, обозначается
также как PCNA). Обладает функцией «коррекции ошибок»

19.

Механизм удаления праймеров
(ключевые ферменты – FEN1 и ДНК-лигаза)

20.

ДНК
транскрипция
РНК
трансляция
белок
р РНК
м РНК

21. Транскрипция или синтез РНК

промотор
экзон 1
интрон 1
экзон 2
интрон 2
экзон 3
Ген
I. Транскрипция
Первичный транскрипт
II. Процессинг
5’ КЭП
Поли А
Функционально активная
мРНК

22. Синтез первичного транскрипта

Кодирующая цепь гена
5’
3’
Первичный транскрипт
( 8 000 нуклеотидов)
5’
3’
ДНК зависим аяРНК полим ераза
( NMP) n NTP ( NMP) n 1 PPi
где (NMP)n - синтезируемая цепь РНК

23. ДНК-зависимые РНК-полимеразы в клетках эукариот

РНК-полимераза I
РНК-полимераза III
РНК-полимераза II
синтез рРНК
TF I
синтез тРНК и 5S-РНК
синтез мРНК
TF II
TF III
TF IIIC
TF IIIA
TF IIIB
РНК-полимераза III
Комплекс РНК-полимеразы II с
транскрипционным фактором
TF IIB (серый)
ген 5S-РНК

24. Процессинг мРНК

• Кэпирование первичного транскрипта;
• Сплайсинг;
• Удаление лишней последовательности с 5’ конца молекулы и
полиаденилирование;
• Превращение части главных нуклеотидов в минорные.

25. Кэпирование

3’
5’
pppNpNp
Pi
pppNpNp
GTP
PPi
GppppNpNp
Присоединение метильной
группы к гуанину
+
CH3 – GppppNpNp
Структура фермента,
кэпирующего мРНК
Присоединение метильной
группы к рибозе соседнего
нуклеотида
+
CH3 – GppppNpNp
CH3

26. Полиаденилирование

5’ КЭП
10-30 нуклеотидов
AAUAAA
Г/У
Отщепление излишней
последовательности
нуклеотидов
5’ КЭП
AAUAAA
АТФ
ПолиА полимераза
Р Р
5’ КЭП
ПолиА полимераза
AAUAAA
AAAAAAAAAA…

27. Сплайсинг

Экзон
Интрон
Экзон
Первичный транскрипт
Малые
ядерные
рибонуклеопротеидные
частицы
сплайсосома
Экзон
Вырезанный интрон
в форме лассо
Зрелая мРНК
Экзон

28.

Свойства генетического кода
1) триплетность: каждая аминокислота в виде последовательности
из трех нуклеотидов, равнозначных кодону
2) вырожденность: большинство аминокислот кодируются более
чем одним кодоном (исключение метионин и триптофан – 1-м кодоном)
3) однозначность: каждый триплет кодирует определенную а/к
4) универсальность: на всех уровнях развития живых систем
конкретная аминокислота кодируется одними и теми же триплетами
5) неперекрываемость: смежные кодоны не имеют общих
нуклеотидов
6) без запятых: между кодонами нет вставочных нуклеотидов
7) однонаправленность: кодоны располагаются от 5’-конца ДНК к
её 3’-концу

29. Структура тРНК

Аминокислота
Эфирная связь
Внутримолекулярные
пары оснований
Антикодон
мРНК 5’
3’
Кодон

30. Присоединение аминокислоты к тРНК

Аминокислота
Аминоацил-тРНКсинтетаза
1
Пирофосфат
Фосфат
2
+
Аминоацил-тРНК
(активированная
аминокислота)
тРНК

31. Структура рибосом

Пептидилтрансферазный
центр
60S субъединица
Аминокислота
Центр
декодирования
мРНК
40S субъединица
А – aminoacyl
P – peptidyl
E - exit

32. Инициация трансляции

(фактор инициации 1)
(фактор инициации 3)
Инициирующий комплекс

33. Инициация трансляции

Инициирующий комплекс (ИК)
(5), (6) – присоединение большой
субъединицы к ИК

34. Элонгация

Цикл элонгации
1
декодирование
2
Образование
пептидной связи
3
перемещение

35. Процессинг белковых молекул

HSP40 – heat shock
protein (шаперон) c
Mr=40,000
HSP70 – heat shock
protein (шаперон) c
Mr=70,000

36. Сигналы сортировки

Участок поверхности
белковой молекулы
Сигнальный пептид
~10-15 аминокислотных
остатков
Сигналы сортировки направляют белок в тот или иной клеточный
компартмент.
ЭПР
Митохондрия
Ядро

37. Сортировка белков

N-концевой сигнальный пептид
с 5-10 остатками гидрофобных
аминокислот в центре
ЭПР
N-концевой сигнальный пептид,
в котором положительно
заряженные аминокислотные
остатки чередуются с
гидрофобными
Аппарат Гольджи
Белки остаются в ЭПР, если
на С-конце есть пептид:
Лиз-Асп-Глу-Лей-СООН
митохондрии

38. Сортировка белков

Сигнальный пептид, обогащенный
Лиз и Арг и содержащий Про
Ядро
Остаток маннозо-6-фосфата,
ковалентно присоединенный
к молекуле белка
Лизосомы