РЕПЛИКАЦИЯ, И ЕЁ ЭТАПЫ.

РЕПАРАЦИЯ ДНК.

ТРАНСКРИПЦИЯ ГЕНА. СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ГЕНЕ.

СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ДНК.

Генетическая догма: информация записана в ДНК и передаётся на дочерние молекулы ДНК

из поколения в поколение с помощью процесса репликации.
ДНК ® РНК ® белок

РЕПЛИКАЦИЯ - процесс самоудвоения ДНК. Этот процесс стал полностью изучен только после того, как УОТСОН и КРИК предложили структуру ДНК в виде двойной спирали, полинуклеотидные цепи которой связаны комплиментарными, азотистыми основаниями (А:::Т, Г:::Ц). Если азотистые основания комплиментарны друг другу, то и полинуклеотидные цепи тоже комплиментарны. В основе механизма репликации лежит принцип комплиментарности. К механизму репликации относится матричный биосинтез. Репликация ДНК идёт полуконсервативным способом: на каждой материнской полинуклеотидной цепи синтезируется дочерняя цепь.

Условия необходимые для репликации:

1. Матрица - нити ДНК. Расщепление нити называется РЕПЛИКАТИВНАЯ ВИЛКА. Она

может образовываться внутри молекулы ДНК. Они движутся в разных направлениях,

образуя РЕПЛИКАТИВНЫЙ ГЛАЗОК. Таких глазков в молекуле ДНК ЭУКАРИОТ

несколько, каждый имеет две вилки

2. Субстрат. Пластическим материалом являются ДЕЗОКСИНУКЛЕОТИДТРИФОСФАТЫ:
дАТФ, дГТФ, дЦТФ, дТТФ. Затем происходит их распад до ДЕЗОКСИНУКЛЕОТИДМОНОФОСФАТОВ, двух молекул фосфата неорганического с выделением энергии, т.е. они одновременно являются источником и энергии, и пластического материала.

Д-АТФ® Д-АМФ + ФФ + Е.

3. Ионы магния.

Репликативный комплекс ферментов:

A) ДНК -раскручивающие белки:

1. DNA-A (вызывает расхождение нитей)

2. ХЕЛИКАЗЫ (расщепляют цепь ДНК)

3. ТОПОИЗОМЕРАЗЫ 1 и 2 (раскручивают сверх спирали). Разрывают (3",5") -

фосфодиэфирные связи. ТОПОИЗОМЕРАЗА 2 у ПРОКАРИОТ называется ГИРАЗА.

B) Белки, препятствующие соединению нитей ДНК (SSB -белки)

C) ДНК-ПОЛИМЕРАЗА (катализирует образование фосфодиэфирных связей). ДНК-
ПОЛИМЕРАЗА только удлиняет уже существующую нить, но не может соединить два свободных НУКЛЕОТИДА.

D) ПРАЙМАЗА (катализирует образование «затравки» к синтезу). Это по своей структуре РНК-ПОЛИМЕРАЗА, которая соединяет одиночные НУКЛЕОТИДЫ.

Е)ДНК-ЛИГАЗА.

5. ПРАЙМЕРЫ - «затравка» для репликации. Это короткий фрагмент, состоящий из РИБОНУКЛЕОТИДТРИФОСФАТОВ (2 - 10). Образование ПРАИМЕРОВ катализируется ПРАЙМАЗОЙ.

Основные этапы репликации.

1.ИНИЦИАЦИЯ репликации.

Происходит под влиянием внешних стимулов (факторов роста). Белки соединяются с рецепторами на плазматической мембране и вызывают репликацию в синтетическую фазу клеточного цикла. Смысл инициации заключается в присоединении в точку репликации DNA-A, стимулирующего расхождение двойной спирали. В этом принимает участие и ХЕЛИКАЗА. Действуют ферменты (ТОПОИЗОМЕРАЗЫ), вызывающие раскручивание сверх спирали. SSB-белки препятствуют соединению дочерних цепей.

Образуется РЕПЛИКАТИВНАЯ ВИЛКА.

Образование дочерних нитей.

Этому предшествует образование ПРАИМЕРОВ с помощью фермента ПРАЙМАЗЫ. Действует ДНК-ПОЛИМЕРАЗА и образуется дочерняя нить ДНК. Этот процесс происходит в соответствии с принципом комплиментарности, и синтез идёт от 5" к 3" концу синтезируемой нити.

На одной из материнских нитей будет строиться непрерывная цепь, а на противоположной нити - цепь из коротких фрагментов (фрагментов ОКАЗАКИ) Удаление ПРАИМЕРОВ с помощью ЭКЗОНУКЛЕАЗЫ.

Соединение коротких фрагментов с помощью ДНК-ЛИГАЗЫ.

Дочерние нити КОМПЛИМЕНТАРНЫ материнским. Дочерние молекулы ДНК являются копией материнской ДНК. Значение репликации: воспроизведение генотипа в поколениях.

2. РЕПАРАЦИЯ ДНК.

ДНК человека содержит примерно 3 млрд. НУКЛЕОТИДОВ. Если появится одна ошибка на 1млн. НУКЛЕОТИДОВ, то в целом в молекуле ДНК будет 3000 ошибок за один процесс репликации. Ошибки в репликации могут привести к летальному исходу. В организме существует система, исправляющая ошибки - система репарации ДНК. Она состоит из трёх ферментов:

ЭНДОНУКЛЕАЗА,

ЭКЗОНУКЛЕАЗА,

ДНК-ПОЛИМЕРАЗА РЕПАРИРУЮЩАЯ.

ЭНДОНУКЛЕАЗА вызывает разрыв фосфодиэфирных связей повреждённого НУКЛЕОТИДА с соседним, с той или с другой стороны. В результате образуется два конца. В действие вступает ЭКЗОНУКЛЕАЗА, отщепляющая НУКЛЕОТИДЫ с образующихся концов ДНК в обе стороны. В результате действия этих ферментов на одной нити ДНК возникает дефект. В работу вступает ДНК-ПОЛИМЕРАЗА РЕПАРИРУЮЩАЯ. Она достраивает повреждённую цепь в соответствии с принципом комплиментарности. Т.о. повреждённый НУКЛЕОТИД удаляется.

3. ТРАНСКРИПЦИЯ ГЕНА.

Транскрипция - передача информации с ДНК на РНК (биосинтез РНК). Транскрипции, в отличие от репарации, подвергаются только определённые части молекулы ДНК. Эта часть называется ТРАНСКРИПТОНОМ - фрагмент ДНК, транскрибируемый в РНК. ДНК эукариот прерывистая: участки, несущие информацию (ЭКЗОНЫ), чередуются с участками, не несущими информацию (ИНТРОНЫ). В ДНК с 5"-конца выделяют ПРОМОТОРНУЮ область - место присоединения РНК-ПОЛИМЕРАЗЫ. С 3"-конца - ТЕРМИНАТОРНАЯ зона. Эти области не транскрибируются.

УСЛОВИЯ ТРАНСКРИПЦИИ.

1. Матрица - 1 нить ДНК. Образуется транскрипционный глазок.

2. Структурные компоненты - РИБОНУКЛЕОЗИД-3-ФОСФАТЫ (АТФ, ГТФ, ЦТФ, УТФ). Они будут распадаться до МОНОФОСФАТОВ с выделением энергии.

3. ДНК-зависимая РНК-ПОЛИМЕРАЗА.

ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ ТРАНСКРИПЦИИ.

1. ИНИЦИАЦИЯ.

Заключается в присоединении РНК-ПОЛИМЕРАЗЫ к ПРОМОТОРУ, что приводит к расхождению нитей ДНК. Импульсом к присоединению РНК-ПОЛИМЕРАЗЫ является присоединение ТВР-белка к TATA-САЙТУ.

2. ЭЛОНГАЦИЯ (удлинение).

Соединение РИБОНУКЛЕОЗИДМОНОНУКЛЕОТИДОВ и образование фосфодиэфирных
связей между НУКЛЕОТИДАМИ с помощью РНК-ПОЛИМЕРАЗЫ, которая передвигается
вдоль нити ДНК. Присоединение НУКЛЕТИДОВ идет в соответствии с принципом
комплиментарности, только вместо ДЕЗОКСИНУКЛЕОТИДОВ будут РИБОНУКЛЕОТИДЫ, и вместо ТМФ - УМФ.синтез идёт со скоростью 30 - 50 НУКЛЕОТИДОВ в секунду, пока не дойдёт до Т-зоны.

3. ТЕРМИНАЦИЯ (окончание).Заключается в том, что со стороны 3"-конца образованной РНК присоединяется множество (до 200 - 300) АДЕНИЛОВЫХ НУКЛЕОТИДОВ - поли А. Образуется точная копия гена. АДЕНИЛОВЫЕ НУКЛЕОТИДЫ защищают 3"-конец от действия ЭКЗОНУКЛЕАЗ. С 5"-конца образуется защита, так называемый «САР» (чаще всего УДФ). Эта образовавшаяся копия гена называется ТРАНСКРИПТ.

4. ПРОЦЕССИНГ (созревание).

Заключается в СПЛАЙСИНГЕ удаление неинформативных участков, и соединение ЭКЗОНОВ между собой. Играет важную роль в эволюции организмов, т.к. возможен альтернативный СПЛАЙСИНГ. Это свидетельствует о том, что из одной пре-ИРНК образуется несколько ИРНК и соответственно несколько белков, что проявляется в разнообразии признаков у организмов.

Лекция № 20. Биосинтез белка.

1.БЕЛОКСИНТЕЗИРУЮЩИЙ АППАРАТ.

2.ТРАНСЛЯЦИЯ.

3.РЕГУЛЯЦИЯ БИОСИНТЕЗА БЕЛКА.БИОСИНТЕЗ БЕЛКА.

Трансляция или собственно биосинтез белка - это перевод генетического текста М-РНК в последовательность аминокислот в белке. Характеристика белоксинтезирующего аппарата клетки.

1. МРНК - источник информации.

У эукариот имеется особенность - САР (шапка, кепка), представленная МЕТИЛ-ГТФ. САР защищает МРНК от гидролиза и способствует её соединению с РИБОСОМАМИ. С САР связываются САР-связывающие белки. На МРНК находится стартовый кодон, представленный триплетом АУГ, представленный аминокислотой - МЕТ.

РИБОСОМЫ - комплексы РРНК с порядка 80 белками, включая ферменты.
РИБОСОМА состоит из двух единиц- большой и малой. Она у ЭУКАРИОТ более крупная,
её формула 80S (40S и 60S). У ПРОКАРИОТ она имеет формулу 70S (30S и 50S)

Аминокислоты (20 видов).

ТРНК(31 вид).

Несоответствие числа транспортных РНК и числа кодонов (61) снимается за счёт возможности узнавания одной транспортной РНК нескольких кодонов данной аминокислоты (ГЛИЦИН имеет три варианта ДНК-кода - ГГУ, ГГЦ, ГГА). Все эти 3 варианта узнаются одним видом Т-РНК - ЦЦН. В состав транспортной РНК входят минорные азотистые основания, способные узнавать вариабельный участок разных кодонов одной и той же аминокислоты. Транспортная РНК выполняет функцию АДАПТОРА между МРНК и белком.

Фермент синтеза комплекса транспортной РНК с аминокислотой - АМИНОАЦИЛ-ТРНК-СИНТЕТАЗА (требует энергии АТФ).

Белковые факторы:

факторы ИНИЦИАЦИИ (ФИ) начала трансляции, факторы ЭЛОНГАЦИИ (ФЭ) - продолжатели, факторы ВЫСВОБОЖДЕНИЯ (R-факторы).

Ионы магния, как КОФАКТОРЫ.

АТФ, ГТФ - поддержка энергией.

Этапы трансляции:

1.РЕКОГНИЦИЯ (распознавание) - узнавание между аминокислотами и их транспортной

2.АК + ТРНК аминоацил-т-РНК-синтетаза АК-ТРНК

АТФ®АМФ + ФФ МЕТИОНИЛ-ТРНК

РЕКОГНИЦИЯ происходит столько раз, сколько аминокислот входит в состав белка.

3. ИНИЦИАЦИЯ - начало процесса трансляции.

На этом этапе РИБОСОМА взаимодействует с МРНК и находит стартовый кодон. Малая её единица взаимодействует с МЕТИОНИЛ-ТРНК и образует инициирующий комплекс, способный распознавать стартовый кодон. Этому предшествует разделение РИБОСОМЫ с помощью ФИ-3. Образование инициирующего комплекса происходит с помощью ФИ-2. Затем инициирующий комплекс присоединяется к МРНК с 5"-конца. Узнаванию 5"-конца способствуют САР и САР-связывающие белки. Реакцию обеспечивают ФИ-1. Сканирование инициирующим комплексом матричной РНК путём продвижения от 5" к 3"-концу до обнаружения стартового кодона антикодоном МЕТ-ТРНК. Данный процесс энергозависим, требует энергии АТФ. После обнаружения стартового кодона собирается полностью РИБОСОМА путём фиксации 60S единицы, и высвобождаются белковые ФИ-1,2,3 и САР-связывающие белки. В РИБОСОМЕ выделяют Р-участок и А-участок. Р-участок (ПЕПТИДИЛЬНЫЙ) - в нём происходит образование ПЕПТИДНЫХ связей. Это закрытая область РИБОСОМЫ. Вход в неё извне запрещён. А-участок (АМИНОАЦИЛЬНЫЙ). Это открытая область РИБОСОМЫ - для поступления следующей аминокислоты.

4. ЭЛОНГАЦИЯ (продолжение) протекает циклически в виде последовательной смены трёх
фаз:

Присоединение следующей АМИНОАЦИЛ-ТРНК в соответствии со смыслом следующего кодона. Для процесса требуется энергия ГТФ и ФЭ-1 (проникновение в РИБОСОМУ).

ПЕПТИЗАЦИЯ. Фермент ПЕПТИДИЛТРАНСФЕРАЗА образует ПЕПТИДНУЮ связь между двумя аминокислотными остатками и одновременно разрушает сложноэфирную связь между первой аминокислотой и её ТРНК. В результате идёт образование растущего ПЕПТИДА в А-участке и высвобождение первой ТРНК.

ТРАНСЛОКАЦИЯ (перемещение).

При этом происходит перемещение РИБОСОМЫ на один кодон в направлении 3"-конца. При этом все остальные компоненты (МРНК, ТРНК) остаются на месте. Для процесса требуется энергия ГТФ и белковый ФЭ-2. Процесс циклический, т.е. фазы чередуют друг друга. Это происходит до обнаружения стоп (нонсенс)-кодона. Он не кодирует ни одну аминокислоту. Элонгация становится невозможной. Элонгацию и инициацию обозначают как собственно трансляцию.

5. ТЕРМИНАЦИЯ (прекращение).

Стоп -кодон распознаётся R-факторами (РЕЛИЗИНГ). Эти факторы высвобождают из связи все компоненты белоксинтезирующего комплекса: РИБОСОМУ, МРНК, ПОЛИПЕПТИД. Помогает фермент - ПЕПТИДИЛТРАНСФЕРАЗА, отщепляющий транспортную РНК от образованного ПОЛИПЕПТИДА. Для ТЕРМИНАЦИИ нужна энергия ПГФ. РИБОСОМА может повторно использоваться в трансляции. Матричная РНК или повторно используется в трансляции, или гидролизуется. ПОЛИПЕПТИД вступает в этап ПРОЦЕССИНГА белка.

6. БРОЦЕССИНГ белка (созревание) совокупность химических модификаций

ПОЛИПЕПТИДА, заканчивающихся формированием зрелой белковой молекулы. ПРОЦЕССИНГ белка может быть:

КОНТРАНСЛЯЦИОННЫЙ (во время трансляции)

ПОСТТРАНСЛЯЦИОННЫЙ.
Варианты ПРОЦЕССИНГА:

A) ограниченный протеолиз: отщепление N-концевой аминокислоты (МЕТ), отщепление ПЕПТИДНОГО фрагмента.

АЦИЛИРОВАНИЕ (присоединение остатка СНЗСООН)

ФОСФОРИЛИРОВАНИЕ

ГЛИКОЗИЛИРОВАНИЕ - образование ГЛИКОПРОТЕИНОВ и ПРОТЕОГЛИКАНОВ.

E) ГИДРОКСИЛИРОВАНИЕ аминокислот

F) ОКИСЛЕНИЕ аминокислот

G) Образование четвертичной структуры в случае ОЛИГОМЕРНОСТИ белка.
ПРОЦЕССИНГ включает в себя наивысшую точку - ФОЛДИНГ - сворачивание, обретение
белком высших уровней пространственно-структурной организации, заканчивающееся
формированием структурно и функционально зрелой молекулы.

ШАПЕРОНЫ - над молекулярные комплексы белковой природы, способствующие быстрому и

правильному ФОЛДИНГУ. В большом числе представлены белками теплового шока.

ШАПЕРОНЫ препятствуют приобретению белком неправильной конформации. Неудачный ФОЛДИНГ заканчивается появлением аномальных белков, которые должны быть элиминированы.

УБИКВИТИН белок, присутствующий в каждой клетке организма. Это «билет» на уничтожение аномального белка. Белок, меченый УБИКВИТИНОМ, разрушается в ПРОТЕОСОМАХ. В норме обеспечивается гомеостаз структуры белка, сохранение его нативной структуры. При заболеваниях образуются аномальные белки, которые не утилизируются - ПРИОНЫ -ПРОТЕИНОГЕННЫЕ, информативные частицы. Это продукты неправильного ФОЛДИНГА, которые, попадая в организм извне, трансформируют нормальные белки данного организма в виде цепной реакции. ПРИОННЫЕ белки не расщепляются в ЖКТ, а всасываются в неизменённом виде. По сути ПРИОНЫ - это отрицательные ШАПЕРОНЫ. КОМПАРТМЕНТАЛИЗАЦИЯ БЕЛКОВ (механизмы адресования).

Белки должны быть правильно распределены в клетке или выделены из неё на экспорт. За этот процесс отвечает сигнальный участок - это фрагмент аминокислотной последовательности синтезированного ПОЛИПЕПТИДА, содержащего условный адрес размещения белка. Известно, что преобладание гидрофобных аминокислот в сигнальном участке, направляет белок в мембранную структуру клетки. Преобладание гидрофильных аминокислот в сигнальном участке способствует проникновению белка в цитоплазму и выделение на экспорт. Синтезированные белки могут быть в виде над молекулярных комплексов (ШАПЕРОНЫ, ПРОТЕОСОМЫ, белки мокро трубочек).

БИОСИНТЕЗ ИНСУЛИНА.

ПРЕПРОИНСУЛИН - ПОЛИПЕПТИД, содержащий 110 аминокислотных остатков. Он содержит сигнальный участок, представленный гидрофильными аминокислотами, которые адресуют ПРЕПРОИНСУЛИН в ЭПР. После этого сигнальный участок отщепляется и образуется ПРОИНСУЛИН, содержащий 84 аминокислотных остатка. Он подвергается ОГРАНИЧЕННОМУ ПРОТЕОЛИЗУ путём вырезки внутреннего участка С-ПЕПТИДА. Образуется две цепочки из 21 и 30 аминокислот, которые затем соединяются дисульфидными связями с образованием молекулы инсулина из 51 аминокислотного остатка.

РЕГУЛЯЦИЯ БИОСИНТЕЗА БЕЛКА.

Несмотря на единство общего генотипа, в организме человека присутствует примерно 200 фенотипов клеток, и фенотипические различия определяются экспрессией генов. В каждой клетке, независимо от фенотипа, экспрессируются гены «домашнего хозяйства» обеспечивающие элементарные процессы жизнедеятельности, характерные для каждой клетки. Регуляция биосинтеза белка у ПРО- и ЭУКАРИОТ различна. У ПРОКАРИОТ основные положения теории регуляции изложены в 1961г. Ф. ЖАКОБОМ и Ж. МОНО.

1. Регуляция происходит только на уровне транскрипции. Первичные транскрипты генов у них
транслируются до завершения транскрипции.

2. Неоднородность ГЕНОМОВ. В геноме есть структурные гены и есть регуляторные области,
которые могут включать регуляторные элементы и регуляторные гены. Структурные гены
кодируют синтез структурных и функциональных белков. Регуляторные элементы не
кодируют синтез белков вообще, но влияют на процесс транскрипции.

Регуляторными элементами являются:

ПРОМОТОР - место прикрепления к ДНК РНК-ПОЛИМЕР АЗЫ, ОПЕРАТОР - место взаимодействия регуляторных белков с ДНК. Регуляторные гены кодируют синтез регуляторных белков. К ним относится белок -РЕПРЕССОР, который Может блокировать считывание информации, связываясь с оператором. Фрагмент ДНК, подверженный транскрипции называется ОПЕРОН (ПРОМОТОР, ОПЕРАТОР, структурный ген). За пределами ОПЕРОНА находятся гены-регуляторы, кодирующие синтез белка - РЕПРЕССОРА.

3. Регуляция биосинтеза белков у ПРОКАРИОТ протекает альтернативно путём репрессии и индукции.

ПРИМЕР: ЛАКТОЗНЫЙ ОПЕРОН. В микробной клетке лактоза с помощью лактазы расщепляется до галактозы и глюкозы. Лактозный ОПЕРОН регулирует синтез лактазы. Если в среде присутствует лактоза, то БЕЛОК-РЕПРЕССОР вытесняется из связи с оператором и гены лактазы транскрибируются. Лактоза выступает индуктором.

Регуляция биосинтеза белка у ЭУКАРИОТ происходит на всех уровнях матричных биосинтезов.

1. На уровне транскрипции - групповая репрессия гистонами. У человека 90% ДНК репрессировано.

2. Амплификация генов - повышение числа копий гена в геноме (повышается площадь транскрипции).

3. Регуляция транскрипции сигналами-регуляторами (усилителями и душителями). Для сигналов усилителей принят термин ЭНХАЙСЕР. Они не кодируют синтез белка, чрезвычайно эффективны, может наблюдаться 200-кратное усиление транскрипции. Действие не специфично (одновременно может влиять на группу генов). Значительно удалён от ПРОМОТОРА гена-мишени. Подвержен влиянию регуляторных факторов (гормонов). Сигналы-душители называются САЙЛЕНСЕРЫ - угнетатели транскрипции. Особенности действия подобны ЭНХАЙСЕРАМ, только действие противоположное.

4. Регуляция на уровне процессинга МРНК разрешение или запрещение процессинга

дифференциальный процессинг включает альтернативный СПЛАЙСИНГ - сборка РНК из разных экзонов, и редактирование МРНК - замена одного из нуклеотидов с изменением генетической информации, приводящее к образованию изменённых белков

5. На уровне стабильности и активности МРНК. МРНК в клетке образует комплекс с белками, который называется ИНФОРМОСОМА. В их составе МРНК не разрушается ферментами, сохранения в активном, стабильном состоянии. При необходимости она высвобождается из комплекса и транслируется. Процесс образования и распада ИНФОРМОСОМ регулируется гормонами. С одной молекулы РНК транслируется большое количество белков.

6. Регуляция на уровне трансляции:

Тотальная регуляция может быть в виде тотальной репрессии или индукции за счёт

изменения концентрации белковых факторов трансляции

Избирательная дискриминация. Определённые виды МРНК избирательно не

транслируются. С них не синтезируется белок. Трансляция с альтернативных стартовых участков. Т.о. образом может происходить выбор исходной стартовой точки трансляции.

Лекция №21.

Ключевые позиции и проблемы молекулярной биологии геномного периода.

1. ПЕРВЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ГЕНЕ.

2. СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ПРИРОДЕ БИОХИМИЧЕСКОГО ПОЛИМОРФИЗМА.

3. СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ ОРГАНИЗАЦИИ ДНК.

Прочтение генома привело к формированию новой биологии. Предпосылки возможности биологии нового времени: 1953г. Д. УОТСОН и Ф. КРИК открыли структуру ДНК. 1961г. Ф. КРИК расшифровал генетический код. 1970г. Г. ТЕМЕН и Д. БАЛТИМОР открыли ОБРАТНУЮ ТРАНСКРИПТАЗУ (способность на основе РНК синтезировать ДНК). Значение: возможность изучения изолированных генов. 1983г. К. МЮЛЛИС - реакция PCR (ПОЛИМЕРАЗНАЯ ЦЕПНАЯ РЕАКЦИЯ) - управляемое тиражирование ДНК в пробирке. 2001г. первая версия генома человека.

ЭТАПЫ И ПРИНЦИПЫ PCR.

PCR - это метод, позволяющий в пробирке получать любое количество копий заданного участка молекулы ДНК. Стадии метода PCR:

1. Выделение ДНК из биологического материала.

2. Амплификация - репликация на органическом участке молекулы ДНК. Производится за счёт
работы ферментов и смены температурных режимов.

3. ДЕТЕКЦИЯ продуктов PCR (копий заданного участка)
Схема PCR:

Т= 90, Денатурация (расплетение) ДНК

Т=50. Отжиг ПРАЙМЕРОВ

Т=70. Синтез ДНК

ПРАЙМЕРЫ специфические ОЛИГОНУКЛЕОТИДНЫЕ последовательности комплиментарные изучаемому участку ДНК. Они синтезируются в искусственных условиях на основе НУКЛЕОТИДНОЙ последовательности ДНК. ПРАЙМЕРЫ ограничивают зону копирования, являются закладками в ДНК. Синтез ДНК идёт с помощью ДНК-ПОЛИМЕРАЗЫ. Этот фермент выделен из микроорганизмов, обитающих в горячих источниках. Т.о. в результате первого цикла вместо одной молекулы ДНК образуется две. На следующий цикл матрицей будут являться все продукты предшествующего цикла. За 20 - 30 циклов количество фрагментов ДНК вырастает в 1000000 раз. Эти реакции производят в АМПЛИФИКАТОРЕ - приборе, где чередуются циклы нагревания и охлаждения. Продолжительность каждого этапа измеряется секундами. Факторы необходимые для PCR:

1. изучаемая ДНК,

2. ПРАЙМЕРЫ изучаемого участка,

3.Термостабильная ДНК-ПОЛИМЕРАЗА,

4. Строительный материал. Он же является источником энергии,

5. Оборудование для АМПЛИФИКАЦИИ.
Сферы применения PCR.

В 1993г. К. МЮЛЛЕСУ была присуждена Нобелевская премия в области химии, за открытие

1. изучение генома микроорганизмов

2. клиническая лабораторная диагностика. PCR даёт возможность обнаружения
наследственных заболеваний, а также обнаружить чужеродный геном в тканях человека
(микроорганизмы, вирусы и т.д.). Реакция пойдёт или не пойдёт. В настоящее время PCR - самый точный метод микробиологической диагностики.

СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ ОРГАНИЗАЦИИ ДНК. 95% ДНК человека представляет не генная часть. 5% - собственно гены. Не генная часть представлена:

1. ТАНДЕМНЫЕ ПОВТОРЫ монотонные повторы НУКЛЕОТИДОВ, как правило дуплетного характера, не имеющие смысла. Это так называемые «пустынные участки» ДНК. В настоящее время смысл этих участков: выполнение структурной функции и площадки для образования генов в эволюции (эволюционный резерв).

2. ПСЕВДОГЕНЫ - неактивные, но стабильные генетические элементы, возникающие в результате мутации в ранее работавших генах (гены, выключенные мутацией). Это побочный
продукт и генетический резерв эволюции. Составляют 20 - 30% не генной части ДНК.

3. Мобильные генетические элементы:

ТРАНСПОЗОНЫ - участки ДНК, способные вырезаться и встраиваться в другие области

ДНК. Это так называемые «странники генов».

РЕТРОТРАНСПОЗОНЫ - участки ДНК, копирующиеся в пределах генома, как внутри

хромосомы, так и между ними. Могут изменять смысл структурных генов человека, приводят к мутациям. Геном человека изменяется в течении жизни на 10 - 30%.

Поврежденные неактивные, мобильные генетические элементы. Не могут ни вырезаться, ни встраиваться из-за отсутствия в клетке ОБРАТНОЙ ТРАНСФЕРАЗЫ. Если фрагмент поступает в клетку с вирусом, то тогда эти гены начинают транскрибироваться. ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ГЕНОМА:

1. СТРУКТУРНЫЕ ГЕНЫ

2. РЕГУЛЯТОРНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Структурные гены кодируют синтез МРНК, ТРНК, РРНК.

Регуляторные элементы не кодируют РНК и, соответственно, белков; влияют на работу

структурных генов.

ГЕНОМИКА - отрасль молекулярной биологии, изучающая структуру и механизмы работы гена. В настоящее время установлено и изучено 35000 генов человека. Из них в каждой клетке работает 25%.

СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ПРИРОДЕ БИОХИМИЧЕСКОГО ПОЛИМОРФИЗМА.

В 40-е годы 20в БИДЛОМ и ТЕЙТУМОМ выдвинут принцип: 1 ген - I фермент. Они исходили из общей схемы биосинтеза белка, однако этот принцип не объясняет:

1. Фенотипическое различие между клетками,

2. Индивидуальные различия между организмами одного вида. Каждый человек отличается от другого человека на 0,1% генома.

3. Широкое разнообразие белков. На основе 35000 генов синтезируются около 5000000 белков.
В настоящее время нельзя сказать точно, что изучать важнее - геном или белковый состав
организма.

ПРОТЕОМИКА - отрасль молекулярной биологии, изучающая структуру и функцию белков, взаимосвязь между ними.

ПРОТЕОМ - совокупность белков клетки или организма. В настоящее время можно составить протеомный портрет человека, существует ПРОТЕОМНАЯ ДАКТИЛОСКОПИЯ.

Развитие ГЕНОМИКИ и ПРОТЕОМИКИ невозможно без компьютерного обеспечения. Компьютеры помогают расшифровать геном, определять структуру белков, моделировать функции и признаки.

БИОДЕКОДОМИКА- раздел молекулярной биологии, занимающийся расшифровкой биологических тестов.

МЕТОДЫ И ПРИНЦИПЫ ГЕНОТЕРАПИИ.

ГЕНОТЕРАПИЯ - введение конструкции в организм человека с лечебной целью.

ГЕНОТЕРАПИЯ подразделяется на:

1. ГЕНОТЕРАПИЯ ex vivo, т.е. коррекция генов в клетках, выведенных за пределы организма, коррекция и возвращение клеток в организм. Появилась в 1986г. - впервые был вылечен иммунодефицит, что необходимо повторять 2 - 3 года, т.е. временные ограничения.

2. ГЕНОТЕРАПИЯ in vivo - системная генотерапия с заменой или введением вновь
нормального гена во все клетки организма. Сложна и пока менее используется.

3. ГЕНОТЕРАПИЯ in situ - генетическую конструкцию вводят в зону патологического
процесса. Например, блокаторы онкогенов вводят в место локализации опухоли после её
удаления.

ГЕНОТЕРАПИЯ может быть фетальная (в настоящее время запрещена) и соматическая.

Способы доставки генов. Частицы, доставляющие фрагмент ДНК, называются векторами.

1. Вирусные - вирусные частицы, лишённые возможности вызывать заболевание, но сохраняют способность проникать в геном клетки и встраиваться в него. В них искусственно вводится нужный ген.

2. невирусные:

белковые - белок как доставляющая частица;

наначастицы - мельчайшие капсулы, представленные фосфолипидами, содержащие в

себе ген. Виды терапевтического переноса генов:

ИНТРО- или ЭКСТРОХРОМОСОМНАЯ КОРРЕКЦИЯ (за пределами хромосом),

Введение системы, продуцирующей нормальный белок взамен патологического - генно-
клеточная патология.

3. Блокада аномальных генов - обеспечивается комплиментарной последовательностью ДНК.
На 2001г. в мире было 3500 пациентов, получающих ГЕНОТЕРАПИЮ, более 2000 из них по
поводу раковых заболеваний. В мире утверждено 320 клинических протоколов ГЕНОТЕРАПИИ.
Перспективы: переход от генной к генно-клеточной терапии.

Лекция № 22. Матричные биосинтезы (окончание).

1.ВИДЫ ГЕННЫХ МУТАЦИЙ.

2.БИОХИМИЧЕСКИЙ ПОЛИМОРФИЗМ И ЕГО ПОСЛЕДСТВИЯ.

3.ОБРАТНАЯ ТРАНСКРИПЦИЯ. ВЛИЯНИЕ АНТИБИОТИКОВ И ТОКСИНОВ НА
4.БИОСИНТЕЗ БЕЛКА.

5.ТЕЛОМЕРЫ И ТЕЛОМЕРАЗЫ. ИХ РОЛЬ В РАЗВИТИИ ОПУХОЛЕВОГО РОСТА.

ВИДЫ ГЕННЫХ МУТАЦИЙ.

ДЕПУРИНИЗАЦИЯ - потеря или замена пуриновых оснований. За 70 лет теряется до 40%. С меньшей скоростью происходит ДЕЗАМИНИРОВАНИЕ и ДЕПИРИМИДИРОВАНИЕ. Белок Р-53 метит повреждённый участок ДНК. Если он работает, то включаются механизмы репарации. Если этого белка нет, то наступают мутации - нерепарированные изменения первичной структуры ДНК. Генные мутации затрагивают небольшой участок ДНК в пределах гена. Виды генных мутаций:

1. замена:

а) одного нуклеотида на другой без изменения смысла кода

ААГ® ААА (ЛИЗИН)

КВАЗИДУПЛЕТНОСТЬ - смысловую нагрузку несут в коде только два нуклеотида

б) замена одного нуклеотида на другой с изменением смысла кодона - МИССЕНС-МУТАЦИЯ

в) замена с образованием терминирующего кодона- НОНСЕНС-МУТАЦИЯ.

2. вставка:

а) вставка одного или нескольких кодонов без сдвига рамки считывания. В результате
образуется белок, удлинённый на одну или несколько аминокислот.

б) вставка 1, 2 (но не кратного 3) нуклеотидов. Происходит сдвиг рамки считывания. В
результате синтезируется белок со случайной аминокислотной последовательностью.

3. ДЕЛЕЦИЯ (выпадение):

а) выпадение одного или нескольких кодонов без сдвига рамки считывания. Образуется полипетид, укороченный на одну или несколько аминокислот.

б) выпадение одного или нескольких (но не кратное 3) нуклеотидов со сдвигом рамки считывания. Образуется ПОЛИПЕПТИД со случайной последовательностью аминокислот. По биологическим последствиям все мутации делятся на:

1. Нейтральные. В результате образуются белки с неизменёнными свойствами. Может произойти замена одной аминокислоты на другую, эквивалентную по свойствам (ВАЛ - АЛА, АСП - ГЛУ). Последствия не проявляются.

2. «Молчащие». В результате одна аминокислота заменяется на другую близкую по свойствам, но не эквивалентную. Свойства белка близки, но не совсем идентичные. Эта мутация в физиологических условиях может никак не проявиться, а в экстремальной ситуации может выявиться (обуславливает предрасположенность к заболеваниям)

3. Патогенные. Например, в гемоглобине А ГЛУТАМИНОВАЯ кислота даёт дополнительный отрицательный заряд, что способствует устойчивости белка в растворе. При замене её на ВАЛ устойчивость утрачивается и гемоглобин выпадает в осадок.

4. Полезные. Организм получает преимущества для выживания. Играют роль в эволюции

организмов.

БИОХИМИЧЕСКИЙ ПОЛИМОРФИЗМ И ЕГО ПОСЛЕДСТВИЯ.

В результате мутаций могут возникнуть варианты разных генов или одного и того же гена. Если они летальные, то наступает АПОПТОЗ. Если эти варианты не летальные, то они наследуются. Формируется генотипическая гетерогенность, следовательно, фенотипическая неоднородность.

Следствием генотипической гетерогенности является ПОЛИМОРФИЗМ белков -существование одного и того же белка в разных формах. Например, насчитывается около 700 вариантов гемоглобина. Каждый человек неповторим, биохимически уникален.

ПОСЛЕДСТВИЯ БИОХИМИЧЕСКОГО ПОЛИМОРФИЗМА.

1. Лежит в основе развития предрасположенности к заболеваниям (атеросклероз)

2. Лежит в основе непереносимости пищевых компонентов (лактозы)

3. Лежит в основе непереносимости лекарственных средств. ВЛИЯНИЕ АНТИБИОТИКОВ И ТОКИНОВ НА БИОСИНТЕЗ БЕЛКА.

Антибиотики - продукты жизнедеятельности микроорганизмов, образуемые с целью гибели других микроорганизмов. Антибиотики поражают самые важные процессы - матричные биосинтезы.

1. Вызывают структурную модификацию матрицы.

2. Вызывают модификацию РИБОСОМ.

3. Инактивируют ферменты.

4. Действуют на процессы биосинтеза белка у микроорганизмов, обычно на этапе трансляции. СТРЕПТОМИЦИН нарушает инициацию трансляции. КИРРОМИЦИН препятствует высвобождению ФЭ трансляции. ЭРИТРОМИЦИН и ХЛОРАМФЕНИКОЛ ингибируют ПЕПТИДИЛТРАНСФЕРАЗУ.

Антибиотики на процессы трансляции у эукариот не влияют.

Токсины - вещества, действующие на процессы трансляции у эукариот.

Дифтерийный токсин ингибирует ФЭ и ТРАНСЛОКАЦИЮ. РИЦИН ингибирует большую единицу РИБОСОМ.

ОБРАТНАЯ ТРАНСКРИПЦИЯ. УОТСОН и КРИК считали, что информация может идти только в одном направлении: ДНК

®РНК®белок.

В 1970г. американский учёный ТЕМЕН открыл ревертазу (ОБРАТНУЮ ТРАНСКРИПТАЗУ), обосновав возможность передачи информации в обратном направлении. Сейчас этот фермент называется РНК-зависимой ДНК-полимеразой. Он имеется у всех РНК содержащих вирусов (лейкоз мышей, ВИЧ).

Интеграция - внедрение вирусной ДНК в ДНК хозяина. При репликации последней образуется РНК вируса. Она покрывается оболочкой, выходит из клетки хозяина и начинает поражать другие клетки.

Многие вирусы являются ОНКОГЕННЫМИ. Они живут в ДНК человека. Онкогены несут информацию о белках опухолевого роста. Они определённое время неактивны -ПРОТООНКОГЕНЫ.

ТЕЛОМЕРЫ И ТЕЛОМЕРАЗЫ. ИХ РОЛЬ В РАЗВИТИИ ОПУХОЛЕВОГО РОСТА.

ТЕЛОМ ЕРЫ - это специализированные кольцевые районы хромосомной ДНК, состоящие из многократно повторяющихся НУКЛЕОТИДНЫХ последовательностей. При каждой репликации их количество уменьшается.

ТЕЛОМЕРАЗЫ - ферменты, синтезирующие теломеры. По свойствам представляют РНК -зависимую ДНК-полимеразу. В своей структуре содержат участок РНК, по которому синтезируется ДНК.

Количество теломер определяет длительность жизни. Если теломераза активна, то клетка бессмертна.

В 1960г. Л. ХЕЙФЛИК открыл феномен - лимит ХЕЙФЛИКА, который заключается в том, что клетка делится ограниченное количество раз, и оно зависит от возраста. У новорожденных клетка делится 80 - 90 раз, в 70лет 20 -30 раз. В среднем у взрослого человека клетки делятся 50 -60 раз. Это связано с эффектом «КОЦЕВОЙ НЕДОРЕПЛИКАЦИИ». Её существование предложил ОНОВНИКОВ.

При каждом раунде репликации одна нить ДНК укорачивается из-за удаления ПРАЙМЕРА. Если есть ТЕЛОМЕРЫ и ТЕЛОМЕРАЗА, то нить ДНК достраивается, если их нет, то с каждым моментом ДНК становится короче. Все соматические клетки содержат 10000-15000 пар нуклеотидов и отсутствует ТЕЛОМЕРАЗНАЯ активность. Клетки с теломеразной активностью бессмертны. Обнаружено, что в раковых клетках активируется теломераза и постоянно количество теломер. Макрофаги, лейкоциты, половые клетки, стволовые клетки костного мозга содержат теломеразную активность.

МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ОНКОГЕНЕЗА.

Рак - это болезнь генов. Поражение клеточных структур связано или с потерей, повреждением какого-то гена, активацией какого-то гена, или внесением его извне.

ОНКОГЕНЫ - это часто нормальные гены, функционирующие в эмбриональном периоде, но с возрастом утратившие свою активность. Механизм активации - мутации. В настоящее время насчитывается 100 онкогенов. Открыты и антионкогены. ОНКОГЕНЫ и АНТИОНКОГЕНЫ возникают среди генов, которые кодируют белок - передатчик сигналов. Более 100 мутаций ведёт к развитию опухоли. У 50% опухолей содержится мутация гена белка Р-53, участвующего в процессах репарации ДНК. Его отсутствие приводит к накоплению мутаций.

Лекция № 23. Сигнальные молекулы.

Основные задачи регуляции метаболизма и клеточных функций:

1.внутриклеточное и межклеточное согласование клеточных процессов,

2.исключение «холостых» циклов метаболизма, продукты которых не востребованы,

3.эффективное образование и использование энергии,

4.поддержание гомеостаза,

5.приспособление организма к условиям окружающей среды.

Регуляция метаболизма: внутренняя и внешняя. Внутренняя регуляция - управляющие сигналы образуются и действуют внутри одной и той же клетки (само-регуляция). Внешняя регуляция - управляющие сигналы поступают к клетке из внешней среды. Внутренняя регуляция осуществляется путём изменения активности ферментов активаторами или ингибиторами. Особенно активно при внутренней регуляции работают аллостерические ферменты (ФОСФОРИЛАЗА). Внешняя регуляция обеспечивается специализированными сигнальными молекулами - эндогенные химические соединения, которые в результате взаимодействия с ферментами, обеспечивают внешнее управление биохимическими процессами в клетках-мишенях.

Клетка-мишень - это клетка, имеющая специализированные воспринимающие рецепторы для данного вида сигнальных молекул. Сигнальные молекулы являются лигандами для рецепторов клеток-мишеней.

Характерные особенности сигнальных молекул.

1.малый период жизни (динамичность, оперативность регуляции).

2.высокая биологическая активность (действие развивается при очень низких концентрациях).

3.уникальность, неповторимость действия. Эффекты одного типа сигнальных молекул не могут быть смоделированы другим. Это обеспечивает разнообразие регуляции.

4.наличие эффекта усиления (одна сигнальная молекула может усиливать каскады биохимических реакций).

5.один вид сигнальных молекул может иметь несколько клеток-мишеней.

6.реакция разных клеток-мишеней на одну и ту же сигнальную молекулу отличается (объясняется многообразием рецепторов и их своеобразием).

Способы внешнего управления клетками-мишенями.

1.Управление экспрессией генов (биосинтез белков и ферментов). Это медленный способ регуляции.

2.Управление активностью ранее синтезированных белков:

Управление активностью ферментов, следовательно, изменение биохимических процессов;

Изменение активности функциональных белков, следовательно, прямое изменение функции клеток. Например, влияние сигнальных молекул на ионный канал вызывает деполяризацию мембраны и формирование потенциала действия. Чрезвычайно быстрый эффект.

Виды регуляторных эффектов сигнальных молекул:

1.Эндокринный. Сигнальные молекулы поступают с током крови из желудочно-воротной системы к клеткам-мишеням. Так действует большинство гормонов.

2.Паракринный - сигнальные молекулы вырабатывают в пределах одного органа или участка ткани. Таким образом действуют большинство факторов роста.

3.Аутокринное - сигнальные молекулы действуют на клетку, их образовавшую.

КЛАССИФИКАЦИЯ СИГНАЛЬНЫХ МОЛЕКУЛ.

1)По химической природе:

1.Органические (производные аминокислот, жиров). СТЕРОИДЫ, ПРОСТОГЛАНДИНЫ.

2.Неорганические - 1992г. МОНООКСИДАЗОТА (NO).
2)По физико-химическим свойствам:

1.Липофобные - не могут проникать через мембрану клетки. Они растворимы в воде.

2.Липофильные - растворяются в жирах. Свободно проникают через ЦПМ и действуют на рецепторы внутри клетки. Например, производные холестерина: МИНЕРАЛО-, ГЛЮКОКОРТИКОИДЫ, ЭСТРОГЕНЫ, АНДРОГЕНЫ, ЙОДТИРОНИНЫ, NO.

3)По биологическому принципу:

1.Гормоны - сигнальные молекулы с выраженным эндокринным эффектом.

2.Цитокины - факторы роста. Это сигнальные молекулы белковой природы, которые выделяются неспециализированными клетками организма. Они регулируют рост, дифференцировку, пролиферацию соседних клеток. Действие пара- и аутокринно.

3.Нейромедиаторы сигнальные молекулы, вырабатывающиеся нервными клетками, координирующие работу нейронов и управление периферическими тканями. Их действие связано с влиянием на ионные каналы. Они изменяют их проницаемость и вызывают деполяризацию мембраны.

МЕХАНИЗМ ДЕЙСТВИЯ СИГНАЛЬНЫХ МОЛЕКУЛ.

Механизм действия ОРГАНИЧЕСКИХ ЛИПОФИЛЬНЫХ сигнальных молекул.

1.взаимодействие с внутриклеточными рецепторами,

2.регуляторный эффект связан с изменением количества белков в результате влияния на экспрессию генов (действуют через геном),

3. биологическое действие продолжительное, но развивается медленно в пределах часов.
Факторы, необходимые для их действия:

Сигнальные молекулы,

Воспринимающий внутриклеточный рецептор, связанный с шапероном.

Участок ДНК, регулирующий транскрипцию определённых генов (ЭНХАНСЕР, САЙЛЕНСЕР),

Белок синтетический аппарат клетки.
Этапы действия:

1. проникновение внутрь клетки,

2. связывание с внутриклеточным рецептором,

3. освобождение шаперона (запуск таймера действия),

4. взаимодействие комплекса сигнальных молекул с регуляторными элементами ДНК, изменение биосинтеза некоторых белков, в том числе и их ферментов.

5. изменение метаболизма и клеточных функций.

Механизм прекращения действия органических липофильных сигнальных молекул:

1. разрушение рецепторов, обусловленное отсутствие защиты со стороны шаперона,

2. протеолиз синтезированных белков,

3. разрушение факторов транскрипции, участвующих в передаче сигналов к структурному гену.

По перечисленному механизму действуют СТЕРОИДНЫЕ гормоны и ЙОДТИРОНИН.

Механизм действия ЛИПОФОБНЫХ сигнальных молекул:

1. взаимодействие с поверхностными рецепторами,

2. сигнал передаётся от рецептора внутрь клетки (ТРАНСДУКЦИЯ) и устанавливается с помощью внутриклеточных регуляторов: высоко- и низкомолекулярных.

Высокомолекулярные регуляторы - это регуляторные белки. Они опосредуют действие сигнальной молекулы внутри клетки.

Низкомолекулярные регуляторы небелковой природы. Его называют второй МЕССЕНДЖЕР (первый МЕССЕНДЖЕР - сама сигнальная молекула) - полноправный представитель сигнальной молекулы внутри клетки. Это ионы кальция, ДИАЦИЛГЛИЦЕРОЛ, ИНОЗИТОЛТРИФОСФАТ, цАМФ и цГМФ.

3. биологическое действие обусловлено сочетанием регуляции активности ранее синтезированных белков и регуляция экспрессии генов. Регуляторный эффект двухфазный:

Первая фаза быстрая, но не продолжительная, она обеспечивает изменение структуры и активности ферментов;

Вторая фаза медленная за счёт изменения количества ферментов.

МЕХАНИЗМ ДЕЙСТВИЯ, ЗАВИСИМЫЙ ОТ ЦАМФ.

Факторы, необходимые для этого:

1. растворимая в воде сигнальная молекула;

2. поверхностные рецепторы клетки-мишени;

3. внутриклеточный трансдуктор G-белок. Состоит из 3 единиц: альфа, бета, гамма.

G-белок может быть ингибирующий и активирующий. Он находится в непосредственной близости к рецептору. При взаимодействии сигнальной молекулы с рецептором он активируется, его активность обусловлена альфа единицей. Она оказывает влияние на внутриклеточный фермент - АДЕНИЛАТЦИКЛАЗУ (превращает АТФ в ЦАМФ). Альфа-S повышает активность. альфа-I понижает активность G-белка. G-белок способен присоединять ГДФ или ГТФ. Альфа-единица активна, когда связана с ГТФ.

4. АДЕНИЛАТЦИКЛАЗА(АЦ);

5. ПРОТЕИНКИНАЗА-А ЦАМФ-зависимая. Она катализирует реакцию фосфорилирования белков. В результате белки изменяют активность;

6. Регуляторные элементы ДНК (ЭЕХАНСЕР и САЙЛЕНСЕР);

7. ФОСФОДИЭСТЕРАЗА - разрушает ЦАМФ;

8. ФОСФАТАЗА - дефосфорилируют белки;

9. Белок-синтетический аппарат клетки.

Этапы, стимулирующие ЦАМФ -зависимый механизм:

1. взаимодействие сигнальной молекулы с рецептором;

2. изменение конформации G-белка;

3. замена ГДФ на ГТФ в альфа-S единице G-белка;

4. альфа-S ГТФ активирует АЦ;

5. АЦ синтезирует ЦАМФ;

6. ЦАМФ активирует ПРОТЕИНКИНАЗУ-А (ПКА);

7. ПКА фосфорилирует белки и белковые факторы транскрипции, изменяющие активность и количество ферментов;

8. Прекращение действия, если рецептор освободился - альфа-5-С-ГТФ-азная активность:

альфа-единица может разрушать ГТФ - это таймер действия.

ФОСФОДИЭСТЕРАЗА - разрушает ЦАМФ.

ФОСФАТАЗА - ДЕФОСФОРИЛИРУЕТ белки. Этапы, ингибируюшие ЦАМФ -зависимый механизм:

С первого по третий те же самые этапы, отличие в G-белке (альфа-I единица). Четвёртый этап - связывание ГТФ с альфа-I единицей будет ингибировать АЦ. Ингибируюший механизм противодействует и прекращает эффекты ЦАМФ в клетке.

ЦГМФ -зависимый стимулирующий механизм действия.

Рецептор встроен в мембрану клетки и связан с ферментом ГУАНИЛАТЦИКЛАЗОЙ (ГЦ). При присоединении сигнальной молекулы ГЦ активируется и катализирует реакцию ГТФ * ЦГМФ. Последний активирует ПРОТЕИНКИНАЗУ-G (ПКО), а она запускает реакцию фосфорилирования белков (ферментов и факторов транскрипции).

ТИРОЗИНКИНАЗНЫЙ МЕХАНИЗМ ДЕЙСТВИЯ.

ТИРОЗИНКИНАЗА - фермент, фосфорилирующий белки. По этому механизму действует большинство факторов роста и пролиферации. Рецептор представлен дуплетом, который после взаимодействия с сигнальной молекулой ДИМЕРАЛИЗУЕТСЯ, что запускает АУТОФОСФОРИЛИРОВАНИЕ остатков тирозина в центральной части рецептора. Наблюдается отсутствие МЕССЕНДЖЕРОВ. Рецептор оказывает влияние на ферментные системы клетки. Он может поступать в ядро вместе с сигнальными молекулами и усиливать транскрипцию генов и изменять митотическую активность клетки.

Механизм действия НЕОРГАНИЧЕСКИХ ЛИПОФОБНЫХ сигнальных молекул (NO). NO беспрепятственно проникает через мембрану клетки. Это короткоживущая молекула, образующаяся в организме под действием NO-СИНТАЗЫ из аминокислоты АРГ. В клетке NO взаимодействует с ГЦ, активирует её, что вызывает накопление в клетке ЦГМФ. который активирует ПКО, и развивается клеточный ответ по выше рассмотренному механизму.

Эффекты NO:

1. фактор расширения сосудов;

2. регулятор АПОПТОЗА (запрограммированной клеточной смерти);

3.NO является свободным радикалом, поэтому способен влиять на процесс перекисного
окисления жиров и регулировать функции МИТОХОНДРИЙ;

4. является ИММУНОМОДУЛЯТОРОМ.

Лекция № 24. Сигнальные молекулы (продолжение).

1.РОЛЬ ГИПОТАЛАМУСА В РЕГУЛЯЦИИ ОБМЕНА ВЕЩЕСТВ.

2.ГОРМОНЫ ГИПОФИЗА.

ГИПОТАЛАМУС является компонентом и своеобразным «выходным каналом» лимбической системы. Это отдел промежуточного мозга, контролирующий различные параметры гомеостаза. С одной стороны он связан с ЦНС (центры ВНС), с другой - с гипофизом через нервные проводники и особую портальную систему.

ГИПОТАЛАМУС участвует во многих функциях нервной регуляции, выделяя НЕЙРОТРАНСМИТТЕРЫ и НЕЙРОМОДУЛЯТОРЫ. а также регулирует эндокринную систему. Внешние или внутренние факторы среды

ГИПОТАЛАМУС

АДЕНОГИПОФИЗ

ТРОЙНЫЕ ГОРМОНЫ

ИПОФИЗЗАВИСИМЫЕ

ЖВС ГОРМОНЫ ЖВС

летки-мишени

Физиологический или биохимический ответ.

Функция ГИПОТАЛАМУСА не всегда строго зависима от ЦНС.

Гормоны ГИПОТАЛАМУСА	Сокращение	Гормоны гипофиза
ЛИБЕРИНЫ: КОРТИКОТРОПИНРЕЛИЗИНГ ГОРМОН ТИРЕОТРОПИНРЕЛИЗИНГ ГОРМОН ГОНАДОТРОПИНРЕЛИЗИНГ ГОРМОН ГОРМОН РОСТА РЕЛИЗИНГ ГОРМОН	КРГ ТРГ ГнРГ СтГ-РГ	АКТГ ТТГ ФСГ и ЛГ СТГ
СТАТИНЫ: ГОРМОН ИНГИБИРУЮЩИЙ ОСВОБОЖДЕНИЕ ГОРМОНА РОСТА (СОМАТОСТАТИН) ГОРМОН ИНГИБИРУЮЩИЙ ОСВОБОЖДЕНИЕ ПРОЛАКТИНА	СС ПИГ	ГР ПРЛ

Многие из факторов ГИПОТАЛАМУСА образуются в периферических тканях (ТРГ, КРГ, СС). СС больше всего в D-клетках ПЖЖ. Действуют через ЦАМФ (АДЕНИЛАТЦИКЛАЗУ). Гормоны ГИПОТАЛАМУСА стимулируют транскрипцию генов гормонов гипофиза.

ГИПОФИЗ. В нём выделяют три доли:

1. Передняя

2. Промежуточная

АДЕНОГИПОФИЗ

(выделяет тропные гормоны)

3. Задняя - НЕЙРОГИПОФИЗ.

ТРОПНЫЕ гормоны можно разделить на 3 группы в зависимости от их химической природы:

1. простые белки;

2. ГЛИКОПРОТЕИНЫ;

3. ПЕПТИДЫ, образующиеся из предшественников ПРООПИОМЕЛАНОКОРПИНА (ПОМК).

ПРОСТЫЕ БЕЛКИ.

К ним относятся: ГР, ПРЛ, ПЛАЦЕНТАРНЫЙ ХОРИОНИЧЕСКИЙ СОМАТОМАММОТРОПИН (ХС). Состоят из 191 - 198 аминокислот. ГР близок по строению с ХС на 85%, ПРЛ - на 35%.Среди этих гормонов наибольшую концентрацию имеют ГР. Секреция ГР эпизодическая. Максимальная секреция в момент засыпания или перед пробуждением. На секрецию влияют стресс, голод, физические упражнения. ГР сберегает глюкозу для тканей.

Он повышает ЛИПОЛИЗ,® повышается концентрация жирных кислот, ® повышает

транспорт в клетку ® повышает концентрацию аминокислот ® повышает

ГЛЮКОНЕОГЕНЕЗ ® повышение глюкозы ® мозг.

ГР действует через инсулиноподобный фактор роста (ИФР), близкий по строению к проинсулину. Выделяют ИФР 1 и ИФР 2, но главным посредником действия ГР является ИФР 1. Влияние ГР на обмен веществ:

1. Стимуляция синтеза белка: (через ИФР I.)_

Повышение транспорта аминокислот в клетки,

Повышение интенсивности процесса трансляции,

Повышение синтеза РНК и ДНК

2. Влияние на углеводный обмен:

Повышение глюкозы (уменьшение утилизации глюкозы периферическими тканями, стимуляция процессов ГЛЮКОНЕОГЕНЕЗА),

3. Влияние на минеральный обмен (через ИФР1) - задержка кальция, фосфора, магния в организме,

4. Влияние на липидный обмен (не через ИФР 1):

повышение ЛИПОЛИЗА, повышение окисления ВЖК.

ГИПОСЕКРЕЦИЯ в детском возрасте приводит к нарушению синтеза белка, понижению минерализации костной ткани, задержке роста и развитию карликовости в нескольких вариантах.

ГИПЕРСЕКРЕЦИЯ гормона роста в детском возрасте приводит к развитию гигантизма, во взрослом развитию акромегалии. Нарушение синтеза гормона роста на умственную деятельность не влияет.

ПРЛ состоит из 198 аминокислот. Синтезируется при беременности и лактации. Функция заключается в инициации и поддержании лактации.

ХС проявляет ЛАКТОГЕННУЮ и МОТЕОТРОПНУЮ активность. Функция заключается в регуляции синтеза молока, развития желтых тел и развития плода.

ГЛИКОПРОТЕИНЫ. К ним относятся ТТГ, гонадотропины (ЛГ, ФСГ, ПЛАЦЕНТАРНЫЙ ХОРИОНИЧЕСКИЙ ГОНАДОТРОПИН (ХГЧ)). Действуют через ЦАМФ.

Женские клетки-мишени - фолликулярные клетки яичника,

Мужские клетки-мишени - клетки СЕРТОЛИ семенников.

В женском организме стимулирует рост фолликулов, подготавливают их к действию ЛГ. В мужском организме индуцирует синтез АНДРОГЕНСВЯЗЫВАЮЩЕГО белка. Стимулирует рост семенных канальцев семенников и сперматогенез.

Женские клетки-мишени - клетки желтых тел, Мужские клетки-мишени - клетки ЛЕЙДЕГА.

Стимулирует образование в женском организме ПРОГЕСТЕРОНА, а в мужском -ТЕСТОСТЕРОНА. Предшественником их является ХОЛЕСТЕРОЛ. ЛГ индуцирует овуляцию у женщин. ХГЧ синтезируется в плаценте и близок по эффектам к ЛГ. Появляется в моче после имплантации зародыша. Его определение служит диагностическим маркером беременности.

ТТГ: Клетки-мишени - ТИРЕОЦИТЫ.

Повышает синтез ТРИЙОДТИРОНИНА и ТИРОКСИНА.

Повышает гидролиз белка - ТИРЕОГЛОБУЛИНА.

Повышает включение йода в структуру ТИРЕОИДНЫХ гормонов.

Стимулирует синтез белка и нуклеиновых кислот в щитовидной железе (способствует

Повышению количества и росту ТИРЕОИДНЫХ гормонов)

ПЕПТИДЫ СЕМЕЙСТВА ПОМК.

ПОМК - белок, состоящий из 285 аминокислот. Процессинг его происходит в передней и промежуточной доле гипофиза. Из него образуются пептиды: АКТГ. бета ЛИПОТРОПИН. N-концевой пептид. АКТГ:

1. альфа -МЕЛАНОЦИТСТИМУЛИРУЮЩИЙ гормон (МСГ) (промежуточная доля).

2. КОРТИКОТРОПИНОПОДОБНЫЙ ПЕПТИД. Бета-ЛИПОТРОПИН:

1. бета -ЭНДОРФИНЫ: альфа -ЭНДОРФИНЫ, гамма -ЭНДОРФИНЫ.

2. Альфа-ЛИПОТРОПИН.

3. Бета -МСГ.

N-концевой ПЕПТИД: гамма -МСГ.

АКТГ - полипептид, состоящий из 39 аминокислот. Клетки-мишени - клетки коры надпочечников. Стимулирует синтез стероидов коры надпочечников из холестерина через ЦАМФ.

Повышается АДЕНИЛАТЦИКЛАЗА в жировой ткани.

Усиливается ЛИПОЛИЗ ® ВЖК ® АЦЕТИЛ-КОА ® ХОЛЕСТЕРОЛ

СТЕРОИДНЫЕ ГОРМОНЫ.

АКТГ стимулирует процессы пентозного цикла и является поставщиком НАДН2 Повышает синтез белка и нуклеиновых кислот в надпочечниках. ГИПЕРСЕКРЕЦИЯ проявляется в виде синдрома КУШИНГА:

1. повышение пигментации,

2. отрицательный азотистый баланс, выход азота, калия, фосфора.

3. задержка в организме натрия (отёки, повышение АД).

Бета -ЛИПОТРОПИН усиливает липолиз.

Бета -ЭНДОРФИНЫ в гипофизе связаны и неактивны. В гипоталамусе и ЦНС они переходят в активную форму и играют роль нейромедиаторов, трансмиттеров. Понижают чувствительность к боли. Играют важную роль в эмоциональных состояниях. МСГ стимулирует образование меланина.

ГОРМОНЫ ЗАДНЕЙ ДОЛИ ГИПОФИЗА.

1. Вазопрессин (АДГ).

2. Окситоцин.

Образуются в ядрах гипоталамуса. Являются циклическими НАНАПЕПТИДАМИ (9

аминокислот)

АДГ: клетки-мишени - клетки кровяных сосудов, дистальных извитых канальцев и

собирательных трубочек почек. Повышают реабсорбцию воды в почках. Действует через ЦАМФ.

ГИПОСЕКРЕЦИЯ - несахарный диабет.

ОКСИТОЦИН: клетки-мишени - главные миоциты матки, клетки молочных желез. Повышает

сокращение матки и секрецию молока. Используется для стимуляции родовой деятельности.

Лекция № 25.

Сигнальные молекулы (продолжение).

1. ГОРМОНЫ ЩИТОВИДНОЙ И ПАРАЩИТОВИДНОЙ ЖЕЛЕЗ.

2. ГОРМОНЫ ПЖЖ.

3. ГОРМОНЫ НАДПОЧЕЧНИКОВ.

ГОРМОНЫ ЩИТОВИДНОЙ ЖЕЛЕЗЫ: В щитовидной железе синтезируется и выделяется 3 гормона:

1. ТРИЙОДТИРОНИН (ТЗ).

2. ТЕТРАЙОДТИРОНИН (Т4).

3. КАЛЫДИТОНИН.

Трийодтиронин и тетрайодтиронин синтезируются из аминокислоты тирозина, включённой в состав тиреоглобулина. Он подвергается нормированию с образованием 3-МОНОЙОДТИРОЗИНА, 3,5-ДИЙОДТИРОЗИН, ТЕТРАЙОДТИРОНИН.

Через СООН- и NН2-группы тироксин встроен в структуру тиреоглобулина. Две молекулы тироксина связываются с помощью конденсирующего фермента. Для синтеза тироксина требуется йодид. Превращение йода в йодид происходит путём окисления с помощью ТИРЕОПЕРОКСИДАЗЫ. Синтез тиреоидных гормонов происходит в составе тиреоглобулина. В свободном виде гормоны из железы выделяются в кровь после гидролиза тиреоглобулина с образованием свободных ТЗ и Т4. Этот процесс стимулирует ТТГ гипофиза. Тормозит распад тиреоглобулина ионы йода. т.е. с одной стороны ионы йода необходимы для синтеза тиреоглобулина, с другой стороны при их избытке они тормозят его гидролиз. Поэтому для лечения гипертириоза используют KI. ТЗ и Т4 плохо растворимы в воде и транспортируются с кровью тироксин связывающим глобулином (ТСГ). В клинической практике большой интерес представляет определение свободных ТЗ и Т4.

МЕХАНИЗМ ДЕЙСТВИЯ ТИРЕОИДНЫХ ГОРМОНОВ.

Т.к. они гидрофобны. то легко проникают через мембрану клетки. Рецепторы к ним находятся внутри клетки, главным образом в ядре, небольшая часть в цитоплазме. Сродство рецепторов к ТЗ больше, чем к Т4 в 10 раз, несмотря на то, что образуется больше Т4. Рецептор внутри ядер -негистоновый белок хроматина. ВЛИЯНИЕ НА МЕТАБОЛИЗМ.

1. Повышение поглощения тканями кислорода за исключением мозга, ретикуло-эпителиальной системы и гонад.

2. Повышается активность натрий-калттевой АТФ-азы, при этом уровень АТФ понижается.

3. Повышается синтез белка, положительный азотистый баланс - эффект физиологической концентрации гормонов. При повышении концентрации тиреоидных гормонов синтез белка понижается и наблюдается отрицательный азотистый баланс.

4. Повышает транскрипцию гена гормона роста. НАРУШЕНИЕ ФУНКЦИИ ЩИТОВИДНОЙ ЖЕЛЕЗЫ.

ГИПОФУНКЦИЯ (ГИПОТИРЕОЗ):

1. У детей возникает кретинизм, проявляющийся:

В отставании в росте;

В отставании в физическом развитии;

В отставании в умственном развитии.

2. У взрослых возникает МИКСДЕМА (слизистый отёк):

понижается распад гликопротеинов; повышение онкотического давления; отёк тканей.

3. ЭНДЕМИЧЕСКИЙ ЗОБ возникает в регионах с недостатком йода в воде и пище. Понижается объём железистой ткани, но увеличивается объём самой железы за счёт соединительной ткани. ГИПЕРФУНКЦИЯ (ГИПЕРТИРЕОЗ) проявляется:

Повышением потоотделения.

Экзофтальм.

Повышение окислительных процессов.

Повышение температуры тела.

Похудание и т.д.

КАЛЬЦИТОНИН - полипептид, синтезирующийся К-клетками щитовидной железы. Снижает уровень кальция в крови.

ГОРМОНЫ ПАРАЩИТОВИДНОЙ ЖЕЛЕЗЫ.

Синтезирует ПАРАТИРЕОИДНЫЙ ГОРМОН (паратгормон) ПТГ. Это пептид, состоящий из 84 аминокислотных остатка. Увеличивает уровень кальция в крови за счёт:

1. стимулирует выход кальция и фосфора из костей в кровь,

2. повышает реабсорбцию кальция в почках,

3. стимулирует образование из витамина D3 гормона кальцитриола в почках, который стимулирует всасывание кальция в кишечнике.

ГОРМОНЫ ПОДЖЕЛУДОЧНОЙ ЖЕЛЕЗЫ.

ПЖЖ -это смешанная железа, осуществляющая эндокринную и экзокринную функцию. Эндокринная функция осуществляется островками ЛАНГЕРГАНСА. В них образуется 4 гормона четырьмя видами клеток:

1. ИНСУЛИН (70%) синтезируется в В-клетках.

2. ГЛЮКАГОН (25%) синтезируется в А-клетках.

3. СОМАТОСТАТИН (5%) синтезируется в D-клетках.

4. ПАНКРЕАТИЧЕСКИЙ ПОЛИПЕПТИД синтезируется в F-клетках. Инсулин - это пептид, состоящий из 51 аминокислотных остатка в двух цепях.

ПРИНСУЛИН состоит из 84 АК.

Процессинг: ПРОИНСУЛИН ® ИНСУЛИН + С -ПЕПТИД

В клинике определяется количество инсулина и С-пептида. МЕХАНИЗМ ДЕЙСТВИЯ ИНСУЛИНА.

Клетки-мишени: клетки печени, миоциты, жировой ткани.

Рецепторы находятся на поверхности ЦПМ, т.к. инсулин не может проникать в клетки без связи с

рецептором. Может встречаться явление интернализации рецепторов, т.е. проникновение

комплекса инсулин - рецептор в клетку путём эндоцитоза и последующее его разрушение. Т.о.

количество рецепторов к инсулину снижается. С этим явлением связано возникновение инсулин

независимого сахарного диабета. ВЛИЯНИЕ НА МЕТАБОЛИЗМ:

1. Углеводный обмен:

это единственный гормон, понижающий уровень глюкозы в крови, за счёт повышения транспорта глюкозы через мембрану клеток жировой и мышечной ткани. В печени глюкоза легко проникает в гепатоциты в силу разницы её концентрации в крови и в клетках. Но в печени инсулин повышает активность фермента ГЛКЖОКИНАЗЫ, катализирующего превращение глюкозы в глюкозо-6-фосфат. Повышает активность процессов гликолиза.

Повышает активность фермента ГЛЮКОГЕНСИНТЕТАЗЫ (синтез гликогена). Понижает активность глюкозо-6-фосфатазы, катализирующей превращение глюкозо-6-фосфата в глюкозу.

Инсулин необходим для усвоения глюкозы.

2. ЛИПИДНЫЙ ОБМЕН:

Ингибирует липолиз.

Стимулирует липогенез из углеводов.

3. Обмен белков:

Стимулирует синтез белков.

Стимулирует транспорт аминокислот в клетку.

Тормозит распад белков.

Активизирует процесс транскрипции и трансляции.

Стимулирует пролиферацию клеток за счёт повышения секреции фактора роста фибробластов, тромбоцитарного фактора роста, фактора роста эпидермиса. Дефицит инсулина проявляется в виде сахарного диабета.

1. Инсулин зависимый сахарный диабет связан с нарушением секреции инсулина (генетические нарушения, поражение ПЖЖ). Встречается у 10%.

2. Инсулин независимый сахарный диабет - уменьшение количества рецепторов к инсулину в результате интернализации. Встречается у 90%.

Предрасполагающий фактор - ожирение. Клинические проявления:

1. голод клеток на фоне ГИПЕРГЛИКЕМИИ,

2. ПОЛИФАГИЯ,

3. ПОЛИДИПСИЯ,

4. ГЛЮКОЗУРИЯ (более 10 ммоль/л),

5. ПОЛИУРИЯ,

6. КЕТОЗ - повышение кетоновых тел (за счёт не окисления АЦЕТИЛ-КОА),

7. КЕТОАЦИДОЗ (диабетическая кома).

ГЛЮКАГОН -полипептид, состоящий из 29 аминокислот.

МЕХАНИЗМ ДЕЙСТВИЯ.

Клетки-мишени: гепатоциты.

Рецепторы лежат на поверхности мембраны клеток. Действует через циклическую АМФ.

Активизирует превращение фосфорилазы В в фосфорилазу А, в результате гликоген

расщепляется с образованием глюкозы.

ВЛИЯНИЕ НА МЕТАБОЛИЗМ:

1. Повышает концентрацию глюкозы в крови,

2. Усиливает процессы глюконеогенеза,

3. Повышает интенсивность липолиза.

СОМАТОСТАТИН - пептид, состоящий из 14 аминокислот. Подавляет образование других

гормонов ПЖЖ.

Функция ПАНКРЕАТИЧЕСКОГО ПОЛИПЕПТИДА недостаточно изучена.

ГОРМОНЫ НАДПОЧЕЧНИКОВ.

1. Мозговой слой

А) Адреналин (гормон) образуются из аминокислоты тирозина.

В) Норадреналин (нейромедиатор).

Это гормоны стресса. Их действие близко.

МЕХАНИЗМ ДЕЙСТВИЯ.

Клетки мишени: клетки печени, скелетных мышц, сердца, слюнных желез, матки.

Рецепторы находятся на поверхности мембран. Посредником является ЦАМФ, которая

активизирует протеинкиназу.

ВЛИЯНИЕ НА МЕТАБОЛИЗМ.

1. Повышает уровень глюкозы в крови.

2. Адреналин действует не только на печень, но и на мышцы, где из глюкозы образуется молочная кислота.

3. Усиливают липолиз.

4. Повышается содержание не этерефицированных жирных кислот.

5. Повышает АД, частоту сердечных сокращений и т.д.

2. Корковый слой (более 30 стероидов)

1. ГЛЮКОКОРТИКОИДЫ (кортикостерон, кортизол, кортизон).

В организме человека наибольшую роль играет кортизол - производное ЦИКЛОПЕНТАНПЕРГИДРОФЕНАНТРЕНА

2. МИНЕРАЛОКОРТИКОИДЫ (альдостерон).

МЕХАНИЗМ ДЕЙСТВИЯ.

Механизм действия цитозольный (проникают через мембрану). Рецепторы находятся внутри клетки. Действуют по принципу гормон ® ген ® белок. В печени, почках усиливают синтез белков; в лимфатической ткани, соединительной ткани, скелетных мышцах - тормозят синтез белка.

ВЛИЯНИЕ НА МЕТАБОЛИЗМ.

1. Глюкокортикоиды:

Повышают глюконеогенез,

Повышают синтез гликогена,

Усиливают липолиз,

Усиливают образование кетоновых тел,

Понижают синтез антител, следовательно, противовоспалительное противоаллергическое действие.

2. Минералокортикоиды:

Повышают транспорт натрия через мембрану,

Задерживают натрий, хлор в организме,

Понижают содержание калия в организме.

Недостаточность гормонов коры ведёт к АДДИСОНОВОЙ болезни:

Пигментация кожи,

ГИПЕРКАЛИЕМИЯ,

ГИПОТОНИЯ,

Понижение резистентности к стрессовым воздействиям.

1. ПОНЯТИЕ О ВИТАМИНАХ, КЛАССИФИКАЦИЯ.

2. ПОНЯТИЕ ОБ АВИТАМИНОЗАХ, ГИПО- И ГИПЕРВИТАМИНОЗАХ.

3. ЖИРОРАСТВОРИМЫЕ ВИТАМИНЫ A, D.

Возникновение научной витаминологии относят к 19 в. Французский патолог МАЖАНДИ впервые установил, что для обеспечения нормального роста молодых животных недостаточно только основных поддерживающих жизнь веществ. Русский врач ЛУНИН в эксперименте на животных установил, что животные, которых кормили казеином, жирами, лактозой, водой и минеральными солями болели и погибали, в отличие от животных, получавших свежее молоко.

В 1911г. учёный ФУНД выделил и кристаллизовал азотсодержащее вещество, которое вылечивало экспериментальную бери-бери. Это вещество он назвал ВИТАМИНОМ (амином жизни).

Витамины - это низкомолекулярные органические соединения различного строения, синтез которых в организме отсутствует или ограничен. Особенности витаминов:

1. не синтезируются в организме или синтезируются в недостаточном количестве;

2. не выполняют пластической функции, т.е. не являются структурным компонентом клеток;

3. не выполняют энергетической функции;

Похожая информация.

Глава IV .10.

Матричный биосинтез

На ранних этапах исследования синтеза одной дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) по информации с другой ДНК, затем рибонуклеиновой кислоты (РНК) по информации, которую хранит в себе ДНК и далее синтез белка по информации матричной РНК все эти процессы последовательного считывания сравнивали с получением отпечатков с типографских матриц. Поэтому запрограммированный с помощью нуклеиновых кислот (НК) процесс сборки новых цепей биополимеров называют матричнымбиосинтезом , а сами молекулы НК, используемые как программы в матричном биосинтезе, - матрицами. Но более уместно было бы сравнивать несущую информацию НК с лентой магнитофона на которую записана информация либо с дискетой.

У всех живых организмов ДНК является первичным носителем генетической информации. Это значит, что вструктуре молекулы ДНК в виде последовательности нуклеотидов записана вся программа, необходимая для жизнедеятельности клетки, ее реакции на различные внешние воздействия.

У прокариот (доядерных организмов) вся наследственная информация представлена на одной кольцевой молекуле ДНК, состоящей из нескольких миллионов пар нуклеотидов. Иногда часть информации содержится в нескольких небольших кольцевых ДНК - плазмидах.

У эукариот(имеющих клеточное ядро) - ДНК в основном сосредоточена в хромосомах. В каждой хромосоме содержится одна двунитевая ДНК, размер которой достигает сотен миллионов пар нуклеотидов. Относительно маленькие молекулы ДНК содержатся в митохондриях. Они необходимы для синтеза митохондриальных РНК и митохондриальных белков. Двунитевая молекула построена по принципу комплементарности . Т. е. когда каждая из четырех НК предпочитает взаимодействовать (образовывать водородные связи) только с одной НК из трех возможных. Так аденин взаимодействует через О-Н связи только с тимином (А -Т ), а гуанин с цитозином (Г - Ц ).

Синтез полипептидной цепи (ДНК, РНК или белка) в клетках складывается из трех основных этапов: инициации, элонгации и терминации.

Инициация - образование связи между мономерными звеньями создаваемой полимерной цепи. Далее мономер присоединяется к образовавшемуся димеру, тримеру, тетрамеру и т.д. - это уже элонгация.

Элонгация - соединение очередного мономера с растущей полимерной цепью. Этот процесс происходит в активном центре фермента полимеразы. Затем участок, полимера к которому присоединился мономер, выдвигается из зоны активного центра фермента - это процесс транслокации.

Терминация - окончание сборки полимера. Для этого на матрице имеется определенный участок - терминатор (по его информации невозможно подобрать необходимый мономер).

Все процессы, происходящие с участием ДНК можно разделить на два вида:

1) использование информации, записанной на ДНК, для синтеза молекул РНК, а затем клеточных белков

2) сохранение, размножение и изменение информационного содержания молекул ДНК

Каждая программа, записанная на ДНК может быть многократно считана.

Способность ДНК к точному самоудвоению при произвольной последовательности нуклеотидов в ее цепях заложен и в самом принципе построения ДНК в виде двунитевой структуры со взаимно комплементарными последовательностями. Это означает, что каждаяиз цепей содержитполную информацию о строении противоположной цепи. При расхождении двунитевой ДНК каждая из цепей может воспроизвести другую цепь - это процесс репликации. Он реализуется при участии ферментов ДНК-полимераз . Матричный синтез ДНК выполняет две основные функции: репликацию (удвоение) ДНК, т.е. синтез новых дочерних цепей, комплементарных исходным матриксным цепям, и репарацию (восстановление) ДНК, если одна из цепей имеет повреждения. Но не всегда репарация способна восстановить первоначальную структуру ДНК и процесс репликации происходит с поврежденной цепи ДНК. В этом случае происходит наследование повреждений - мутация.

ДНК-полимеразы катализируют перенос дезоксирибонуклеотидных фрагментов от АТФ, ГТФ, ЦДФ, ТДФ на гидроксигруппу растущей или подлежащей регенерации цепи ДНК. Т. е. ДНК-полимеразы относятся к классу трансфераз. Раскручивание двунитевой спирали ДНК для доступа к ней ДНК-полимераз осуществляется двумя ферментами: геликазой и ДНК-топоизомеразой .

Кроме репликации, репарации и мутации ДНК может подвергаться гомологичной рекомбинации . Две близкие по своей первичной структуре молекулы ДНК, расположенные рядом объединяются в четырехнитевую структуру. При этом соседние участки обмениваются фрагментами. Рекомбинация не создает новых генов, но в результате этого процесса возникают новые комбинации признаков, которые могут оказаться весьма существенными при естественном отборе.

ДНК программирует работу ферментов РНК-полимераз , которые катализируют синтез новых молекул РНК из нуклеотидов с последовательностью, комплементарной одной из цепей программирующей ДНК. Этот процесс называют транскрипцией (считывание). Конечным итогом является образование информационных, рибосомных и транспортных РНК. Образованная цепь РНК - первичный транскрипт это еще не готовая РНК и она подвергается дополнительной серии превращений - процессингу (отщеплению одного или нескольких нуклеотидов или наоборот присоединению, но уже без информации с ДНК). Синтез РНК начинается со вполне определенных участков ДНК и во вполне определенное время. Для этого на ДНК имеются участки к которым присоединяются РНК-полимеразы и регуляторные молекулы. Эти участки не подвергаются считыванию и называются нетранскрибируемыми.

Матричный биосинтез РНК (транскрипция ) осуществляется при участии ферментов РНК-полимераз. Этот фермент катализирует такой же тип реакции как и ДНК-полимераза (перенос нуклеозид-трифосфата на цепь РНК), но только вместо субстрата ТДФ используется УТФ. Матрицей при транскрипции является двунитевая ДНК. Вблизи активного центра РНК-полимеразы двунитевая спираль раскручивается и фермент составляет цепь РНК по считываемой информации с нити ДНК. РНК составляется по принципу комплементарности с тем отличием, что вместо тимина используется урацил и нуклеозиды, которые содержат не дезоксирибозу, а рибозу.

Инициация проходит на строго определенном участке матрицы ДНК, он называется промотор , и именно с ним происходит специфическое взаимодействие активного центра РНК-полимеразы. После чего начинается синтез цепи РНК. ДНК содержит много таких промоторов и при изменении условий РНК-полимереза может присоединяеться к к другому промотору. Так, при повышении температуры на 2,0-3,0 °С выше физиологического уровня РНК-полимераза присоединяется к промотору, с которого начинается считывание информации необходимой для синтеза специальных защитных белков - БТШ.

Вновь синтезированная РНК еще не готова к выполнению своей функции и подвергается ряду превращений - процессингу. В нем принимают участие многие ферменты. Так, часто цепь РНК необходимо разрезать на несколько более коротких или подровнять концы, удалив лишние нуклеотиды - это осуществляют РНК-азы . Процесс транскрипции является точкой приложения многих биологически активных веществ, например антибиотиков и токсинов. Так, антибиотик рифампицин блокирует действие РНК-полимераз прокариот, а токсин бледной поганки - a -аманитин - РНК-полимеразу эукариот. Это подавляет синтез мРНК для многих жизненно важных белков.

Биосинтез белка согласно информации на РНК называется трансляцией (передачей). Он происходит на сложных надмолекулярных структурах - рибосомах, которые построены из рибосомных РНК и белков. АК для сборки новых полипептидных цепей поступают к рибосомам при участии тРНК, каждая из которых связывает по одной АК. Сборка полипептидной цепи осуществляется по информации, содержащейся на мРНК. В цепи мРНК информация о каждой АК записана в виде комбинации из трех нуклеотидов (например, УУУ или УУЦ- фенилаланин, АУГ-метионин). Такие тринуклеотиды называются кодонами . На рибосомах происходит взаимодействие кодона мРНК с антикодоном тРНК. Антикодон тРНК - это тоже тринуклеотид, а сама тРНК имеет вид кленового листа (или креста). На малой субъединице рибосомы расположен участок, на котором взаимодействуют кодон мРНК с антикодоном тРНК - это декодирующий участок. Инициация синтеза полипептидной цепи начинается со взаимодействия между двумя остатками тРНК один из которых несет на себе АК метионин (с нее обычно все и начинается). Отобраная АК переносится от одной тРНК на тРНТ с которой и начинается синтез белковой цепи. Участок рибосомы, на котором происходит этот перенос содержит фермент пептидилтрансферазу.Он локализован на большой субъединице рибосомы. Молекула тРНК располагается одновременно на двух субъединицах. К начальной молекуле тРНК (с метионином) постепенно присоединяются различные АК посредством пептидной связи, пока на мРНК не встретится участок терминации. На этом синтез полипептида заканчивается.

Рибосомы, как и РНК-полимеразы, являются точками приложения действия ряда антибиотиков, так стрептомицин связывается с малой субъединицей рибосомы прокариот, хлорамфинекол - с большой вблизи активного центра пептидилтрансферазы. При этом тормозится синтез белка бактерий и не изменяется у животных.

ЛИТЕРАТУРА К ГЛАВЕ IV .10.

1. Бышевский А. Ш., Терсенов О. А. Биохимия для врача // Екатеринбург: Уральский рабочий, 1994, 384 с.;

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

хорошую работу на сайт">

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Реакции матричного синтеза

В живых системах встречается реакции, неизвестные в неживой природе -- реакции матричного синтеза.

Термином "матрица" в технике обозначают форму, употребляемую для отливки монет, медалей, типографского шрифта: затвердевший металл в точности воспроизводит все детали формы, служившей для отливки. Матричный синтез напоминает отливку на матрице: новые молекулы синтезируются в точном соответствии с планом, заложенным в структуре уже существующих молекул.

Матричный принцип лежит в основе важнейших синтетических реакций клетки, таких, как синтез нуклеиновых кислот и белков. В этих реакциях обеспечивается точная, строго специфичная последовательность мономерных звеньев в синтезируемых полимерах.

Здесь происходит направленное стягивание мономеров в определенное место клетки -- на молекулы, служащие матрицей, где реакция протекает. Если бы такие реакции происходили в результате случайного столкновения молекул, они протекали бы бесконечно медленно. Синтез сложных молекул на основе матричного принципа осуществляется быстро и точно.

Роль матрицы в матричных реакциях играют макромолекулы нуклеиновых кислот ДНК или РНК.

Мономерные молекулы, из которых синтезируется полимер, -- нуклеотиды или аминокислоты -- в соответствии с принципом комплементарности располагаются и фиксируются на матрице в строго определенном, заданном порядке.

Затем происходит "сшивание" мономерных звеньев в полимерную цепь, и готовый полимер сбрасывается с матрицы.

После этого матрица готова к сборке новой полимерной молекулы. Понятно, что как на данной форме может производиться отливка только какой-то одной монеты, одной буквы, так и на данной матричной молекуле может идти "сборка" только какого-то одного полимера.

Матричный тип реакций -- специфическая особенность химизма живых систем. Они являются основой фундаментального свойства всего живого -- его способности к воспроизведению себе подобного.

К реакциям матричного синтеза относят:

1. репликацию ДНК-- процесс самоудвоения молекулы ДНК, осуществляемый под контролем ферментов. На каждой из цепей ДНК, образовавшихся после разрыва водородных связей, при участии фермента ДНК-полимеразы синтезируется дочерняя цепь ДНК. Материалом для синтеза служат свободные нуклеотиды, имеющиеся в цитоплазме клеток.

Биологический смысл репликации заключается в точной передаче наследственной информации от материнской молекулы к дочерним, что в норме и происходит при делении соматических клеток.

Молекула ДНК состоит из двух комплементарных цепей. Эти цепи удерживаются слабыми водородными связями, способными разрываться под действием ферментов.

Молекула способна к самоудвоению (репликации), причем на каждой старой половине молекулы синтезируется новая ее половина.

Кроме того, на молекуле ДНК может синтезироваться молекула и-РНК, которая затем переносит полученную от ДНК информацию к месту синтеза белка.

Передача информации и синтез белка идут по матричному принципу, сравнимому с работой печатного станка в типографии. Информация от ДНК многократно копируется. Если при копировании произойдут ошибки, то они повторятся во всех последующих копиях.

Правда, некоторые ошибки при копировании информации молекулой ДНК могут исправляться -- процесс устранения ошибок называется репарацией. Первой из реакций в процессе передачи информации является репликация молекулы ДНК и синтез новых цепей ДНК.

2. транскрипцию - синтез и-РНК на ДНК, процесс снятия информации с молекулы ДНК, синтезируемой на ней молекулой и-РНК.

И-РНК состоит из одной цепи и синтезируется на ДНК в соответствии с правилом комплементарности при участии фермента, который активирует начало и конец синтеза молекулы и-РНК.

Готовая молекула и-РНК выходит в цитоплазму на рибосомы, где происходит синтез полипептидных цепей.

3. трансляцию-- синтез белка на и-РНК; процесс перевода информации, содержащейся в последовательности нуклеотидов и-РНК, в последовательность аминокислот в полипептиде.

4. синтез РНК или ДНК на РНК вирусов

Таким образом, биосинтез белка - это один из видов пластического обмена, в ходе которого наследственная информация, закодированная в генах ДНК, реализуется в определенную последовательность аминокислот в белковых молекулах.

Молекулы белков по существу представляют собой полипептидные цепочки, составленные из отдельных аминокислот. Но аминокислоты недостаточно активны, чтобы соединиться между собой самостоятельно. Поэтому, прежде чем соединиться друг с другом и образовать молекулу белка, аминокислоты должны активироваться. Эта активация происходит под действием особых ферментов.

В результате активирования аминокислота становится более лабильной и под действием того же фермента связывается с т-РНК. Каждой аминокислоте соответствует строго специфическая т-РНК, которая находит «свою» аминокислоту и переносит ее в рибосому.

Следовательно, в рибосому поступают различные активированные аминокислоты, соединенные со своими т-РНК. Рибосома представляет собой как бы конвейер для сборки цепочки белка из поступающих в него различных аминокислот.

Одновременно с т-РНК, на которой «сидит» своя аминокислота, в рибосому поступает «сигнал» от ДНК, которая содержится в ядре. В соответствии с этим сигналом в рибосоме синтезируется тот или иной белок.

Направляющее влияние ДНК на синтез белка осуществляется не непосредственно, а с помощью особого посредника - матричной или информационной РНК (м-РНК или и-РНК), которая синтезируется в ядре под влиянием ДНК, поэтому ее состав отражает состав ДНК. Молекула РНК представляет собой как бы слепок с формы ДНК. Синтезированная и-РНК поступает в рибосому и как бы передает этой структуре план -- в каком порядке должны соединяться друг с другом поступившие в рибосому активированные аминокислоты, чтобы синтезировался определенный белок. Иначе, генетическая информация, закодированная в ДНК, передается на и-РНК и далее на белок.

Молекула и-РНК поступает в рибосому и прошивает ее. Тот ее отрезок, который находится в данный момент в рибосоме, определенный кодоном (триплет), взаимодействует совершенно специфично с подходящим к нему по строению триплетом (антикодоном) в транспортной РНК, которая принесла в рибосому аминокислоту.

Транспортная РНК со своей аминокислотой подходит к определенному кодону и-РНК и соединяется с ним; к следующему, соседнему участку и-РНК присоединяется другая т-РНК с другой аминокислотой и так до тех пор, пока не будет считана вся цепочка и-РНК, пока не нанижутся все аминокислоты в соответствующем порядке, образуя молекулу белка.

А т-РНК, которая доставила аминокислоту к определенному участку полипептидной цепи, освобождается от своей аминокислоты и выходит из рибосомы. матричный клетка нуклеиновый ген

Затем снова в цитоплазме к ней может присоединиться нужная аминокислота, и она снова перенесет ее в рибосому.

В процессе синтеза белка участвует одновременно не одна, а несколько рибосом -- полирибосомы.

Основные этапы передачи генетической информации:

синтез на ДНК как на матрице и-РНК (транскрипция)

синтез в рибосомах полипептидной цепи по программе, содержащейся в и-РНК (трансляция).

Этапы универсальны для всех живых существ, но временные и пространственные взаимоотношения этих процессов различаются у про- и эукариотов.

У эукариот транскрипция и трансляция строго разделены в пространстве и времени: синтез различных РНК происходит в ядре, после чего молекулы РНК должны покинуть пределы ядра, пройдя через ядерную мембрану. Затем в цитоплазме РНК транспортируются к месту синтеза белка -- рибосомам. Лишь после этого наступает следующий этап -- трансляция.

У прокариот транскрипция и трансляция идут одновременно.

Таким образом, местом синтеза белков и всех ферментов в клетке являются рибосомы -- это как бы «фабрики» белка, как бы сборочный цех, куда поступают все материалы, необходимые для сборки полипептидной цепочки белка из аминокислот. Природа синтезируемого белка зависит от строения и-РНК, от порядка расположения в ней нуклеоидов, а строение и-РНК отражает строение ДНК, так что в конечном итоге специфическое строение белка, т. е. порядок расположения в нем различных аминокислот, зависит от порядка расположения нуклеоидов в ДНК, от строения ДНК.

Изложенная теория биосинтеза белка получила название матричной теории. Матричной эта теория называется потому, что нуклеиновые кислоты играют как бы роль матриц, в которых записана вся информация относительно последовательности аминокислотных остатков в молекуле белка.

Создание матричной теории биосинтеза белка и расшифровка аминокислотного кода является крупнейшим научным достижением XX века, важнейшим шагом на пути к выяснению молекулярного механизма наследственности.

Алгоритм решения задач.

Тип 1. Самокопирование ДНК. Одна из цепочек ДНК имеет такую последовательность нуклеотидов: АГТАЦЦГАТАЦТЦГАТТТАЦГ... Какую последовательность нуклеотидов имеет вторая цепочка той же молекулы? Чтобы написать последовательность нуклеотидов второй цепочки молекулы ДНК, когда известна последовательность первой цепочки, достаточно заменить тимин на аденин, аденин на тимин, гуанин- на цитозин и цитозин на гуанин. Произведя такую замену, получаем последовательность: ТАЦТГГЦТАТГАГЦТАААТГ... Тип 2. Кодирование белков. Цепочка аминокислот белка рибонуклеазы имеет следующее начало: лизин-глутамин-треонин-аланин-аланин-аланин-лизин... С какой последовательности нуклеотидов начинается ген, соответствующий этому белку? Для этого следует воспользоваться таблицей генетического кода. Для каждой аминокислоты находим ее кодовое обозначение в виде соответствующей тройки нуклеотидов и выписываем его. Располагая эти тройки друг за другом в таком же порядке, в каком идут соответствующие им аминокислоты, получаем формулу строения участка информационной РНК. Как правило таких троек несколько, выбор делается по Вашему решению (но, берется только одна из троек). Решений соответственно может быть несколько. АААЦАААЦУГЦГГЦУГЦГААГ Тип 3. Декодирование молекул ДНК. С какой последовательности аминокислот начинается белок, если он закодирован такой последовательностью нуклеотидов: АЦГЦЦЦАТГГЦЦГГТ... По принципу комплементарности находим строение участка информационной РНК, образующейся на данном отрезке молекулы ДНК: УГЦГГГУАЦЦГГЦЦА... Затем обращаемся к таблице генетического кода и для каждой тройки нуклеотидов, начиная с первой, находим и выписываем соответствующую ей аминокислоту: Цистеин-глицин-тирозин-аргинин-пролин-...

2. Конспект по биологии в 10 «А» классе по теме: Биосинтез белков

Цель: Познакомить с процессами транскрипции и трансляции.

Образовательная. Ввести понятия гена, триплета, кодона, кода ДНК, транскрипции и трансляции, объяснить сущность процесс биосинтеза белков.

Развивающая. Развитие внимания, памяти, логического мышления. Тренировка пространственного воображения.

Воспитательная. Воспитание культуры труда на уроке, уважения к чужому труду.

Оборудование: Доска, таблицы по биосинтезу белков, магнитная доска, динамическая модель.

Литература: учебники Ю.И. Полянского, Д.К. Беляева, А.О. Рувинского; «Основы цитологии» О.Г. Машановой, «Биология» В.Н. Ярыгиной, «Гены и геномы» Сингер и Берг, школьная тетрадь, Н.Д.Лисова учеб. Пособие для 10 класса «Биология».

Методы и методические приемы: рассказ с элементами беседы, демонстрация, тестирование.

	Тест по пройденному материалу. Раздать листочки и варианты теста. Все тетради и учебники закрыты. 1 ошибка при сделанном 10 вопросе это 10, при не сделанном 10-м - 9, и т.д.
	Запишите тему сегодняшнего урока: Биосинтез белков. Вся молекула ДНК поделена на отрезки, кодирующие аминокислотную последовательность одного белка. Запишите: ген - это участок молекулы ДНК, в котором содержится информация о последовательности аминокислот в одном белке.
	Код ДНК. У нас есть 4 нуклеотида и 20 аминокислот. Как же их сопоставить? Если бы 1 нуклеотид кодировал 1 а/к, => 4 а/к; если 2 нуклеотида - 1 а/к - (сколько?) 16 аминокислот. Поэтому 1 аминокислоту кодирует 3 нуклеотида - триплет (кодон). Посчитайте сколько возможно комбинаций? - 64 (3 из них это знаки препинания). Достаточно и даже с избытком. Зачем избыток? 1 а/к может кодироваться 2-6 триплетами для повышения надежности хранения и передачи информации. Свойства кода ДНК. 1) Код триплетен: 1 аминокислоту кодирует 3 нуклеотида. 61 триплет кодирует а/к, причем один АУГ означает начало белка, а 3 - знаки препинания. 2) Код вырожден - 1 а/к кодирует 1,2,3,4,6 триплетов 3) Код однозначен - 1 триплет только 1 а/к 4) Код не перекрывающийся - от 1 и до последнего триплета ген кодирует только 1 белок 5) Код непрерывен - внутри гена нет знаков препинания. Они только между генами. 6) Код универсален - все 5 царств имеют один и тот же код. Только в митохондриях 4 триплета отличаются. Дома подумайте и скажите почему?
	Вся информация содержится в ДНК, но сама ДНК в биосинтезе белка участия не принимает. Почему? Информация переписывается на и-РНК, и уже на ней в рибосоме идет синтез белковой молекулы. ДНК РНК белок. Скажите есть ли организмы у которых обратный порядок: РНК ДНК?
	Факторы биосинтеза: Наличие информации, закодированной в гене ДНК. Наличие посредника и-РНК для передачи информации от ядра к рибосомам. Наличие органоида- рибосомы. Наличие сырья - нуклеотидов и а/к Наличие т-РНК для доставки аминокислот к месту сборки Наличие ферментов и АТФ (Зачем?)
	Процесс биосинтеза. Транскрипция.(показать на модели) Переписывание последовательности нуклеотидов с ДНК на и-РНК. Биосинтез молекул РНК идет на ДНК по принципам: Матричного синтеза Комплиментарности ДНК и-РНК ДНК при помощи специального фермента расшивается, другой фермент начинает на одной из цепей синтезировать и-РНК. Размер и-РНК это 1 или несколько генов. И-РНК выходит из ядра через ядерные поры и идет к свободной рибосоме.
	Трансляция. Синтез полипептидных цепей белков, осуществляемая на рибосоме. Найдя свободную рибосому и-РНК продевается через нее. И-РНК входит в рибосому триплетом АУГ. Одновременно в рибосоме может находиться только 2 триплета (6 нуклеотидов). Нуклеотиды в рибосоме у нас есть теперь надо туда как-то доставить а/к. С помощью чего?- т-РНК. Рассмотрим ее строение. Транспортные РНК (т-РНК) состоят примерно из 70 нуклеотидов. Каждая т-РНК имеет акцепторный конец, к которому присоединяется аминокислотный остаток, и адаптерный конец, несущий тройку нуклеотидов, комплементарную какому-либо кодону и-РНК, потому этот триплет назвали антикодоном. Сколько типов т-РНК нужно в клетке? Т-РНК с соответствующей а/к, пытается присоединиться к и-РНК. Если антикодон комплиментарен кодон, то присоединяется и возникает связь, которая служит сигналом для передвижения рибосомы по нити и-РНК на один триплет. А/к присоединяется к пептидной цепочке, а т-РНК, освободившись от а/к выходит в цитоплазму в поисках другой такой же а/к. Пептидная цепочка, таким образом, удлиняется до тех пор, пока не закончится трансляция, и рибосома не соскочит с и-РНК. На одной и-РНК может помещаться несколько рибосом (в учебнике рисунок в п.15). Белковая цепь поступает в ЭПС, где приобретает вторичную, третичную или четвертичную структуру. Весь процесс изображен в учебнике рис.22 - дома найдите ошибку в этом рисунке - получите 5) Скажите, каким образом эти процессы идут о прокариот, если у них нет ядра?
	Регуляция биосинтеза. Каждая хромосома в линейном порядке разделена на опероны, состоящие из гена регулятора и структурного гена. Сигналом для гена регулятора является либо субстрат, либо конечные продукты.
	1.Найдите аминокислоты закодированные во фрагменте ДНК. Т-А-Ц-Г-А-А-А-А-Т-Ц-А-А-Т-Ц-Т-Ц-У-А-У- Решение: А-У-Г-Ц-У-У-У-У-А-Г-У-У-А-Г-А-Г-А-У-А- МЕТ ЛЕЙ ЛЕЙ ВАЛ АРГ АСП Надо составить фрагмент и-РНК и разбить на триплеты. 2.Найдите антикодоны т-РНК для переноса указанных аминокислот к месту сборки. Мет, три, фен, арг.
	Домашнее задание параграф 29.

Последовательность матричных реакций при биосинтезе белков можно представить в виде схемы:

Вариант 1

1. Генетический код - это

а) система записи порядка расположения аминокислот в белке с помощью нуклеотидов ДНК

б) участок молекулы ДНК из 3х соседних нуклеотидов, отвечающий за постановку определенной аминокислоты в молекуле белка

в) свойство организмов передавать генетическую информацию от родителей потомству

г) единица считывания генетической информации

40. Каждая аминокислота кодируется тремя нуклеотидами - это

а) специфичность

б) триплетность

в) вырожденность

г) неперекрываемость

41. Аминокислоты шифруются более чем одним кодоном - это

а) специфичность

б) триплетность

в) вырожденность

г) неперекрываемость

42. У эукариот один нуклеотид входит в состав только одного кодона - это

а) специфичность

б) триплетность

в) вырожденность

г) неперекрываемость

43. Все живые организмы на нашей планете имеют одинаковый генетический код - это

а) специфичность

б) унивесальность

в) вырожденность

г) неперекрываемость

44. Разделение по три нуклеотида на кодоны чисто функциональное и существует только на момент процесса трансляции

а) код без запятых

б) триплетность

в) вырожденность

г) неперекрываемость

45. Количество смысловых кодонов в генетическом коде

Размещено на Allbest.ru

...

Подобные документы

Изучение строения гена эукариот, последовательности аминокислот в белковой молекуле. Анализ реакции матричного синтеза, процесса самоудвоения молекулы ДНК, синтеза белка на матрице и-РНК. Обзор химических реакций, происходящих в клетках живых организмов.

презентация , добавлен 26.03.2012


Основные виды нуклеиновых кислот. Строение и особенности их строения. Значение нуклеиновых кислот для всех живых организмов. Синтез белков в клетке. Хранение, перенос и передача по наследству информации о структуре белковых молекул. Строение ДНК.

презентация , добавлен 19.12.2014


Определение понятия и описание общих особенностей трансляции как процесса синтеза белка по матрице РНК, осуществляемого в рибосомах. Схематическое представление синтеза рибосом у эукариот. Определение сопряженности транскрипции и трансляции у прокариот.

презентация , добавлен 14.04.2014


Первичная, вторичная и третичная структуры ДНК. Свойства генетического кода. История открытия нуклеиновых кислот, их биохимические и физико-химические свойства. Матричная, рибосомальная, транспортная РНК. Процесс репликации, транскрипции и трансляции.

реферат , добавлен 19.05.2015


Сущность, состав нуклеотидов, их физические характеристики. Механизм редупликации дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), транскрипция ее с переносом наследственной информации на РНК и механизм трансляции - синтез белка, направляемый этой информацией.

реферат , добавлен 11.12.2009


Особенности применения метода ядерного магнитного резонанса (ЯМР) для исследования нуклеиновых кислот, полисахаридов и липидов. Исследование методом ЯМР комплексов нуклеиновых кислот с протеинами и биологических мембран. Состав и структура полисахаридов.

курсовая работа , добавлен 26.08.2009


Нуклеотиды как мономеры нуклеиновых кислот, их функции в клетке и методы исследования. Азотистые основания, не входящие в состав нуклеиновых кислот. Строение и формы дезоксирибонуклеиновых кислот (ДНК). Виды и функции рибонуклеиновых кислот (РНК).

презентация , добавлен 14.04.2014


История изучения нуклеиновых кислот. Состав, структура и свойства дезоксирибонуклеиновой кислоты. Представление о гене и генетическом коде. Изучение мутаций и их последствий в отношении организма. Обнаружение нуклеиновых кислот в растительных клетках.

контрольная работа , добавлен 18.03.2012


Сведения о нуклеиновых кислотах, история их открытия и распространение в природе. Строение нуклеиновых кислот, номенклатура нуклеотидов. Функции нуклеиновых кислот (дезоксирибонуклеиновая - ДНК, рибонуклеиновая - РНК). Первичная и вторичная структура ДНК.

реферат , добавлен 26.11.2014


Общая характеристика клетки: форма, химический состав, отличия эукариот от прокариот. Особенности строения клеток различных организмов. Внутриклеточное движение цитоплазмы клетки, метаболизм. Функции липидов, углеводов, белков и нуклеиновых кислот.

Матричный синтез

Способность генетического материала, ДНК, к самовоспроизведению (репликации) лежит в основе размножения живых организмов, передачи наследственных свойств из поколения в поколение и развития многоклеточного организма из зиготы. Модель ДНК Уотсона и Крика сразу же позволила понять принцип удвоения ДНК. Поскольку каждая из цепей ДНК содержит последовательность нуклеотидов, комплементарную другой цепи, т. е. их информационное содержание идентично, представлялось вполне логичным, что при удвоении ДНК цепи расходятся, а затем каждая цепь служит матрицей, на которой выстраивается комплементарная ей новая цепь ДНК. В результате образуются два дуплекса ДНК, каждый из которых состоит из одной цепи исходной родительской молекулы ДНК и одной новосинтезированной цепи. Экспериментально показано, что именно так, по полуконсервативному механизму, происходит репликация ДНК.

Несмотря на простоту основного принципа, процесс репликации сложно организован и требует участия множества белков. Эти белки, как и все другие, закодированы в последовательности нуклеотидов ДНК. Таким образом, возникает важнейшая для жизни петля обратной связи: ДНК направляет синтез белков, которые реплицируют ДНК.

ДНК-полимеразы

Комплементарное копирование матрицы осуществляют ферменты ДНК-зависимые ДНК-полимеразы или просто ДНК-полимеразы. ДНК-полимеразы ведут синтез ДНК на одноцепочечной матрице фрагмент растущей цепи ДНК. ДНК-полимеразы последовательно наращивают конец затравки, шаг за шагом присоединяя к нему следующие нуклеотиды, причем выбор очередного нуклеотида для присоединения к концу затравки диктуется матрицей.

Очередной нуклеотид, субстрат для ДНК-полимеразы, поступает в реакцию в активированной высокоэнергетической форме дезокси-рибонуклеозидтрифосфата. В этом отношении синтез ДНК напоминает синтез всех других биополимеров: поскольку полимеризация мономеров в полимер энергетически не выгодна, мономеры всегда поступают в реакцию синтеза в активированной форме. В случае синтеза ДНК присоединение очередного нуклеотида к концу затравки сопровождается гидролизом богатой энергией связи и отщеплением пирофосфата, что и делает реакцию в целом энергетически выгодной. Наличие в клетке пирофосфатазы обеспечивает расщепление пирофосфата и делает реакцию практически необратимой. При полимеризации растет всегда 3"-конец затравки, т. е. синтез происходит в направлении 5"→ 3": 3"-ОН-группа концевого нуклеотида затравки атакует a-фосфат очередного дезоксирибонуклеозидтрифосфата (но только в том случае, если он комплементарен очередному нуклеотиду матрицы), в результате чего отщепляется пирофосфат, а дезоксирибонуклеозид- монофосфат оказывается связанным фосфодиэфирной связью с растущей цепью ДНК, удлиняя ее на одно звено.

Затравка антипараллельна матрице. Естественно, эта полярность сохраняется и при ее дальнейшем росте, так что результатом работы ДНК-полимеразы на одноцепочечной матрице является антипараллельная двойная спираль ДНК.

ДНК-полимеразы безразличны к последовательности нуклеотидов матрицы; задача этих ферментов - снять точную копию с матрицы, с какой - неважно.

Точность синтеза ДНК и коррекция

Нормальное размножение клеток требует высокой точности копирования ДНК-матрицы. Генетический материал живых организмов имеет огромные размеры. Оказывается, у всех организмов точность работы репликативной машины (включающей не только ДНК-полимеразы, но и другие белки) как раз такова, чтобы обеспечить безошибочное воспроизведение всего генома или допустить лишь малое число ошибок. Так, у бактерий ошибки синтеза ДНК происходят не чаще чем один раз на много миллионов нуклеотидов. Молекулярные взаимодействия, на которых основаны ферментативные реакции, в частности синтез ДНК, не могут быть абсолютно надежными, кроме того, точность процесса связана с его скоростью. Для того чтобы обеспечить высокую точность наряду с высокой скоростью репликации, природе пришлось прибегнуть к специальным механизмам, один из которых - механизм коррекции.

ДНК-полимеразы проверяют комплементарность каждого нуклеотида матрице дважды: один раз перед включением его в состав растущей цепи и второй раз перед тем, как включить следующий нуклеотид. Очередная фосфодиэфирная связь образуется лишь в том случае, если последний (3"-концевой) нуклеотид затравки комплементарен матрице. Если же на предыдущей стадии полимеризации произошла ошибка (например, из-за того, что нуклеотид в момент полимеризации находился в необычной таутомерией форме), то репликация останавливается до тех пор, пока неправильный нуклеотид не будет удален. Некоторые ДНК-полимеразы обладают не только полимеризующей, но и 3"- экзонуклеазной активностью, которая отщепляет не спаренный с матрицей нуклеотид затравки, после чего полимеризация восстанавливается. Этот механизм, коррекция, заметно увеличивает точность работы ДНК-полимераз. Мутации, нарушающие 3"-экзонуклеазную активность ДНК-полимеразы, существенно повышают частоту возникновения прочих мутаций. Напротив, мутации, приводящие к усилению экзонуклеазной активности относительно полимеризующей, снижают темп мутирования генетического материала.

Разные ДНК-полимеразы одного организма и ДНК-полимеразы различных организмов имеют разное строение. Иногда один полипептид обладает и полимеразной, и 3"-экзонуклеазной активностями, в других случаях за эти активности ответственны разные субъединицы мультисубъединичного фермента. У некоторых ДНК-полимераз корректирующая экзонуклеазная активность не обнаружена. Не исключено, что за коррекцию в этих случаях ответствен отдельный белок.

Основные принципы репликации

Инициация цепей ДНК

ДНК-полимеразы не способны инициировать новые цепи ДНК. Они могут лишь достраивать уже имеющуюся затравку. Иными словами, синтез ДНК начинается с синтеза РНК. РНК-затравку для синтеза ДНК образует специальный фермент, называемый ДНК-праймазой (от англ праймер - затравка). Праймаза может быть отдельным ферментом, как у бактерий, или входить в качестве субъединицы в ДНК-полимеразу (как у ДНК-полимеразы а животных). В любом случае праймаза - это фермент, отличный от РНК-полимераз, синтезирующих разнообразные клеточные РНК и тоже способных инициировать синтез новых полинуклеотидных цепей. После того как цепь ДНК начала синтезироваться, РНК-затравки удаляются и образовавшиеся бреши застраиваются ДНК-полимеразой, т. е. с высокой точностью.

Расплетание двойной спирали ДНК в ходе репликации

Нативные ДНК двуспиральны; следовательно, перед репликацией цепи родительской молекулы, матричные цепи ДНК, должны быть разделены. Эту реакцию осуществляют два типа белков: хеликазы и SSB-белки (от англ, single strand binding - белки, связывающиеся с однонитевой ДНК). Хеликазами называют ДНК-зависимые АТРа-зы, использующие энергию гидролиза АТР для расплетания двойной спирали (helix) ДНК. Считается, что хеликаза, движимая гидролизом АТР, однонаправленно «едет» по одной из цепей ДНК, расплетая перед собой двойную спираль. Есть хеликазы, которые едут от 5"-конца к 3"-концу цепи ДНК, и есть другие, перемещающиеся в обратном направлении. В результате работы хеликаз возникает «вилка» из двуспирального участка ДНК и двух одноцепочечных ветвей. Ренатурации одноцепочечных участков ДНК препятствует их связывание SSB-белком, имеющим избирательное сродство к однонитевой ДНК (рис. 3).

SSB-белки и хеликазы обнаружены у многих про- и эукариотических организмов. Роль SSB-белка в репликации, по-видимому, состоит в том, чтобы расправить ДНК, вытянуть ее и удалить возможные элементы вторичной структуры, которые могли бы образоваться в самокомплементарных участках ДНК. Связывание одноцепочечной ДНК с SSB-белком стимулирует ДНК- полимеразу и повышает точность ее работы. Этот эффект вызывается не только разрушением вторичной структуры одноцепочечной ДНК, но и непосредственным взаимодействием ДНК-полимеразы с SSB-белком, поскольку обычно полимеразу стимулирует лишь «свой» SSB-белок, но не аналогичный белок из другого источника. SSB-белок Е. coli - тетрамер, состоящий из идентичных субъединиц размером 19 кД. SSB-белок связывается с ДНК кооперативно, т. е. за счет белок-белковых взаимодействий тетрамеры покрывают ДНК вплотную друг к другу.

Рисунок 3. Расплетание двойной спирали ДНК хеликазой и SSB-белком

Прерывистый синтез ДНК

Так как цепи ДНК в дуплексе антипараллельны, то очевидно, что направление расплетания двойной спирали при репликации совпадает с направлением синтеза ДНК лишь для одной матричной цепи, но противоположно направлению синтеза ДНК на комплементарной матрице (рис. 4). Это значит, что лишь на одной из матричных цепей синтез ДНК может происходить непрерывно. Показано, что ДНК синтезируется сравнительно короткими фрагментами, называемыми фрагментами Оказаки. Таким образом, синтез ДНК на двух матричных цепях исходной молекулы заметно различается. Новосинтезированная цепь, которая синтезируется непрерывно, называется ведущей (англ, leading), другая цепь называется запаздывающей (англ, lagging). Каждый фрагмент Оказаки имеет на 5"-конце несколько рибонуклеоти-дов - результат действия праймазы. Характерный размер фрагментов Оказаки различается для бактерий и эукариот: у бактерий они имеют длину около 1000 нуклеотидов, у эукариот они короче, порядка 100 нуклеотидов. Через некоторое время после синтеза РНК-затравки удаляются, бреши застраиваются ДНК-полимеразой, а фрагменты сшиваются в одну ковалентно-непрерывную цепь ДНК предназначенным специально для этого ферментом, ДНК-лигазой. ДНК-лигазы обнаружены у самых разных организмов. Они нуждаются в высокоэнергетических кофакторах.

Репликатитвная вилка

Рисунок участка ДНК в районе репликативной вилки



Предыдущая статья: Чему равна скорость света Следующая статья: Углерод — характеристика элемента и химические свойства