Учреждение образования

”ПОЛЕССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ“

Факультет биотехнологический

Кафедра биохимии и биоинформатики

Управляемая самостоятельная работа № 1

на тему:

Биосинтез нуклеиновых кислот (репликация и транскрипция)

Подготовил					Децук Валерия Петровна
Студент 2 курса, гр.22БХ-1		(подпись) __________________2023

Проверил		Аль Меселмани Моханад Али
Доцент	(подпись) ___________________2023

ПИНСК 2023

ОГЛАВЛЕНИЕ

Глава 1. Синтез днк (Репликация) 3

Глава 2. Синтез рнк (Трансляция) 9

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 13

Глава 1. Синтез днк (Репликация)

Молекула ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей, объединённых в единую молекулу за счёт многочисленных водородных связей, возникающих между комплементарными азотистыми основаниями сближенных в пространстве мононуклеотидов (уотсон-криковские пары)

ДНК локализуется в ядре клеток в комплексе с определёнными ядерными белками, формируя особую субстанцию - хроматин. Хроматин состоит из 60 % белка, 35 % ДНК и 5 % РНК. В хроматине ДНК, объединяясь с белками гистонами, формируют нуклеосомы.

Функция ДНК заключается в хранении генетической информации. При деленииклетки каждая из дочерних клеток получает точную копию ДНК материнской клетки. Процесс удвоения ДНК называется репликацией.

Рисунок 1 – Репликация ДНК

Для того чтобы произошел процесс репликации, необходимо, чтобы отдельные нити молекулы ДНК расплелись и на каждой из них, как на матрице, произошло построение комплементарной дочерней полинуклеотидной цепи. Подобный тип репликации получил название «полуконсервативный».

В нем участвует множество различных белков, прежде всего ДНК-полимеразы. Каждая мономерная единица, присоединяющаяся к растущей цепи, находится в форме дезоксирибонуклеозид-5*-трифосфата (дНТФ): фосфатная группа, связанная с 5'-углеродным атомом дезоксирибозы, обозначается буквой а, к ней присоединены β-фосфат и далее - γ-фосфат.

В ходе репликации β- и γ-фосфатные группы отщепляются в виде пирофосфата, a α-фосфатная группа связывается с 3'-ОН-группой последнего нуклеотида растущей цепи.

С интез ДНК идет в направлении 5'→3', поскольку рост цепи ДНК идёт за счёт формирования фосфодиэфирной связи между 3*-кислородом растущей цепи и α-фосфатом дНТФ.

Каждая из цепей ДНК служит матрицей для синтеза комплементарной цепи. Комплементарность оснований противоположных цепей гарантирует идентичность новосинтезированной и исходной ДНК.

Синтез дочерней молекулы ДНК осуществляется ферментом ДНК-зависимая ДНК-полимераза (или просто ДНК-полимераза). Этот фермент представляет олигомерный белок - металлофермент. В состав его активного центра входят два иона магния Mg²⁺, электростатически удерживаемые боковыми радикалами аспарагиновых кислот.

Ф ермент ДНК-полимераза не может самостоятельно инициировать новый (de novo) синтез цепи. Для этого ей нужно, чтобы уже существовала цель или ДНК, или РНК, которая называется праймер.

Праймер синтезирует фермент ДНК-праймаза (DNA primase). Когда уже есть праймер, спаренный с матричной нитью ДНК, тогда ДНК-полимераза катализирует реакцию присоединения к гидроксильной группе на 3'-конце праймера того дНТФ, который закодирован в матричной цепи.

Для того чтобы дуплекс ДНК мог работать как матрица в процессе репликации, две его нити должны быть расплетены (или ещё говорят, расплавлены, melted), чтобы обеспечить доступ к нуклеиновым основаниям тех дНТФ, из которых ДНК-полимераза формирует дочернюю нить. Это расплетение, используя знергию гидролиза АТФ, производят ферменты геликазы (helicase). Расплетение начитнается со специфических последовательностей в ДНК, которые называются началом репликации (replication origin) или просто ориджином (ог). Последовательности нуклеотидов в ориджинах разных организмов сильно варьируются, хотя они имеют и общее свойство - в ориджинах повышенная концентрация А-Т пар. В таких областях меньше водородных связей между нитями ДНК, и поэтому «легче» осуществлять «плавление» (расплетение) Д НК.

Как только геликаза расплетёт дуплекс, фермент праймаза (специализированная РНК-полимераза) синтезирует короткий РНК-праймер, комплементарный расплетённому участку матричной цепи. Спаренный с ДНК праймер затем удлиняется ДНК- полимеразой, формируя дочернюю цепь.

Область ДНК, в которой собраны все эти ферменты для синтеза дочерних цепей, называется репликационная вилка (replication fork) или вилка роста.

В ходе репликации репликационная вилка и ассоциированные с нею белки удаляются от ориджина, что сопровождается ростом торсионных напряжений в ДНК.

Эти напряжения снимаются ферментом топоизомераза (topoisomerase).

Для того чтобы процесс репликации протекал непрерывно и ДНК-полимераза перемещалась и копировала дуплекс ДНК, геликаза должна непрерывно расплетать дуплекс, а топоизомераза должна удалять образующиеся суперспирали.

Главная проблема при «обработке» ДНК репликационной вилкой вытекает из двух факторов:

1. две нити родительской ДНК антипараллельны;

2. ДНК-полимераза катализирует рост дочерней цепи только в направлении 5'3'.

Синтез дочерней цепи, которая называется лидирующая цепь (leading strand), может происходить непрерывно, начиная с единственного праймера в 5'3' направлении, то есть в том направлении, в котором перемещается репликационная вилка.

Проблемы возникают при синтезе другой дочерней цепи, которая называется запаздывающей (lagging strand).

Поскольку рост запаздывающей цепи должен происходить в 5'3' направлении, копирование матрицы должно осуществляться в направлении противоположном движению репликационной вилки.

Клетка решает эту проблему, синтезируя новые праймеры, через каждые несколько сотен оснований на матричной цепи, по мере того, как дуплекс расплетается, и всё 5' более оснований освобождаются при распределении.

Каждый из этих праймеров, спаренный с матричной цепью, удлиняется в 5'→3' направлении, образуя непрерывные сегменты, которые называются фрагменты Оказаки).

РНК-праймер каждого фрагмента Оказаки удаляется и замещается цепью соседнего растущего фрагмента Оказаки.

Фермент ДНК-лигаза (DNA (gase) сшивает соседние фрагменты.

После расплетения уже небольшого участка молекулы ДНК, к каждой освободившейся полинуклеотидной цепи присоединяются молекулы ДНК-связывающего белка (single-stranded-binding protein, SSB), препятствующего обратному соединению комплементарных пар азотистых оснований.

ДНК-полимераза надёжно зафиксирована на нити ДНК белковым скользящим захватом (siding clamp).

Р асплетение цепей ДНК идёт с очень большой скоростью. Экспериментально установлено, что угловая скорость вращения расплетающихся полинуклеотидных цепей близка к 4500 об/мин. Настолько большая скорость создаёт реальную угрозу для механического повреждения хрупкой молекулы ДНК Защита ДНК и всей хромосомы от высокой скорости вращения обеспечивается ферментом молеизомераза. Этот фермент производит временный разрыв одной из полинуклеотидных цепей в непосредственной близости от участка расплетения, после чего вновь сшивает ее.

В клетках существует несколько разновидностей ДНК-полимераз, хотя не все они принимают участие в удвоении ДНК.

Помимо этих ферментов, в репликации участвуют ещё более двух десятков белковых факторов, которые объединяются в единую ДНК-репликазную систему.

Процесс репликации характеризуется высокой степенью точности матричного синтеза. В большей мере это обусловлено многофункциональностью ДНК-полимеразы.

Этот фермент не только обеспечивает рост дочерней полинуклеотидной цепи, но и «проверяет» правильность встраивания в неё мононуклеотидов.

ДНК-полимераза «обнаруживает» неправильно встроенные мононуклеотиды, вырезает их и встраивает на их место новые, «правильные» мононуклеотиды. Благодаря этому, частота появления ошибок в процессе синтеза дочерней полинуклеотидной цепи составляет не более чем 1 на 1010 нуклеотидных пар, что обеспечивает высокую точность копирования генетической информации, а значит и возможность сохранения генетического постоянства вида.