лекция 11 общая биохимия

1.

Лекция 11
Нуклеиновые кислоты
ДНК, все уровни структуры.
Строение РНК:
• тРНК,
• рРНК,
• мРНК
Другие типы РНК.

2.

Характеристика НК
• это биополимеры из нуклеотидов,
• не ветвятся,
• имеют четко выраженное начало (5`-конец) и конец (3`-конец).
ФУНКЦИИ:
ДНК: хранение и передача наследственной информации в ряду поколений (или горизонтально).
РНК: обеспечение процессов синтеза белка
+ функции ДНК
+ рибозимы (например, при сплайсинге)
+ регуляторные функции (например, miRNA)

3.

Первичная структура нуклеиновых кислот
- порядок чередования нуклеотидов в
полинуклеотидной цепи, начиная от 5’-конца к 3’-концу.

4.

Соединение нуклеотидов в полинуклеотидные цепи
происходит с образованием фосфодиэфирной связи
Реакция происходит в
репликации и
транскрипции

5.

Соединение нуклеотидов в полинуклеотидные цепи
происходит с образованием фосфодиэфирной связи
Реакция происходит в
репликации и
транскрипции

6.

5’
Ц
3’ ОН
5’
3’ ОН
Соединение нуклеотидов в
полинуклеотидные цепи
Т

7.

5’
Фосфодиэфирная
связь
Ц
3’ОН
Н
5’
3’ ОН
Т

8.

Направление цепи
5' конец цепи
Ц
5’
Т
Фосфодиэфирная
связь
3’
Фосфодиэфирная ОН
5’
связь
3' конец цепи
3’ ОН
A

9.

5’
Полинуклеотидные цепи – это основа структуры всех
нуклеиновых кислот
Это первичная структура нуклеиновых кислот
В ДНК – это соединение дезоксирибонуклеотидов
В РНК – это соединение рибонуклеотидов
Связь – между нуклеотидами фосфодиэфирная
3’
Сахарофосфатный остов

10.

Отличия молекул ДНК и РНК
РНК –
однонитевые молекулы
(на коротких участках могут быть
двунитевые)
Нуклеотиды
УМФ, АМФ, ЦМФ, ГМФ
У некоторых вирусов РНК
двуцепочечная
ДНК –
двухнитевые молекулы
Нуклеотиды:
ТМФ, дАМФ, дЦМФ, дГМФ
У некоторых вирусов ДНК
одноцепочечная

11.

ДНК
Структуры

12.

Первичная структура нуклеиновых кислот
- порядок чередования нуклеотидов в полинуклеотидной цепи,
- начиная от 5’-конца к 3’-концу.
Пример записи
последовательности
(сиквенса) первичной
структуры нуклеиновой
кислоты (ДНК)
5’
3’
Представлены последовательности
одинакового гена
разных организмов
Расшифровка геномов (изучение первичных последовательностей) прокариот была начала с 1980х г.
Расшифровка эукариотических геномов:
- растения арабидопсис (Резуховушка Таля, Arabidopsis thaliana, L) – 1996-2000
- геном человека 1990-2003

13.

Особенности первичной структуры ДНК
Классификация последовательностей в ДНК:
1) По функциям (кодирующая – некодирующая белок или РНК)
2) По степени повторяемости последовательностей
3) Полиморфизм ДНК у эукариот
Различные функциональные последовательности в ДНК человека
У ДНК
эукариот сформировалась
избыточность
последовательностей
Транспозоны (transposable elements), “прыгающие
гены” – участки ДНК, способные перемещаться по
ДНК.
Одни из них перемещаются по ДНК по механизму
“вырезать и вставить” (ДНК-транспозоны), другие –
“копировать и вставить” (ретротранспозоны).
Одни из них кодируют информацию о белках
(например, ферментах, которые их вырезают и
вставляют), другие – имеют только
последовательности, распознаваемые
перемещающими их ферментами
Одни способны перемещаться сами, другие – только с
помощью ферментов, закодированных в других
транспозонах.

14.

Особенности первичной структуры ДНК
Классификация последовательностей в ДНК:
1) По функциям (кодирующая – некодирующая)
2) По степени повторяемости последовательностей
3) Полиморфизм ДНК у эукариот
Последовательности
у вирусов – все уникальны (встречаются 1 раз)
у бактерий – есть повторяющиеся (тРНК, рРНК и некоторые другие)
у эукариот – большое число повторяющихся последовательностей, как кодирующих, так и некодирующих.
– уникальные последовательности (повторяются от 1 до 10 раз).
В них закодированы специфические белки.
К уникальным последовательностям ДНК относятся гены “роскоши”, продукты которых необходимы либо в каком-то одном
типе ткани, либо лишь в определенный период развития.
– повторяющиеся последовательности (более 10 повторов):
– умеренно повторяющиеся или промежуточные – гены «домашнего хозяйства»
(десятки –сотни повторов)
– часто
повторяющиеся (повторяются более 105 раз).

15.

16.

Особенности первичной структуры ДНК
Классификация последовательностей в ДНК:
1) По функциям (кодирующая – некодирующая)
2) По степени повторяемости последовательностей
3) Полиморфизм ДНК у эукариот
ДНК-полиморфизм — наличие вариантов первичной структуры ДНК внутри одного вида
Виды полиморфизма в ДНК человека:
- по отдельным нуклеотидам (SNP – Single Nucleotide Polymorphisms).
Мы отличаемся друг от друга по 1 позиции нуклеотидов из ≈ 800 – 1000
На Y-хромосоме – более 400 зон SNP
- по числу коротких тандемных повторов – (STR - Short Tandem Repeat) - коротких нуклеотидных последовательностей,
называемых микросателлиты (1-7 нуклеотидов) и мини- (>7 нуклеотидов). Число повторов индивидуально для особи.
На Y-хромосоме примерно 500 микросателлитов.

17.

Использование информации о
полиморфизме ДНК
Установление родства
У детей и родителей должны быть
совпадения по повторам
(ДНК-маркерам)
Если отец/мать и ребенок по какому-то
ДНК-маркеру не имеют общей полосы,
то отцовство/материнство отсутствует,
или произошла мутация.
Если есть различие по ≥ 3-м ДНКмаркерам, отцовство/материнство
однозначно исключается.
НЕ
Родная Родная Родной
Маме Маме Маме Родной
Папе
Папе

18.

Нуклеотидный
состав
ДНК
(правила
Чаргаффа)
Эрвин Чаргафф
1950

19.

Правила Чаргаффа
1
2 [А] + [G] = [Т] + [C]
3 [А] + [T] ≠ [G] + [C]
На этих правилах основывается
принцип комплементарности нуклеиновых кислот

20.

Вторичная структура ДНК
1953
Рождение
молекулярной
биологии
Джеймс
Уотсон
Фрэнсис
Крик

21.

Вторичная структура ДНК
– пространственная укладка дезоксиполинуклеотидных цепей без
возникновения суперспирализации
Двойная цепь ДНК – хеликс
– это двойная правозакрученная
спираль.
Состоит из двух
противонаправленных
(антипараллельных) цепей
дезоксирибонуклеотидов.
Связи между азотистыми
основаниями:
– водородные
– стэкинг-взаимодействия

22.

Водородные связи между
комплементарными азотистыми основаниями
во вторичной структуре ДНК
Нумерацию
выучить!

23.

Стеккинг-взаимодействия (красные стрелки) между азотистыми основаниями
во вторичной структуре ДНК

24.

Параметры двойной спирали ДНК
две цепи ДНК закручены в спираль вокруг общей оси
формируются большая и малая бороздки спирали
цепи комплементарны и антипараллельны
азотистые основания находятся внутри молекулы ДНК,
снаружи находится сахаро-фосфатный остов
диаметр спирали - 2 нм, каждые 10 п.н. составляют
один виток спирали
Расстояние между нуклеотидами – 0,34 нм
Один виток спирали – 3,4 нм
Основная форма ДНК спирали - В форма

25.

Типы спиралей во вторичной структуре ДНК
Основная форма - В
транскрипция
репликация
кроссинговер

26.

Важные повторяющиеся последовательности
во вторичной структуре ДНК
А роза упала на лапу азорА
5‘
3‘
3‘
5‘
Важны для регуляции
репликации и транскрипции

27.

Третичная структуры ДНК
– пространственное расположение полинуклеотидных цепей с учетом
суперспирализации и взаимодействия со вспомогательными белками
Разная у про- и эукариот
а – линейная – у эукариот и у вирусов
б – кольцевая и в - суперскрученная
у прокариот (бактерии и вирусы)
у митохондрий и хлоропластов
у вирусов

28.

Укладке ДНК помогают белки.
У эукариот это в первую очередь гистоны
Длина одной молекулы ДНК человека примерно 2 м,
диаметр ядра 10-20 мкм
Гистоны нужны для
- Упаковки ДНК
- Регуляции репликации и транскрипции
Гистоны образуют октамер из четырех дважды
повторяющихся белков:
Н2А, Н2В, Н3, Н4
Характеристику гистонов знать
(см методичку)
Нуклеосомный уровень укладки

29.

Уровни укладки молекулы ДНК
нуклеосомный
Необходимы для
- упорядоченного хранения ДНК
- быстрого доступа к нужному гену
- регуляции репликации и транскрипции
фибриллярный
Петлевые
домены ДНК
хроматидный
хромосомный
Термин хромосома – (хромос – окрашенное, сома – тело)
предложил В. Вальдейер в 1888 году поскольку описанные
структуры интенсивно окрашивались основными
красителями.
Хромосома окончательно формируется только в профазу
митоза или профазу первого мейоза

30.

РНК
Вся РНК в клетках синтезируется в процессе транскрипции,
т.е. переписывания информации
из нуклеотидов ДНК в нуклеотиды РНК

31.

Виды РНК
• Гетерогенные ядерные РНК– предшественники мРНК (mRNA)
• Матричные РНК – инструкция по построению белка, посылаемая в рибосомы, кодирующие (белок) РНК
• Рибосомные РНК (rRNA) – основа рибосом
• Транспортные (tRNA) – переносят аминокислоты к рибосомам
• Малые ядерные (snRNA) – процессинг мРНК - компоненты сплайсосомы (рибозимы)
• Малые ядрышковые РНК (snoRNA) – процессинг рРНК и тРНК
• miRNA – регуляторная роль и «замалчивание» (сайленсинг) трансляции
• Малые интерферирующие РНК (siRNA) – защита от вирусов
ЕЩЕ:
РНК в составе ферментов (теломераза),
РНК в составе сигналраспознающей частицы (SRP)
РНК с еще неизвестной функцией (TUF, transcripts of unknown function) ...

32.

Основные типы РНК в клетках

33.

Матричная РНК (мРНК или иРНК)
- одноцепочечная
- линейная
- в цитоплазме у эукариот находится в виде РНП (рибонуклеопротеиновых
комплексов) (вторичная структура)

34.

Матричная РНК (мРНК или иРНК)
У ПРОКАРИОТ: обычно полицистронная

35.

Матричная РНК (мРНК или иРНК)
У ЭУКАРИОТ: чаще – моноцистронная

36.

Матричная РНК (мРНК или иРНК)
У ПРОКАРИОТ: обычно полицистронная
У ЭУКАРИОТ: чаще – моноцистронная

37.

Рибосомальная РНК

38.

рРНК. Состав рибосом
МИТОХОНДРИАЛЬНАЯ РИБОСОМА:
60S = 45S (16S) + 35S (12S)
Коэффициент седиментации S
– в единицах Сведберга (сведбергах)
1S = 1 х 10-13с

39.

40.

Вторичная структура рРНК

41.

Третичная структура рРНК = рибосомы

42.

Транспортная РНК

43.

Транспортная РНК

44.

Вопросы для подготовки к контрольной работе и опросу:
Пример задания на контрольной работе:
1. Напишите УДФ, дГМФ, Ц3`МФ, ффА
2. Напишите спаривание азотистых оснований А – Т(У) или Г – Ц.
3. Напишите цепочку НК ффГфУфА

45.

Вопросы для подготовки к опросу
«Структуры нуклеиновых кислот»
1. Первичная структура ДНК. Повторы. Правила Чаргафа.
2. Вторичная структура ДНК.
3. Третичная структура ДНК. Гистоны.
4. тРНК
5. рРНК, рибосомы
6. мРНК
Подробно смотрим в методичке «Нуклеиновые кислоты»