Метаболизм нуклеиновых кислот

Метаболизм нуклеиновых кислот 1. Механизм реализации генетической информации в живом организме. 2. Биосинтез нуклеиновых кислот. 3. Синтез ДНК репликация. Нуклеиновые кислоты и белки называют информационными молекулами, так   как   в   чередовании   их   мономеров   заложен   определенный   смысл. Последовательность   нуклеотидов   в   ДНК   определяет   структуру   всех   белков клетки.   Участки   ДНК,   кодирующие   определенные   белки   (гены),   копируются (транскрибируются)   в   виде   полинуклеотидной   цепи   матричной   РНК   (мРНК), которая затем служит матрицей для синтеза белка. Таким образом, генетическая информация,   записанная   в   ДНК   (в   генотипе)   обеспечивает   образование фенотипических   признаков   клетки,   то   есть  генотип   трансформируется   в фенотип.  Основная схема передачи генетической информации ДНК РНК белок репликация        транскрипция          транскрипция  Это   направление   потока   информации   включает   три   типа   матричных синтезов: Репликацию (снятие «копии» с ДНК), Репарацию («ремонт» ДНК), Транскрипцию (биосинтез м­РНК, т­РНК, и­РНК), Трансляцию (биосинтез белка). Процесс, осуществляемый комплексом ферментов и белков, выполняющих топологическую функцию, суть которого в образовании идентичных копий ДНК для   передачи   генетической   информации   в   поколениях   клеток   и   организмов, называют репликацией ДНК.  Репликация   протекает   в   ядре   клетки   основан   на   принципе комплементарности   азотистых   оснований   (А=Т,   ГЦ),   происходит   в   S­фазу клеточного цикла. Механизм репликации — полуконсервативный. В результате репликации образуются   2   новые   молекулы   ДНК,   в   каждой   из   них   —   1­я   цепь «материнская», 2­я — «дочерняя». Принципы репликации  1. Комплементарность.  2. Антипараллельность.  3. Униполярность.  4. Потребность в затравке.  5. Прерывистость.  6.Полуконсервативность.  1 Первые три принципа можно сформулировать в одной фразе:  Синтез   каждой   дочерней   цепи   ДНК   идет   комплементарно   и антипараллельно матричной цепи и всегда в направлении 5'  3'.  Этапы репликации: 1. 2. 3. инициация элонгация терминация Субстратами   и   источниками   энергии,   необходимыми   для   репликации, являются д­АТФ, д­ГТФ, д­ЦТФ, д­ТТФ, матрицей — двухспиральная молекула ДНК. Ферментами репликативного комплекса являются ДНК­полимераза, ДНК­ лигаза, эндонуклеаза, ДНК­раскручивающие белки. Кофакторами служат Mg2+. Синтез   каждой   дочерней   цепи   ДНК   идет   комплементарно   и антипараллельно   матричной  цепи и всегда в направлении 5'   3'.→ называется репликоном. Каждая эукариотическая хромосома ­ полирепликон.  Молекула   ДНК   способная к   автономной   репликации Реплико н  ­   участок ДНК   между двумя ori.  У эукариот репликоном является отрезок ДНК, имеющий единственную точку начала репликации ori.  Точка начала репликации имеет специфическую последовательность, богатую парами А­Т.(легче плавление) Репликативный комплекс. Для репликации ДНК необходим большой набор разнообразных  ферментов и белков ­ репликативный комплекс.  2 ДНК   –   полимеразы.   Комплементарное   копирование   одноцепочечной матрицы   катализируют   ДНК­зависимые   ДНК   ­   полимеразы.   Имеется существенное различие между ДНК – полимеразами про и эукариот. Механизм  химической   реакции   заключается   в   переносе дезоксирибомонофосфат нуклеозида от дезоксириботрифасфатнуклеозида на   3   (­   ОН)   углеродный   атом   дезоксирибозы   последнего   нуклеотида растущей   цепи   ДНК.   При   этом   выделяется   пирофосфат   (пирофосфат расщепляется, следовательно реакция необратима) и образуется сложная фосфодиэфирная   связь.     Эта   связь   образуется,   если   новый   нуклеотид комплементарен   матрице   т.е.   при     возникновении   водородных   связей между комплементарными пуриновыми и пиримидиновыми основаниями. ДНК синтезируется очень быстро 500 н.о./с  у прокариот, 50 н.о. /с  у эукариот. Высокую точность копирования обеспечивают  ДНК – полимеразы. Фермент   дважды  проверяет   правильность   включения   нуклеотида   в  цепь перед включением в цепь, и перед тем как включить новый нуклеотид в цепь.   Частота   ошибок   не   превышает   10  –9  на   нуклеотид   за   1   раунд репликации. ДНК ­ праймазы. (Затравка или праймер – короткая нуклеотидная цепь, комплементарная участку ДНК). Ферменты участвую в синтезе РНК праймеров. ДНК   –   лигазы  –   соединяют   5/  фосфатную   и   3/  гидроксильную группу нуклеотидов после удаления праймеров, заделывания бреши ДНК – полимеразой. Репликация –процесс энергозависимый ­ АТФ – для млекопитающих, фагов,   NAD для бактерий. ДНК   –   геликазы.   Геликазы  ­   ферменты,   денатурирующие   ДНК., способствуют плавлению двухцепочечной ДНК т.е. разрыву водородных связей между цепями.  Геликазы различаются требованиями к размеру посадочной площадки, на которую они садятся для начала движения. Площадка образуется при помощи топоизомераз.  Площадка   ­   это   одноцепочечный   участок   ДНК,   т.е.   геликаза   не   может начать плавление нативной ДНК без дефектов.  3 Ферменты топоизомеразы  ­ ферменты, изменяющие топологию ДНК. Топоизомеразы меняют число зацеплений одной цепи за другую.  Гиразы   вносят   двуцепочечный   разрыв   ДНК   по   принципу   работы рестриктаз.  Рестриктазы  ­ эндонуклеазы, которые узнают определенные последовательности   и   делают разрезы в обеих цепях.  SSB­  белки(single   strand   bind).  Белки   Альбертса,   связываются   с   ДНК электростатически,   хотя   имеют   отрицательный   заряд.   Эти   белки   содержат кластер положительно заряженных аминокислотных остатков, но общий заряд белка отрицателен. У них повышенное сродство к одноцепочечной ДНК. Белок не связывается с двуцепочечной ДНК, не имеющей расплавленных участков. Но   если   есть   одноцепочечная   ДНК,   то   белки   легко   садятся   на   нее, выпрямляют ее, превращая ДНК в "палку".  Когда в ДНК образуется расплавленный участок, белок покрывает   его   за   счет электростатических взаимодействий.   При   этом проявляется   сродство   белков друг к другу. Они покрывают ДНК   слоем (стехиометрическое количество белка).  сплошным   Белки, сидящие на комплементарных цепях, не дают цепям схлопнуться, т.к. имеют мощный отрицательный заряд. SSB избирательно стимулируют работу ДНК­полимеразы.  РНК­полимераза   не   может   использовать   одноцепочечную ДНК, покрытую SSB (т.е. транскрипция во время репликации невозможна).  Полуконсервативный механизм репликации ДНК. В результате действия ферментов и белков образуется  репликативная вилка  ­ участок ДНК, в пределах которого спираль раскручена и разделена на отдельные цепи. ДНК­полимераза обеспечивает включение в растущую «новую» цепь нуклеотидов комплементарных «старой», то есть матричной цепи. Оказаки предположил,   что  синтез   ДНК   идет   короткими   фрагментами  и   что  короткие фрагменты должны сшиваться.  Размер фрагментов Оказаки видоспецифичен и составляет для фагов 1000­2000 нукл., E. сoli ­ 1000 нукл., для эукариот –200­ 400 нукл. 4 комплементарный   матричной   цепи   ДНК. ДНК­полимераза   не   способна   начинать   синтез   новой   цепи   с   ее   первого нуклеотида.   Она   может   удлинять   уже   имеющуюся   цепь,   поэтому   для   начала реакции требуется  затравка  (праймер), которая представляет собой короткий полинуклеотид,   Фермент присоединяется к матричной цепи ДНК и к праймеру в области 3’­концевого нуклеотида праймера. Перемещаясь по матрице в направлении ее 5’­конца, ДНК­ полимераза удлиняет затравку, присоединяя к ней один за другим нуклеотиды. Одноцепочечная затравка ­ праймер синтезируется при участии ДНК­зависимой РНК­полимеразы (праймазы). Синтез новых цепей ДНК может протекать только в   направлении   5’     3’.   Таким   образом,   на   одной   цепи   ДНК   синтезируется непрерывно «лидирующая» цепь, а на другой образуются короткие фрагменты ­ «запаздывающая»   цепь.   Затем   последовательность   праймера   удаляется,   и образовавшийся   промежуток   заполняется   с   помощью   ДНК­полимеразы.  ДНК­ лигаза  способна   сшивать   полученные   короткие   фрагменты,   после   чего формируется новая двухспиральная молекула ДНК.  → 5 6