Метаболизм ДНК
Метаболизм ДНК
Репликация
Основные принципы репликации ДНК
Репликация идет в двух направлениях
Синтез ДНК
Ферменты репликации
Синтез ДНК
Синтез ДНК
Инициация
Синтез ДНК
Синтез ДНК
Синтез ДНК
Синтез ДНК
Синтез ДНК
Элонгация
Синтез отстающей цепи
Терминация
Источники повреждения ДНК
Репарация ДНК
Прямая репарация ДНК
Репарация ДНК
Репарация ДНК
Эксцизионная репарация
SOS-репарация
Молекулярные мутации
3.19M
Категория: БиологияБиология

Метаболизм ДНК

1. Метаболизм ДНК

2. Метаболизм ДНК

• Репликация – процесс точного копирования
молекулы ДНК.
• Репарация – поддержание целостности
биологического материала в ДНК.
• Рекомбинация –перестройка заключенной в
молекуле ДНК генетической информации.

3. Репликация

• Процесс самовоспроизведения
макромолекул нуклеиновых кислот,
обеспечивающий точное копирование
генетического материала и передачу его от
поколения к поколению.
• В основе репликации лежит понятие
матрицы – это макромолекулярная
структура для синтеза комплементарной
копии макромолекулы.

4.

• Репликация ДНК происходит в
определенной фазе клеточного цикла.
• Основные свойства процесса репликации
ДНК и каталитические механизмы этого
процесса практически идентичны у всех
видов организмов.

5. Основные принципы репликации ДНК

• Полуконсервативный механизм
- каждая из 2 цепей ДНК служит
матрицей для образования новой
цепи. Образуются две новые
двухцепочечные молекулы ДНК,
каждая из которых состоит из
одной новой и одной старой цепей.

6.

7.

• Субстратами для синтеза ДНК
являются
дезоксирибонуклеозидтрифосфаты
– dАТФ, dГТФ, dТТФ, dЦТФ,
выполняющие роль строительного
материала и источников энергии.

8.

• Точка начала репликации – origin
(ориджин).
• У бактерий в кольцевом геноме имеется
только одна точка «origin», тогда как у
эукариотических хромосом их множество.
• У человека репликация начинается в
точках, удаленных друг от друга от 30 до
300тыс.п.н.

9.

10.

• Репликон – это участок ДНК между
двумя «ориджинами» репликации.

11.

Родительская ДНК
Репликационный глазок
Дочерние молекулы ДНК
Репликативные вилки

12. Репликация идет в двух направлениях

13.

• Синтез новых цепей ДНК может
протекать только в направлении
5’ 3’, так как достраивается 3’конец цепи ДНК.

14.

5’
3’
3’
5’

15. Синтез ДНК

16.

• Вся сложность ферментативного аппарата
репликации связана с требованиями
высокой точности синтеза.
• Весь этот комплекс называется ДНКрепликативной системой, или
• Реплисомой.

17. Ферменты репликации

• Синтез новой цепи ДНК
осуществляется при помощи ДНКполимеразы.
• Фермент катализирует синтез
дочерних цепей на матрице ДНК по
принципу комплементарности.

18. Синтез ДНК

• У прокариот найдено 3 типа этих
ферментов:
• ДНК-полимераза I
• ДНК-полимераза II
• ДНК-полимераза III

19.

• ДНК-полимераза I выполняет функции
проверки поддержания порядка во время
репликации, репарации и рекомбинации.
• Обладает 5’ 3’ экзонуклеазной
активностью, может заменить участок ДНК
(или РНК), что используется в методах по
гибридизации нуклеиновых кислот.

20.

• ДНК-полимераза II – участвует в
процессах репарации ДНК при
повреждении ДНК ультрафиолетовым
облучением.

21.

• ДНК-полимераза III – главный фермент
репликации у E.coli.
• Состоит из субъединиц 10 разных типов.
• Обладает полимеразной активностью
(присоединяет 250-1000 нуклеотидов/с).
• Корректирующей активностью, т.е. 3’
5’ экзонуклеазной активностью, благодаря
которой каждый нуклеотид после присоединения
проверяется дважды.

22.

• Для создания Матрицы – одноцепочечной
ДНК, необходимы хеликазы –
ферменты, разделяющие цепи
двухцепочечной ДНК на одинарные цепи.

23.

• Хеликазы – это ферменты, способные
расплетать две комплементарные нити в
ДНК с использованием энергии,
полученной при гидролизе АТФ.

24.

• Топоизомеразы – ферменты,
изменяющие степень
сверхспирализации ДНК, путем
внесения одноцепочечных
или двухцепочечных разрывов в ДНК.

25.

• Топоизомеразы находятся перед
репликативной вилкой, разрезают молекулу
ДНК для облегчения ее расплетания и
раскручивания молекулы ДНК, после чего
непрерывность ее восстанавливается.

26.

• Антибиотики – ингибиторы топоизомеразы:
• Хинолоны, фторхинолоны
• Норфлоксацин

27.

• белки, стабилизирующие
разделенные нити ДНК – SSB
(single strand binding)

28.

• Роль SSB -белков заключается в том, что они
связываются с однонитчатой ДНК, выпрямляют
ее и блокируют образование шпилечных
двухнитчатых структур.
• Участие SSB в репликации абсолютно
необходимо. Они удерживают матричные цепи
ДНК в репликативной вилке в одноцепочечном
состоянии, а также защищают одноцепочечную
ДНК от действия нуклеаз.

29.

• ДНК-лигаза – фермент катализирующий
сшивание одноцепочечных фрагментов
ДНК.
• ДНК-праймаза — это фермент РНКполимераза, синтезирующий короткий
фрагмент РНК, называемый праймером,
комплементарный одноцепочечной матрице
ДНК.

30. Синтез ДНК

Синтез ДНК включает в себя
три этапа:
• инициация
• элонгация
• терминация

31. Инициация

• инициация синтеза ДНК у E.coli
происходит в oriC (245п.н.)
• В точках начала репликации отмечено
большое количество А=Т пар и
участки связывания ключевого
инициаторного белка DnaA.

32.

• Процесс инициации начинается с
присоединения к хромосоме белка DnaA
(в origin области).
• 8 молекул DnaA, каждая из которых
связана с АТФ, образуют спиральный
комплекс (положительная
суперспираль). В соседних участках
ДНК это вызывает денатурацию А=Т
богатого участка.

33.

DnaА
белки
Dna A белки садятся на oriC
– участок начала
репликации
Индуцируется
расплетение ДНК
Расплетенный участок индуцирует
прикрепление SSB-белков и хеликаз (Dna B)
Хеликазы
SSB - белки

34.

• Это приводит к разделению цепей и
способствует работе основного
расплетающего белка - хеликазы (DnaB).
• С образовавшейся одноцепочечной ДНК
связываются белки SSB, которые
стабилизируют вилку репликации.

35.

Хеликазы
Хеликазы разделяют ДНК в двух направлениях
в районе двух вилок
вилка
вилка

36.

37. Синтез ДНК

• В результате действия хеликазы,
топоизомеразы, SSB- белков,
ионов Mg+2 образуется
репликативная вилка - участок
ДНК, в пределах которого спираль
раскручена и разделена на
отдельные цепи.

38. Синтез ДНК

• ДНК-полимераза III не способна
начинать синтез новой цепи с ее
первого нуклеотида. Поэтому
репликация начинается с синтеза
праймера (РНК-затравки) на
обеих цепях расплетенной ДНК.

39. Синтез ДНК

• Праймер - короткий сегмент РНК,
комплементарный матричной цепи
ДНК.
• Праймер синтезируется при
участии ДНК- зависимой РНКполимеразы (праймазы).

40. Синтез ДНК

• от 3’ –конца праймера начинается
синтез новой цепи ДНК при
помощи ДНК- полимераза III.
Синтез идет в направлении 5’ 3’

41. Синтез ДНК

• ДНК-полимераза III удлиняет
РНК-затравку, присоединяя к ней
один за другим нуклеотиды,
комплементарные матричной цепи

42. Элонгация

• Синтез лидирующей цепи.
• Синтез отстающей цепи.

43.

• Синтез лидирующей цепи начинается с
синтеза праймера, дезоксирибонуклеотиды
добавляются к этому праймеру ДНКполимеразой III, связанной с DnaВхеликазой.
• Синтез идет непрерывно со скоростью,
соответствующей скорости раскручивания
ДНК в репликативной вилке.

44. Синтез отстающей цепи

• Синтез осуществляется в виде коротких
фрагментов ОКАЗАКИ.
• Каждый фрагмент Оказаки состоит
примерно из 1000 нуклеотидов
(у прокариот).
• Праймаза синтезирует РНК-праймер.

45.

• ДНК-полимераза III связывается с
праймером и присоединяет
дезоксирибонуклеотиды.
• Синтез фрагментов Оказаки происходит с
участием ферментативного аппарата –
праймасомы ( DnaB-хеликаза и DnaGпраймаза) в составе репликативного
комплекса.

46.

• Реплисома присоединяет по 1000
нуклеотидов в секунду к каждой цепи
(лидирующей и отстающей).
• После завершения сборки одного
фрагмента Оказаки его РНК-праймер
удаляется и замещается
последовательностью ДНК с помощью
ДНК-полимеразы I.

47.

• Оставшийся разрыв «сшивает» ДНК-лигаза.
• ДНК-лигаза катализирует образование
фосфодиэфирной связи между 3’гидроксильной группой на конце одной
цепи ДНК и 5’-фосфатом на конце другой
цепи.
• Для этой реакции используется НАДкофактор в качестве источника АМФ (у
прокариот).

48.

49. Терминация

• У прокариот есть специальные
терминаторы (ter) – специальные
последовательности нуклеотидов,
прекращающие синтез цепи ДНК
• Ter-последовательности служат
участками связывания белка Tus
(terminus utilization substance)

50.

• Комплекс Ter-Tus может задержать
репликативную вилку, движущуюся только
в одном направлении, т.е. останавливает
одну из вилок с которой сталкивается.
Другая вилка останавливается, когда
встречается с первой задержанной вилкой.

51.

• Для терминации репликации линейных
эукариотических хромосом на концах
каждой хромосомы синтезируются
специальные структуры, называемые
теломерами.
• Иначе с каждым клеточным делением
хромосомы становились бы короче и
короче.

52.

• Это многократно повторяющиеся
последовательности нуклеотидов ( у
одноклеточных эукариот от 20 до100, у
млекопитающих превышает 1500).
• У человека такая последовательность
(TTAGGG)n .

53.

• Теломеры присоединяются к концам
эукариотических хромосом с помощью
фермента теломеразы.

54.

• Одна из причин старения — закон делимости клеток,
открытый американским биологом Леонардом
Хейфликом (Leonard Hayflick) в 1961 году. Суть его в
том, что клетки человеческого организма не могут
делиться бесконечно. Максимально возможное
количество делений в среднем составляет 50±10 (так
называемый предел или лимит Хейфлика).
• Вызвано это тем, что при делении клетки репликация ДНК
происходит "с потерями" — молекула копируется не до
конца. До определенного момента в этом ничего
страшного нет — кончики хромосом защищены
теломерами, которые и теряются при копировании..

55.

• есть клетки, которые могут делиться
бесконечно, например кроветворные или
раковые. В этих случаях механизм
ограничения количества делений не
срабатывает благодаря теломеразе, которая
"чинит" ДНК, достраивая теломеры.

56. Источники повреждения ДНК


УФ излучение
Радиация
Химические вещества
Ошибки репликации ДНК
Апуринизация - отщепление азотистых
оснований от сахарофосфатного остова
• Дезаминирование - отщепление аминогруппы от
азотистого основания

57. Репарация ДНК

• Репарация- процесс восстановления
повреждений ДНК.
• Распознавание дефекта
сопровождается непосредственно при
репликации, все ДНК-полимеразы
обладают 3’ 5’ экзонуклеазной
активностью.

58.

• Репарация осуществляется с помощью:
специфического набора ферментов, постоянно
присутствующих в нормально функционирующих
клетках (фотореактивационная, эксцизионная)
• активации группы генов, контролирующих
различные клеточные функции –
SOS-репарация.

59.

• У бактерий имеются 2 ферментные
системы, ведущие репарацию:
прямая
эксцизионная

60. Прямая репарация ДНК

• Фотореактивация. Расщепление
пиримидиновых димеров (приУФ
облучении) осуществляется
ферментом
ДНК - фотолиазой.
Реакция расщепления связей зависит от
видимого света. У человека отсутствует.

61.

фермент ДНК – фотолиаза - мономерный флавинзависимый фермент и 2 кофактора (хромофоры).
• 5,10-метенилтетрагидрофолат (5,10-MTГФ) –
поглощает фотоны синего цвета (300-500 нм) и
передает энергию возбуждения на FADH- .
• Возбужденный FADH- отдает электрон
пиримидиновому димеру, устраняя повреждение.

62. Репарация ДНК

63. Репарация ДНК

• Темновая эксцизионная
репарация
• Не нуждается в энергии видимого
света

64.

Каждая из систем репарации включает следующие
компоненты:
• фермент, «узнающий» химически изменённые участки в
цепи ДНК и осуществляющий разрыв цепи вблизи от
повреждения.
• фермент, удаляющий повреждённый участок.
• фермент, синтезирующий соответствующий участок цепи
ДНК взамен удалённого.
• фермент, замыкающий последнюю связь в полимерной
цепи и тем самым восстанавливающий её непрерывность.

65. Эксцизионная репарация

• Base excision repair – BER
• ДНК гликозилазы, распознают аномальные
основания ДНК и катализируют гидролитическое
расщепление N-glycosyl связи, между основанием
и сахаром.
• Образуется AP-сайт (apurinic/apyrimidinic).
• АП-сайт распознается АП-эндонуклеазой,
которая вводит в нить ДНК разрыв.

66.

• Фосфодиэстераза отщепляет от ДНК
сахарофосфатную группу, к которой не
присоединено основание.
• Брешь размеров в 1 н. застраивается
ДНК-полимеразой I и концы ДНК
соединяются ДНК-лигазой.

67.

• Nucleotide excision repair - NER
• Узнавание повреждений.
• Связывание мультисубъединичного комплекса с
поврежденным сайтом.
• Двойное надрезание поврежденной цепи на
несколько нуклеотидов.
от поврежденного сайта в обоих направлениях
5' и 3'.

68.

• Освобождение олигонуклеотида,
содержащего повреждение между двумя
надрезами.
• Заполнение образовавшейся бреши ДНК
полимеразой.
• Лигирование.

69.

• При некоторых типах повреждений ДНК
(двухнитевые разрывы,поперечные
сшивки).
• Репликативная вилка наталкивается на
нерепарированное повреждение ДНК.
• Результат воздействия ионизирующей
радиации.
• Окислительные реакции.

70. SOS-репарация

• SOS – белки всегда присутствуют в клетке, но
при запуске SOS-ответа их уровень значительно
повышается.
• Мутации, возникающие в результате такой
репликации, приводят к гибели одних клеток и
опасны для других, но репликация не
прекращается, позволяет выжить некоторым
мутантным дочерним клеткам.

71.

• В геноме типичной клетки млекопитающих
за 24 ч аккумулируется много тысяч
повреждений. Благодаря репарации менее
одного повреждения из 1000 становится
мутацией. Изменения в генах репарации
значительно повышают чувствительность к
раку.

72.

• Все дефекты генов белков, участвующих в
эксцизионной репарации связаны с
онкологическими заболеваниями,
• генетическими заболеваниями, например,
пигментная ксеродерма.

73.

• У человека нет ДНК-фотолиазы и
эксцизионная репарация оснований –
единственный способ репарации
пиримидиновых димеров.
• Инактивация этой системы связана с
развитием рака кожи, который
индуцируется солнечным светом.

74. Молекулярные мутации

• Анемия Фанкони – генетические
отклонения, возникающие при репарации
ДНК.
• Болезнь названа в честь швейцарского
педиатра, Гвидо Фанкони, впервые
описавшего это заболевание.

75.

• У 60—75 % больных также встречаются врожденные дефекты, такие
как низкорослость, ненормальная пигментация, маленькая голова,
аномалии скелета
• Ряд неврологических расстройств (косоглазие, недоразвитие одного
или обоих глаз, опущение века, глазное дрожание, глухота,
умственная отсталость),
• Поражения половых органов (недоразвитие половых органов)
• Почечные аномалии
• Врождённые пороки сердца.
• Средняя продолжительность жизни у больных анемией Фанкони
составляет около 30 лет.
English     Русский Правила