биосинтез нуклеиновых кислот и белков

Проф. каф. общей и клинической биохимии, д.м.н. С.С. Осочук

2014 г.

ДНК РНК

Cholesterol-inform.ru

Термин нуклеиновые кислоты был введен профессором Лейпцигского университета Рихардом Альтманом в 1889 г. Происходит от латинского слова nju:klɪəs – ядро.

Являются небелковой частью сложных белков - нуклеопротеидов и подразделены на ДНК и РНК

Функции:ДНК – хранение и передача генетической информации

РНК - хранение, передача и реализация генетической информации а так же структурная и каталитическая функция

Локализация в клетке:ДНК – ядро и митохондрии;РНК – ядро, митохондрии цитозоль.


Представлена гистоновыми и негистоновыми белками Гистоновые белки: объединены в группу по наличию положительного

заряда . Имеют высокое содержание лизина и аргинина и не имеют триптофана. Описаны пять типов гистонов, названных H1, H2A, H2B, H3, H4 и Н5.

Функции: компактизация ДНК(Благодаря гистонам 46 молекул ДНК генома

человека общей длиной около 2 м, помещаются в ядре клетки диаметром 10 мкм).

Регуляция активности ДНК(обеспечение доступности или блокирование её для РНК-полимераз и других клеточных ферментов)

Негистоновые белки: Общее свойство - отрицательный заряд. Группа насчитывает около 450 белков с молекулярной массой от 5-200 кД. Белки разнородны по растворимости, силе связывания с хроматином и функции, поэтому их классификация затруднена, а сами белки недостаточно изучены. Наиболее подробно изучены т.н. белки с высокой подвижностью (HMG - high mobility group, или «белки Джонса»). Они выступают как регуляторы транскрипционной активности. К негистоновым белкам относят также ферменты, участвующие в метаболизме нуклеиновых кислот (ДНК-полимеразы, ДНК-топоизомеразы, метилазы ДНК и РНК, РНК-полимеразы, РНКазы и ДНКазы и т.д.), белков хроматина (протеинкиназы, метилазы, ацетилазы, протеазы и др.) и многие другие.

Функции: Реализация генетической информации (синтез РНК и белков) Репарация повреждений нуклеиновых кислот (устранение

повреждений нуклеиновых кислот возникших при жизнедеятельности клетки). Cholesterol-inform.ru

Рибосомные РНК

м-РНК Главные виды клеточных РНК

т-РНК

РНК минорных РНП – «малые РНК» (до 300 нуклеотидов):

малые ядерные РНК (snRNA):

U1-U7 РНК сплайсмосом.

U8-U13 РНК, 7SK РНК и др. с неизвестными функциями:

малые цитоплазматические РНК (sсRNA):

7SL РНК сигнал-узнающие частицы (SRP),

Ro (Y1-5) РНК и др. с неизвестными функциями;

малые вирусные РНК:

VA I, II РНК аденовируса,

EBER 1, 2 РНК вируса Эпштейн-Барр,

HSUR 1-7 РНК герпес-вируса.

РНК-теломеразы (160 нуклеотидов, вкл. AACCCU[ (AGGGTT)n]) (синтез теломерных последовательностей ДНК).

Антисмысловые РНК-репрессоры.

Рибозимы.

Вироиды и другие суб-вирусы.

Вирусные РНК.Cholesterol-inform.ru

В 1968 г американский микробиолог Карл Вёзе высказал гипотезу Мира РНК как одного из ранних этапов развития жизни на земле. Такая последовательность развития жизни во многом возможна благодаря каталитической функции РНК

(D.L. Robertson and G.F. Joyce (1990) Selection in vitro of an RNA enzyme that specifically cleaves single-stranded DNA. Nature 344: 467-468.

Reviewed in: T.R. Cech and B.L. Golden (1999) Building a catalytic active site using only RNA. In The RNA World, 2nd Edition (Eds. R.F. Gesteland et al.), CSHL Press, New York.)

Phosphodiester bond hydrolysis

Transesterification (concerted phosphodiester bond cleavage-ligation )

Ligation of RNA chains

Polymerization of ribonucleotides from NTPs on an RNA template

Alkylation of nucleosides and nucleotides

Synthesis of aminoacyl adenylates from amino acids and ATP

Aminoacylation of nucleotides and tRNA

Amide (peptide) bond formation between amino acids

Transpeptidation

Carbon-carbon bond formation Cholesterol-inform.ru

Ротовая полость: Нуклеазы:

кислая РНК-аза (60мкг в сутки)

щелочная РНК-аза (45 мкг в сутки) замедляют рост и размножение

2 изоформы ДНК-аз (2-4 мкг в сутки) бактерий и вирусов

Тонкий кишечник: Нуклеазы панкреатического происхождения:

ДНК-азы, РНК-азы, нуклеазы способные разрушать как ДНК, так и РНК (эндонуклеазы и 5/- или 3/-экзонуклеазы) эндонуклеазы расщепляющие строго определенные нуклеотидные последовательности и не предъявляющие требований к нуклеотидной последовательности, расщепляющие одноцепочечные и двухцепочечные последовательности нуклеотидазынуклеозидазы


ускоряют созревание эпителия тонкой кишки (в том числе при инфекционных и других повреждениях), повышают активность дисахаридаз, снижают зависимость энтероцитов от экзогенного глутамата.

у детей раннего возраста эндогенный синтез нуклеотидов затруднен вследствие незрелости органов и систем, поэтому ребенок должен получать нуклеотиды с пищей

при вскармливании смесями с нуклеотидами улучшается всасывание железа в кишечнике, липидный обмен

участвуют в формировании нормальной микрофлоры кишечника


Распад пуриновых нуклеотидов

Все эти алкалоиды оказывают возбуждающее влияние на ЦНС, наиболее выраженным действием обладает кофеин, в наименьшей степени – теобромин. Теофиллин сильнее стимулирует сердечную деятельность.Головной мозг располагает аденозиновыми рецепторами, тормозящими возникающие нервные импульсы. Кофеин, обладая схожим с аденозином строением, препятствует связыванию аденозина и, тем самым активирует деятельность нервной системы, при этом активируется выработка АКТГ и, как следствие стрессорных гомонов, приводящих организм в состояние повышенной готовности к действию.


1.Фосфорибозилирование свободных пуриновых оснований

аденозинфосфорибозилтрансфераза – перенос фосфорибозилпирофосфата на аденин с образованием АМФ

гипоксантин-гуанин-фосфорибозилтрансфераза (более активна) – фосфорибозилирует ксантин и гуанин с образованием ИМФ и ГМФ

2.Фосфорилирование пуриновых нуклеозидов (нуклеозидкиназы – наиболее активна аденозинкиназа).


Пути регенерации пиримидиновых нуклеотидов


(1)– аденилосукцинатсинтаза, (2) – аденилосукциназа,

(3) – ИМФ-дегидрогеназа,


Регуляция – Тимин ингибирует рибонуклеотидредуктазу, Цитидиловая кислота ингибирует аспартаткарбомоилтрансферазу

(1)- цитозольная карбомоилфосфатсинтаза,

(2) – аспартаткарбамоил-трансфераза,

(3) – дигидрооротаза, (4) – дигидрооротатдегидрогеназа, (5) – оротатфосфорибозил- трансфераза, (6) - декарбоксилаза

оротидиловой кислоты.


Подагра - увеличение активности фосфорибозилпирофосфат- синтазы, частичная потеря активности гуанин-гипоксантин-фосфорибозилтрансферазы, массивное разрушение клеток при псориазе, раке и др., увеличение реабсорбции мочевой кислоты в почках

Синдром Леша - Нихена - полное отсутствие гуанин-гипоксантин-фосфорибозилтрансферазы

Оротацидурия

I-тип: Утрачивается функция 2-х ферментов:

а) оротат-фосфотидилтрансферазы и

б) оротидилатмонофос-фатдекарбоксилазы

Ксантинурия - снижением активности фермента ксантиноксидазы


СТАДИИ:ИнициацииЭлонгацииТерминации

НЕОБХОДИМЫЕ КОМПОНЕНТЫ:Инициаторный белокДНК-хеликазаДНК-гиразаДНК-стабилизирующий белок (SSB)ПраймазаПолный набор нуклеотидовДНК-полимераза IIIДНК-полимераза IДНК-лигаза


ИНИЦИАЦИЯПроисходит одновременно во многих точках ДНК (в клетке человека таких точек насчитывается около 60 000).

Участок начала репликации у человека называют репликоном, они обогащены А-Т последовательностями.

1.Инициаторный белок находит точки начала репликации, присоединяется к ним, обеспечивает «плавление» ДНК и разрыв водородных связей между А и Т.

2.К репликону присоединяется ДНК-гираза (устраняет отрицательные супервитки ДНК при ее раскручивании и ДНК-хеликаза (ДНК-расплетающий белок)

3.SSB-белок (ДНК-стабилизирующий белок) – предотвращают повторное образование водородных связей между комплементарными нуклеотидами.

4.Образуются, вначале репликационные глазки, далее репликационные пузыри, состоящие из 2-х репликационных вилок.


Один из современных антибиотиковЦипрофлоксацин (фторхинолоны) – ингибитор ДНК-гиразы

СТАДИИ:ИнициацииЭлонгацииТерминации

НЕОБХОДИМЫЕ КОМПОНЕНТЫ:РНК-полимераза (ДНК-зависимая РНК-полимераза, транскриптаза);ДНК-матрица;АТФ,ГТФ,УТФ,ЦТФ;Терминирующие белковые ρ-факторы

Характеристика РНК-полимеразПрокариоты

Наиболее изучена РНК-полимераза E.Coli – состоит из 2-х одинаковых α-субъединиц (м.м.36 KD), 2-х разный β и β/ -субъединиц (м.м.151 и 155KD), ω-субъединицы (м.м.11KD) и δ-субъединицы (м.м37KD). δ-субъединица распознает промотор (участок ДНК обогащенный АТ-последовательностями)α-субъединицы – инициируют транскрипцию,β и β/ -субъединицы – осуществляют элонгацию цепи РНК Cholesterol-inform.ru

Эукариоты

Выделены и охарактеризованы 3 РНК-полимеразы с молекулярной массой от 500 до 600KD). Они имеют 4 субъединицы аналогичные прокариотам. В отличие от прокариот имеют 5 дополнительных общих для всех 3 типов РНК-полимераз субъединиц и ряд дополнительных субъединиц отличающихся у всех ферментов. До настоящего времени классифицирование этих субъединиц не проведено.

РНК-полимераза-I - ответственна за синтез предшественника 5,8S, 18S и 28S рРНК

РНК-полимераза-II – основной фермент синтезирующий матричную РНК.

РНК-полимераза-III - катализирует преимущественно синтез т-РНК, 5S-РНК и ряд минорных РНК со специфическим функциями.

ρ-фактор

Белок имеющий четвертичную структуру, обладающий АТФ-азной активностью. Он способен связываться с 5'-концом синтезируемой РНК длиной около 50 нуклеотидов. Cholesterol-inform.ru

α-аманитин – ингибитор РНК-полимераз. РНК-полимераза II – наиболее чувствительна, РНК-полимераза III – менее чувствительна, РНК-полимераза I – не чувствительна к α-аманитину.


Участок ДНК, подвергающийся транскрипции у эукариот- транскриптон, у прокариот – оперон (300 - 10 11нуклеотидов)

Структура оперона

Р – промотор – место присоединения РНК-полимеразы;

О – оператор – место присоединения белка-репрессора;

А, B, C – структурные гены (цистроны) – кодируют информацию о структуре белков;

Т – терминатор – место окончания транскрипции

Регуляторные области генов прокариот (промотор):

Блок Прибнова 5’ТАТА3’ (-10) (участвует в опозновании точки инициации РНК-полимеразой)

Область узнавания 5’ТТГАЦА3’ (-35)Cholesterol-inform.ru

Структура транскриптона

Регуляторные области генов эукариот:

ТАТА-бокс (-30) (служит в качестве сайта связывания для РНК-полимеразы)

СААТ-бокс (-80-50) (располагается на 100-150 п.н. выше ТАТА-бокса . Служит для связывания специфических белков инициации)

GC-мотивы (-50-100) (повторы располагающиеся перед структурными

генами, используются как начало считывания информации)

Энхансеры (-1000-20000) (через ряд белков посредников увеличивают

активность синтеза РНК)

Сайленсоры (-1000-20000) (место связывания белков-репрессоров

снижающих активность синтеза и \ли прекращающие его вовсе)

Цис-элементы (-300-400) (место связывания регуляторных белков)

Инициация

δ-субъединица РНК-полимеразы узнаёт промотор, накрывая 40-60 пар нуклеотидов с повышенным количеством А-Т участков. Центры А-Т участков располагаются в положении 10 и 35. Колебание между центрами не более чем в 16-19 пар нуклеотидов. Изменение этого расстояния приводит к невозможности опознавания промотора РНК-полимеразой. Прочность связывания обеспечивается σ-фактором

α-субъединица встраивает первый нуклеотид (у всех РНК пуриновый)

На этапе инициации действуют антибиотики рифамицин, рифампицин и актиномицин-D.


ЭлонгацияПри отделении σ-фактора остается кор-фермент осуществляющий встраивание рибонуклеотидов в полирибонуклеотидную цепь в направлении антипараллельном цепи ДНК (5/-3/)

На этом этапе процесс элонгации ингибируется антибиотиком стрептолигидином. Терминация

Завершение синтеза РНК наступает при встрече с терминатором, который может быть ρ-независимым (I тип) и ρ-зависимым (II-тип). При I типе терминатор состоит из палиндромов (нуклеотидные последовательности читающиеся одинаково в обоих направлениях и имеющие значительное количество Г-Ц повторов) (ароза упала на лапу азора). Считывание палиндромов приводит к образованию «Шпильки» (спирализованная область РНК с повышенным количеством Г-Ц пар) снижающих прочность связывания комплекса с ДНК. При образовании «Шпильки» синтезированная РНК отделяется от ДНК.


Поскольку в в терминаторе много Г-Ц-пар (с тремя водородными связями), в области терминатора РНК-полимераза замедляет скорость движения, ρ-фактор ее догоняет, изменяет конформацию и синтез РНК прекращается.

Кор-фермент отделяется от ДНК-матрицы и, связавшись с новой молекулой сигма-фактора, приступает к синтезу новой молекулы РНК.

ρ-зависимые терминаторыБелковый ρ-фактор связываться с 5'-концом синтезируемой РНК длиной около 50 нуклеотидов и движется по РНК со скоростью движения РНК-полимеразы по ДНК.


биосинтез нуклеиновых кислот и белков

Documents