Обмен веществ

Обмен веществ

Матричные биосинтезы. Обмен нуклеиновых кислот

Виды: транскрипция, трансляция, репликация, обратная транскрипция. Репликация ДНК - это биосинтез ДНК на матрице ДНК. Транскрипция - это биосинтез РНК на матрице ДНК.

Трансляция - это биосинтез белка на матрице РНК.

Обратная транскрипция - это биосинтез ДНК на матрице РНК. Репликация РНК - для некоторых РНК-вирусов.

Синтез белка

Репликация ДНК

Протекает по полуконсервативному механизму. В результате репликации образует 2 двухцепочечные ДНК, каждая из которых содержит 1 цепь родительскую (материнскую) и 2 - новосинтезированную, построенную по принципу комплементарности.

Условия, необходимые для репликации:

1.​ Наличие матрицы (двухцепочечная ДНК)

2.​ Исходные вещества - субстраты (нуклеотиды - АТФ, ГТФ, ЦТФ, ТТФ). При присоединении к растущей цепи эти нуклеозидтрифосфаты отщепляют остаток фосфорной кислоты в виде пирофосфата (Н4Р2О7).

3.​ Источники энергии - сами субстраты (при их присоединении извлекается энергия за счет гидролиза фосфоэфирной связи, которая тратится потом на образование фосфодиэфирных связей) и некоторое количество АТФ (энергия затрачивается на расплетение ДНК).

4.​ Ферменты репликации (ДНК-полимераза, лигазы, хеликазы, праймазы, токоизомеразы). 5.​ Белки неферментные (для прокариот - SSB-белки - белки, имеющие сродство к

одноцепочечной ДНК, которые удерживают цепи ДНК в расплетенном состоянии и стабилизируют тем самым репликативные белки).

Репликация на примере прокариот

У них 3 вида ДНК-полимераз: ДНК-полимераза I, II, III. Вторая вообще не участвует в репликации ДНК. Она участвует в репарации ДНК - устранении повреждений ДНК, восстановлении повреждений.

Третья - главный элемент репликации у прокариот, а первая расщепляет праймеры и застраивает образовавшиеся после праймера бреши ДНК-нуклеотидами.

Этапы репликации:

1 этап - Инициация.

Суть этапа - сборка репликативного аппарата.

Начинается с ориджин (точек ори), это АТ - богатые участки. Топоизомеразы нагнетают суперспирализацию ДНК. Как только разошлись цепи ДНК в точке ори, на эти одноцпочечные участки (репликативные вилки) сели SSB-белки, которые удерживают их в раскрытом состоянии. Праймаза на одной из цепей строит РНК-праймер в направлении 5-3. Сюда ещё присоединяется хеликаза - фермент, который будет продвигать реаликативную вилку, то есть осуществлять дальнейшее плавление ДНК. Именно этот фермент делает это с использованием АТФ (он разрывает водородные связи, плавя ДНК, с использованием энергии АТФ).

2 этап - Элонгация.

ДНК-полимераза III удлиняет праймер ДНК-нуклеотидами в направлении 5-3. Цепь, которую она строит - Лидирующая, строится непрерывно. Одновременно на второй родительской цепи на некотором расстоянии друг от друга синтезируются праймазой РНК-праймеры в направлении 5-3. ДНК-полимераза удлиняет эти праймеры ДНК-нуклеотидами в направлении 5-3. Такие участки называются фрагменты Оказаки. Впоследствии они будут модифицированы и сошьются в единую цепь - Отстающую или запаздывающую. Дальше начинает работать ДНК-полимераза I, она расщепляет РНК-праймеры и на их место ставит ДНК-нуклеотиды. Далее лигаза сшивает фрагменты Оказаки и теперь обе дочерних цепи становятся непрерывными.

3 этап - Терминация.

Это окончание репликации, происходит либо при встрече репликативных вилок, либо по достижении конца хромосомы. Топоизомеразы (релаксазы) вносят одноцепочечный разрыв,

перекручиваются концы относительно неразорванного участка, и тем самым снимается суперспирализация, это способствует расхождению дочерних молекул. Концы вновь сшиваются топоизомеразой. При этом расходятся 2 двухцепочечная ДНК, которые являются абсолютными копиями друг друга.

Принципы репликации:

1.​ Полуконсервативность 2.​ Однонаправленность (синтез и ведущей и отстающей цепей идёт только в направлении

5-3, а матрица имеет противоположное направление) 3.​ Комплементарность

4.​ Репликативная репарация - у ДНК-полимеразы есть функция самокоррекции, так как в ней есть 2 активных центра - 1 центр - полимеразный, который строит цепь, но если он ошибается, активируется 2 центр - нуклеазный, который гидролизует (отщепляет)

неправильно поставленный нуклеотид, и затем полимеразный центр ставит на это место правильный.

Репликация происходит в синтетическую фазу.

Транскрипция

Транскрипция - это первый этап реализации генетической информации (первый этап экспрессии генов - формирования фенотипических признаков согласно генетическому материалу).

Условия, необходимые для транскрипции:

1.​ Матрица - участки молекулы ДНК (единицы транскрипции).

У прокариот единицей транскрипции является оперон. П - промотор, Т - терминатор, О - оператор, Ц - цистрон. Промотор - область начала транскрипции, которая узнается РНК-полимеразой. В промоторе есть ТАТА-бокс (АТ-богатая последовательность), здесь происходит локальное плавление ДНК. Транскрибируется только 1 цепь оперона - матричная, имеет направление 3-5, а антипараллельная ей называется смысловая, 5-3. Терминатор - область окончания транскрипции, в нем есть палиндромы (шпильки в обеих цепях). Терминаторы - ГЦ-богатые последовательности, которые плавятся хуже, поэтому здесь Транскрипция тормозится.

Оператор - участок, с которым взаимодействуют регуляторные белки, которые разрешают (белки-активаторы) или запрещают транскрипцию (белки-репрессоры). Оператор есть не во всех оперонах. Конститутивные белки - белки, которые должны постоянно быть в клетке (белки, отвечающие за энергетический обмен, синтез белка). *Индуцибельные белки - синтезируются в ответ на меняющиеся условия. Оператор является индуцибельным.

У эукариот единицей транскрипции является 1 ген - транскриптон. Ген - последовательность в ДНК. Во внутренней части транскриптона наблюдается чередование кодирующих (экзонов) и некодирующих участков (интронов). Каждый ген начинается экзоном и заканчивается экзоном. Чередование экзонов и интронов - мозаичное строение гена. Как правило, 1 ген кодирует 1 белок.

2.​ В ходе транскрипции у всех транскрибируется только 1 цепь - 3-5. 3.​ Субстратами являются АТФ, ГТФ, УТФ, ЦТФ,

4.​ Источники энергии - сами субстраты, так как они являются макроэргами. При расщепление макроэргической связи высвобождается энергия, которая затрачивается на присоединение нуклеотида к растущей цепи.

5.​ Ферменты - ДНК-зависимая-РНК-полимераза.

6.​ Белки - регуляторные (регулируют активность РНК-полимеразы).

Этапы:

1 этап - Инициация Сборка репликационного комплекса. РНК-полимераза узнает промотор, присоединяется к нему,

в области ТАТА-бокса промотора происходит локальное плавление ДНК. И далее

РНК-полимераза ставит первый нуклеотид синтезированной ДНК по принципу комплементарности, всегда пуриновый.

2 этап - Элонгация РНК-полимераза наращивает рибонуклеотидами цепь в направлении 5-3 по принципу

комплементарности. Наращивание продолжается до достижения терминатора. Когда РНК-полимераза подходит к терминатору, она наталкивается на ГЦ-богатые палиндромы. 3 этап - Терминация Достигая терминатора, РНК-полимераза замедляется из-за ГЦ-богатых палиндромов, и

напротив палиндрома у РНК синтезируется шпилька. Она изменяет конформацию РНК-полимеразы и она теряет сродство к матрице (ДНК). РНК отсоединяется.

Продуктом транскрипции является РНК, имеющая направление 5-3, являющаяся комплементарной копии того участка, который транскрибировался. Так построены единицы транскрипции - участки, которые кодируют белки.

Идёт во все фазы, это неостанавливаемый процесс.

Процессинг РНК (посттранскрипционные модификации)

Идёт только у эукариот. выражен у эукариот и включает 3 этапа 1)​ Кэпирование(кэп-шапочка)-модификация 5 конца мРНК. Присоединяется

модифицированный гуаниловый нуклеотид Функции-защита 5 штрих конца от экзонуклеаз(едят нуклеиновые кислоты с концов),

необходим для правильной установки мРНК на рибосомах при трансляции.

2)​ Полиаденилирование-на 3 штрих конце происходит последовательное присоединение множества(от 30-300) адениловых нуклеотидов. С помощью фермента полиаденилатполимеразы.

Функции-защита конца от 3штрихэкзонуклеах, стимулирует переход мРНК из ядра в цитоплазму Чем длиннее хвост, тем дольше живёт мРНК и больше раз может транслироваться

Гистоновые мРНК-бесхвостые(не полиаденилируются)

3)​ Сплайсинг(сшивание без узлов)-вырезание интронов и сшивание оставшихся экзонов. Процессинг мРНК-по мере прохождения процессингу становится зрелой для тРНК и рРНК процессинг выражен слабо, т.к глобальных модификация не происходит.

С опреона синтезируются полицистронные мРНК.

Перед каждым цистроном есть некодирующая-лидерная последовательность(чтоб рибосомы поняли, куда им садится)

Трансляция цистронов происходит независимо друг от друга(например синтезируются за один раз сразу 5 разных белков одного метаболическом пути)

Полицистроны мРНК, которые как правило транслируются с образованием ферментов одного метаболическом пути.

Биосинтез белка. Трансляция 1 стадия - активация аминокислот (рекогниция).

Это образование комплексов аминокислот со своими тРНК. Такие комплексы называются аминоацил-тРНК. Этот процесс происходит в 2 стадии:

Сначала АК взаимодействует с АТФ, происходит аденилирование, то есть по карбоксильной группе присоединяется АМФ. На следующей стадии происходит замена АМФ на соответствующую тРНК. АМФ отщепляется, на её место встаёт тРНК. Такой комплекс называется аминоацил-тРНК, а промежуточный комплексы АК с АМФ - аминоациладенилат. Фермент, катализирующий данный процесс - аминоацил-тРНК-синтетаза (АРС-аза).

Пример с триптофаном:

Первая стадия протекает в цитозоле.

2 стадия - трансляция на рибосомах

Трансляция происходит в соответствии с генетическим кодом. Всего 64 кодона (триплета), но из них 3 являются стоп-кодонами. 61 кодон - смысловые.

Свойства генетического кода:

1.​ Триплетность - каждый кодон состоит из 3 нуклеотидов и информация считывается по триплетам.

2.​ Специфичность - 1 кодон кодирует 1 АК 3.​ Непрерывность - кодоны считываются без пропуска нуклеотидов

4.​ Неперекрываемость - ни один нуклеотид не может входить в состав сразу 2 кодонов 5.​ Избыточность (вырожденность) - одну и ту же АК может кодировать несколько

кодонов, есть только 2 АК, которые кодируются единичными кодонами - мет (АУГ), три (УГГ). Все остальные - несколькими, от 2 до 6. Кодоны, кодирующих одну и ту же АК называются синонимические

6.​ Универсальность - генетический код един для всех организмов на Земле, исключение составляет только генетический код митохондрий и хлоропластов

Условия, необходимые для трансляции:

1.​ Матрица - мРНК, направление 5-3. Трансляция идёт всегда однонаправленно. 2.​ Субстраты - тРНК (аминоацил-тРНК).

3.​ Источники энергии - на стадии активации - АТФ, на стадии трансляции - ГТФ.

4.​ Ферменты - на стадии активации - АРС-азы, на стадии трансляции ферментов НЕТ, образование пептидных связей катализирует рРНК (у прокариот - 23SрРНК).

5.​ Белки (неферментные) - Белковые факторы трансляции, которые на каждом этапе свои: факторы инициации, элонгации и терминации. Часть из них являются ГТФ-азами (гидролазы), они расщепляют ГТФ и извлекают энергию, которая нужна на протекания этих этапов.

6.​ Рибосомы (большая и малая субъединица) - обеспечивают процесс прикрепления аминоацил-тРНК и протекания всего процесса биосинтеза. При сборке белок-синтезирующего аппарата формируются в рибосоме 3 активных центра: Р-центр - пептидильный (в нем большую часть времени находится пептидил-тРНК); А-центр - аминоацильный/аминокислоты (здесь большую часть времени находятся аминоацил-тРНК); Е-центр - каталитический центр (здесь происходит образование пептидной связи с помощью рРНК, и через него выходят тРНК, которые уже выполнили свои функции).

Трансляция у прокариот 1 этап - Инициация

Сборка белок-синтезирующего аппарата. К малой субъединице рибосомы присоединяется 5-концом мРНК таким образом, чтобы напротив будущего Р-центра встал стартовый кодон - АУГ. С помощью белковых факторов инициации к стартовому кодону по принципу комплементарности присоединяется инициаторная аминоацил-тРНК - фармил-метиотил-тРНК. Положение фармильной группы определяет направление синтеза белка, он идёт в направлении от Н-конца к Ц-концу.

Далее присоединяется большая субъединица и в рибосоме формируются активные центры. На стадии инициации затрачивается одна молекула ГТФ.

2 этап - Элонгация Наращивание цепи. 3 шага элонгации:

1 шаг - связывание новой аминоацил-тРНК с А-центром рибосомы. Затрачивается 1 ГТФ. По окончании 1 шага рибосома выглядит так:

2 шаг - Транспептидация. Фармил-метионин переносится на аминогруппу следующей аминокислоты и образуется пептидная связь. Образование пептидной связи катализирует рРНК

(23S).

3 шаг - Транслокация. Субъединица рибосомы шагает по мРНК в направлении 5-3, процесс однонаправленный строго на 1 кодон. Тем самым происходит, что дипептидил-тРНК передвигается в Р-центр. Высвободившаяся тРНК выходит из рибосомы, и А-центр освобождается. В него заходит новый кодон, на рисунке - АЦУ. На этом шаге затрачивается 1 ГТФ.

Далее происходит последовательное многократное повторение всех 3 шагов элонгации, которое обеспечивает рост полипептидной цепи в соответствии с генетическим кодом. Это происходит до тех пор, пока в рибосомы не зайдёт 1 из стоп-кодонов (УГА, УАГ, УАА), после этого наступает этап терминации.

3 этап - Терминация Терминация происходит с помощью белковых факторов терминации, которые узнают

стоп-кодон, и присоединяясь к нему, блокируют А-центр. Это стимулирует разборку белок-синтезирующего аппарата. Отщепляется синтезированный полипептид, диссоциируют

субчастицы рибосомы (отсоединяются друг от друга) и освобождается мРНК. Последняя тРНК тоже высвобождается.

На этом этапе затрачивается 1 ГТФ.

Продуктом трансляции является полипептид, который, как правило, функционально неактивен (незрелый). С этим полипептидом происходят посттрансляционные модификации: присоединение к белку групп атомов (например, гидроксилирование), ограниченный протеолиз, формирование четвертичной структуры, присоединение небелкового компонента, формирование активной конформации (пространственной структуры).

Биосинтез и распад нуклеотидов

Схему обменных процессов распечатать.

Распад нуклеиновых кислот

-​ Экзогенный - распад “чужих” кислот в ЖКТ, которые мы получаем с пищей. -​ Эндогенный - распад в клетках или тканях.

1 стадию обоих распадов осуществляют нуклеазы (ДНК-аза, РНК-аза). Нуклеазы расщепляют фосфодиэфирные связи.

Экзогенный распад

Азотистые основания синтезируются только из предшественников.

Эндогенный распад

Происходит по той же схеме, с участием таких же ферментов, только клеточных. СОСТАВИТЬ КОНСПЕКТ “РАСПАД ПУРИНОВЫХ И ПИРИМИДИНОВЫХ НУКЛЕОТИДОВ”. (2 СХЕМЫ).

Биосинтез пуриновых нуклеотидов