1. Метаболизма; функция и характеристика. Метаболические пути и метаболиты.
2. Основные этапы метаболизма биополимеров и макромолекул.
3. Катаболизм пуриновых оснований.
4. Катаболизм пиримидиновых оснований.
5. Анаболизм нуклеотидов.
6. Биосинтез пуриновых мононуклеотидов.
7. Биосинтез пиримидиновых мононуклеотидов.
8. Биосинтез нуклеозидтрифосфатов.
Нуклеозидтрифосфаты
образуются при участии АТФ из
нуклеотид-монофос- фатов (НМФ) в
результатедвух последовательнопротекающих
реакций фосфорилирования:
Уридинмонофосфат (УМФ) служит предшественником для трифосфонуклеотидов УТФ и ЦТФ. Причем, образованиеУТФ происходит в описанныевыше две стадии фосфорилирования, а ЦТФ образуется из УТФ путем аминирования в положении 4 пиримидинового кольца.
Предшественником
ГТФ и АТФ является инозин-5 –монофосфат
(ИМФ). В обоих случаях сначала модифицируется
гипоксантиновоекольцо ИМФ с образованием
соответствующих монофосфонуклеотидов
ГМФ и АМФ, которые затем фосфорилируются.
9. Биосинтез дезоксирибонуклеотидов.
Синтез начинается не со свободной дезоксирибозы, а путем прямого восстановления рибонуклеотидов у 2'-го атома углерода. Синтез осуществляется при помощи сложной ферментативной системы (состоящей как минимум из 4 ферментов). Источником водорода для восстановления рибонуклеотидов служит белок тиоредоксин, он содержит две SH группы которые легко окисляются и образуют дисульфидную S-S-форму.
Их образование протекает в три реакции:
1. В начале процесса происходит дефосфорилирование рибонуклеозидтрифосфатов с образованием АДФ, ГДФ, ЦДФ, УДФ.
2. Далее фермент рибонуклеозид-редуктаза восстанавливает АДФ, ГДФ, ЦДФ, УДФ до дезоксирибонуклеозиддифосфатов dАДФ, dГДФ, dЦДФ, dУДФ.
3.После
образования dАДФ, dГДФ, dЦДФ фосфорилируются,
а dУДФ используется для синтеза
тимидилового нуклеотида.
10. Синтез нуклеиновых кислот.
Синтез нуклеиновых кислот – это репликация и транскрипция.
Репликация.
Идет по «полуконсервативному пути синтеза». Каждая из цепей ДНК служит матрицей для синтеза комплементарной цепи. Комплементарность оснований противоположных цепей гарантирует идентичность новосинтезированной и исходной ДНК.
Начало синтеза запускает фермент топопизомераза, она участвует в образовании и уничтожении сверхсперализации ДНК. Расплетение цепей ДНК идёт с очень большой скоростью, что создаёт угрозу для механического повреждения молекулы ДНК. Защита ДНК и всей хромосомы от высокой скорости вращения обеспечивается так же топоизомеразой. Этот фермент производит временный разрыв одной из полинуклеотидных цепей в непосредственной близости от участка расплетения, после чего вновь сшивает её
После, фермент хеликаза раскручивает (расплетает, плавит) двойную спираль ДНК. Расплетение начинается со специфических последовательностей в ДНК, которые называются началом репликации или просто ориджином (ori). 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) ДНК.
В это же время фермент ДНК-праймаза на матричной цепи ДНК синтезирует праймер. Он необходим для присоединения фермента ДНК – зависимая ДНК-полимеразы, так как самостоятельно она этого сделать не может.
Синтез ДНК идёт в направлении 5'→3', поскольку рост цепи ДНК идёт за
счёт формирования фосфодиэфирной связи между 3'-кислородом растущей цепи и α -фосфатом дНТФ.
Так как фермент хеликаза работает быстрее чем ДНК-полимераза то возникает проблема того, что разъединённая цепь может заново комплементарно соединиться. Что бы этого не происходило к каждой освободившейся полинуклеотидной цепи присоединяются молекулы ДНК-связывающего белка (SSB), препятствующего обратному соединению комплементарных пар азотистых оснований.
Область ДНК, в которой собраны все эти ферменты для синтеза дочерних цепей, называется репликационная вилка 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.
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:
две нити родительской ДНК антипараллельны;
ДНК-полимераза катализирует рост дочерней цепи только в направлении 5'→3'.
Синтез дочерней цепи, которая называется лидирующая цепь, 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.
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 более оснований освобождаются при расплетении.
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 ДНК- цепью соседнего растущего фрагмента Оказаки.
Фермент ДНК-лигаза сшивает соседние фрагменты.
Помимо этих ферментов, в репликации участвуют ещё более двух десятков белковых факторов, которые объединяются в единую ДНК-репликазную систему.
Транскрипции
В результате транскрипции синтезируются три основных типа РНК:
рибосомальные РНК (рРНК), из которых ассемблируется (собирается) рибосома;
транспортные РНК (тРНК), которые обеспечивают перенос аминокислот к рибосомам для синтеза полипептидных цепей белков;
матричные РНК (мРНК), которые содержат информацию о первичной структуре полипептидных цепей белков и используются рибосомами для матричного синтеза этих полипептидов.
В качестве матрицы в процессе транскрипции используется только одна из двух полинуклеотидных цепей ДНК.
Катализатором образования полинуклеотидной цепи РНК является фермент ДНК- зависимая РНК-полимераза (РНК-полимераза).
В клетках существует три основные разновидности ДНК-зависимой РНК-полимеразы:
тип I – локализуется в ядрышке и участвует в синтезе рРНК (РНК-полимераза I);
тип II – локализуется в нуклеоплазме и принимает участие в синтезе мРНК (РНК- полимераза II);
тип III – локализуется в нуклеоплазме и принимает участие в синтезе тРНК (РНК- полимераза III).
В отличие от ДНК-полимеразы, для начала синтеза РНК ферменту РНК-полимераза не нужен праймер.
РНК-полимераза присоединяет мононуклеотиды растущей полинуклеотидной цепи в строго определённом направлении – от 5' конца к 3' концу.
Транскрипция происходит в три стадии:
инициация (начало синтеза полинуклеотидной цепи РНК);
элонгация (рост полинуклеотидной цепи);
терминация (завершение синтеза РНК).
Инициация транскрипции. В ходе инициации транскрипции РНК-полимераза распознаёт промотор – специфическую последовательность пар нуклеотидов в двойной спирали ДНК – и связывается с ним.
Для нахождения промотора и инициации трансляции необходимо присутствие специфических белков, которые называются факторы транскрипции.
После связывания с промотором РНК-полимераза расплетает ДНК для того, чтобы освободить нуклеиновые основания матричной цепи ДНК для спаривания с рибонуклеозидтрифосфатами (НТФ, NTP). Всего РНК-полимераза «плавит» приблизительно 14 пар оснований ДНК вокруг стартовой точки транскрипции, образуя «область транскрипции» .
На стадии элонгации РНК-полимераза перемещается по ДНК «пошагово», на один нуклеотид за один шаг, расплетая спираль ДНК впереди по направлению движения, и восстанавливая двойную спираль ДНК сзади. Примерно 8 нуклеотидов на 3'-конце растущей РНК остаются спаренными с нуклеотидами матричной цепи ДНК в области транскрипции, образуя ДНК-РНК гибридную область.
Процесс элонгации РНК регулируется различными факторами. Например, одним из ингибиторов элонгации является антибиотик актиномицин D.
Последний этап транскрипции терминация, – при котором синтезированная РНК, или первичный транскрипт, освобождается от РНК-полимеразы, а сама полимераза диссоциирует с матричной ДНК. Определённая последовательность пар нуклеотидов ДНК – терминатор – сигнализирует полимеразе об окончании транскрипции. Освобождённая полимераза может сразу же приступать к транскрипции этого же или другого гена.