Реакции клеточного метаболизма

1.

Реакции клеточного
метаболизма
Вольдгорн Я.И.
к.б.н, доцент кафедры
биологии ПФ
Лекция 2

2.

План лекции
1) Клеточный метаболизм. Анаболизм и
катаболизм
2) Энергетический обмен
3) Экспрессия гена
4) Регуляция экспрессии гена
5) Изменчивость
6) Генные мутации

3.

Метаболизм

4.

Определения
Метаболизм — совокупность процессов
обмена веществом и энергией.

5.

Определения
Анаболизм (пластический обмен) —
совокупность процессов созидания более
сложных веществ из более простых. Происходят
с затратой энергии. Примеры: фотосинтез,
биосинтез белка.
Катаболизм (энергетический обмен) —
совокупность процессов распада более сложных
веществ до более простых. Происходят с
выделением энергии. Примеры: дыхание.

6.

В метаболизм входят

7.

Анаболизм и катаболизм

8.

Энергетический
обмен
(Клеточное
дыхание)

9.

Этапы энергетического обмена

10.

Общее уравнение клеточного дыхания

11.

Подготовительный этап
Расщепление полимеров до мономеров.
У человека происходит в ЖКТ.
Белки -----> аминокислоты
Нуклеиновые кислоты -----> нуклеотиды
Жиры -----> глицерин и жирные кислоты
Полисахариды -----> моносахариды

12.

Анаэробный этап (гликолиз)
Глико́лиз — процесс окисления глюкозы, при
котором из одной молекулы глюкозы образуются
две молекулы пировиноградной кислоты (ПВК).
ПРОИСХОДИТ В ЦИТОПЛАЗМЕ
ИТОГ: 2АТФ

13.

Реакции гликолиза

14.

Возможные пути ПВК

15.

Молочнокислое брожение

16.

Молочнокислое брожение

17.

Спиртовое брожение

18.

Спиртовое брожение
Дрожжевое тесто

19.

Аэробный этап
ПРОИСХОДИТ В МИТОХОНДРИЯХ
ИТОГ: 36 АТФ
ПРОИСХОДИТ В 3 ЭТАПА:
1) Окислительное декарбоксилирование
ПВК
2) Цикл Кребса
3) Окислительное фосфорилирование

20.

Митохондрия

21.

Аэробный этап

22.

1) Окислительное декарбоксилирование ПВК
(в матриксе митохондрий)

23.

НАДФ
Никотинамидадениндинуклеотидфосфа́т

24.

Ацетил-КоА — универсальный продукт,
поступающий в цикл Кребса

25.

2) Цикл Кребса (в матриксе
митохондрий)

26.

ФАДH2
ФАД — флавинадениндинуклеотид.
ФАД может быть восстановлен до ФАДH2, при этом
он принимает два атома водорода.

27.

АТФ-синтаза

28.

Пластический
обмен: синтез
белка

29.

Ген
Ген (от др. греч. «род») — участок ДНК,
содержащий информацию о первичной
структуре белка или РНК.
Ген — функциональная и структурная
единица наследственности.

30.

Свойства гена
- способность к репликации
- стабильность
- лабильность (способность к мутациям)
- дискретность
- специфичность
- аллельность
- множественный аллелизм
- плейотропия (способность влиять на несколько признаков)
- дозированность действия
- способность взаимодействовать с другими генами

31.

Ген — единица эволюции?
Ричард Докинз

32.

Матричная и кодирующая цепи ДНК
Матричная цепь ДНК (антисмыловая цепь,
antisense) — служит матрицей для мРНК,
комплементарна мРНК.
Кодирующая цепь ДНК (смысловая цепь, sense) —
совпадает с мРНК (с заменой Т на У)

33.

Эукариотический ген
5
' Регуляторная часть
3
'
экзон интрон экзонинтрон
Кодирующая часть
Промотор:
- ТАТА-бокс Старткодон
- ЦААТ-бокс
3'
Регуляторная часть
5
Терминатор '
Стопкодон

34.

Экспрессия гена

35.

Экспрессия гена

36.

Транскрипция

37.

Процессинг пре-мРНК
1) Кэпирование — присоединение
структуры кэп на 5'-конец пре-мРНК.
2) Полиаденилирование —
присоединение последовательности
аденинов (хвост поли-А) на 3'-конец премРНК.
3) Сплайсинг — вырезание интронов и
сшивка экзонов

38.

Кэп — остаток 7-метилгуанозина

39.

Кэпирование

40.

Функции кэпа
- участие в сплайсинге
- участие в транспорте мРНК из ядра в
цитоплазму
- участие в процессинге 3' — конца
- участие в связывании с рибосомой
- защита мРНК от ферментов
цитоплазмы

41.

Полиаденилирование

42.

Альтернативное полиаденилирование

43.

Хвост полиА защищает мРНК

44.

Сплайсинг

45.

Сплайсосома
Сплайосома— комплекс для
осуществления сплайсинга.
Сплайосома = 5 мяРНК + по 7 белковых
факторов, связанных с каждой мяРНК

46.

Работа сплайсосомы

47.

Альтернативный сплайсинг

48.

Альтернативный сплайсинг кальцитонина

49.

Зрелое мРНК

50.

Генетический код

51.

Свойства генетического кода
- триплетность
- вырожденность
- специфичность
- дискретность
- коллинеарность
- неперекрываемость
- наличие стоп-кодонов
- универсальность

52.

Участники трансляции
- зрелая мРНК
- аминокислоты
- тРНК
- аминоацил-тРНК-синтетазы
- рибосомы
- ферменты
- АТФ

53.

Аминокислота

54.

Аминокислота

55.

Пептидная связь

56.

тРНК

57.

Инозин

58.

Инозин комплиментарен…

59.

Роль аминоацил-тРНК-синтетазы

60.

Присоединение аминокислоты к тРНК

61.

Рибосома

62.

Трансляция

63.

Этапы трансляции
Инициация.
1. Узнавание стартового кодона (AUG), сопровождается присоединением тРНК
аминоацилированной метионином (М) и сборкой рибосомы из большой и малой
субъединиц.
Элонгация.
2. Узнавание текущего кодона соответствующей ему аминоацил-тРНК (комплементарное
взаимодействие кодона мРНК и антикодона тРНК увеличено).
3. Присоединение аминокислоты, принесённой тРНК, к концу растущей полипептидной
цепи.
4. Продвижение рибосомы вдоль матрицы, сопровождающееся высвобождением
молекулы тРНК.
5. Аминоацилирование высвободившейся молекулы тРНК соответствующей ей
аминоацил-тРНК-синтетазой.
6. Присоединение следующей молекулы аминоацил-тРНК, аналогично стадии (2).
7. Движение рибосомы по молекуле мРНК до стоп-кодона (в данном случае UAG).
Терминация.
Узнавание рибосомой стоп-кодона сопровождается (8) отсоединением
новосинтезированного белка и в некоторых случаях (9) диссоциацией рибосомы.

64.

Полисома

65.

Фолдинг белка

66.

Пространственные структуры белков

67.

Денатурация белка

68.

Ренатурация белка

69.

Регуляция экспрессии: до транскрипции
а) Регуляция за счет
конденсации/деконденсации ДНК
- ацетилирование/деацетилирование
гистонов
- метилирование/деметилирование ДНК
б) Регуляция старта транскрипции
- энхансеры усиливают транскрипцию
- сайленсеры подавляют транскрипцию
- оперонная система у прокариот

70.

Ацетилирование гистонов
Ацетилирование гистонов =>
деконденсация ДНК => повышение
уровня транскрипции
Деацетилирование гистонов =>
конденсация ДНК => снижение
уровня транскрипции

71.

Ацетилирование гистонов (лизина)

72.

Метилирование ДНК
Метилирование ДНК => конденсация
ДНК => снижение уровня
транскрипции
Деметилирование ДНК =>
деконденсация ДНК => повышение
уровня транскрипции

73.

Метилирование ДНК

74.

Метилирование ДНК ведет к конденсации

75.

Прокариотический ген
5
' Регуляторная часть
3
Оператор
Промотор
'
Ген 1 Ген 2 Ген 3 Ген 4
Кодирующая часть
Старткодон
3'
Регуляторная часть
5
Терминатор '
Стопкодон

76.

Опероны прокариот

77.

Лактозный оперон:
лактозы нет

78.

Лактозный оперон:
лактоза есть

79.

Триптофановый оперон:

80.

Регуляция экспрессии: посттрансляционно
а) Регуляция за счет длины хвоста полиА
б) Регуляция за счет альтернативного
сплайсинга

81.

Регуляция экспрессии: на уровне трансляции
а) Регуляция старта трансляции за счет
регуляторных белков
Регуляторные белки связываются с со
специфической нетранслируемой
последовательностью на 5'-конце мРНК и
препятствую трансляции
б) Регуляция старта трянсляции за счет микроРНК
микроРНК комплементарны мРНК и подавляют ее
трансляцию
в) аттенюация (у прокариот)

82.

МикроРНК блокирует трансляцию

83.

Аттенюация триптофанового оперона

84.

Аттенюация триптофанового оперона

85.

Регуляция экспрессии: посттрансляционно
а) Регуляция фолдинга белка
б) Регуляция за счет дальнейшей модификации
белка
в) регуляция срока «жизни» белка

86.

Шапероны — белки, участвующие в фолдинге:
функции

87.

Шаперон

88.

Изменения
наследственного
материала

89.

Виды изменчивости

90.

Фенотипическая изменчивость и норма реакции

91.

Норма реакции разных признаков

92.

Комбинативная изменчивость

93.

Мутационная изменчивость

94.

Мутационная изменчивость

95.

Мутационная изменчивость

96.

Мутационная изменчивость

97.

Мутационная изменчивость

98.

Мутационная изменчивость

99.

Генные мутации
- затрагивают один ген
- результат ошибок репликации и
репарации
- большинство нейтральны
- возникают относительно часто (~3
после каждой репликации)

100.

Генные мутации

101.

Определения
Инверсия — поворот участка гена на 180°.
Замена — замена одного нуклеотида на
другой.
Делеция — выпадение нуклеотида или
нескольких.
Инсерция — вставка нуклеотида или
нескольких.

102.

Генные мутации

103.

Генная мутация может не проявиться благодаря
- диплоидности организма
- рецессивности мутации
- вырожденности кода
- сходным свойствам аминокислот
- 99% генома не кодируют белки

104.

Рамка считывания

105.

Серповидноклеточная анемия
Генная мутация, замена
- аутосомно-рецессивная мутация в гене гемоглобина
- наследуется по типу сверхдоминирования (гетерозиготы
имеют преимущество)
- эритроциты больных имеют серповидную форму
- больные страдают от анемии (малокровия) и, следовательно,
гипоксии (недостатка O2)
- гомозиготы (аа) умирают в подростковом возрасте
- гетерозиготы (Аа) не имеют признаков болезни, если нет
серьезной нагрузки на организм (например, высоко в горах)
- гетерозиготы не болеют малярией!

106.

Серповидноклеточная анемия

107.

Серповидноклеточная анемия

108.

Ахондроплазия
Генная мутация
- аутосомно-доминантная мутация в гене рецептора ростового
гормона
- наследуется по типу полного доминирования
- больные имеют аномально низкий рост и укороченные
конечности

109.

Ахондроплазия
Генная мутация
- аутосомно-доминантная мутация в гене рецептора ростового
гормона
- наследуется по типу полного доминирования
- больные имеют аномально низкий рост и укороченные
конечности

110.

Ахондроплазия
Ахондроплазия у людей
Ахондроплазия у собак