Биохимия в таблицах, схемах и графиках

В составе нуклеиновых кислот мононуклеотиды связаны 3’,5’- диэфирными связями между рибозами (d-рибозами) соседних мононуклеотидов через остаток фосфорной кислоты.

Первичная структура нуклеиновых кислот определяется как последовательность нуклеотидных остатков в полимерной цепи. Как многие другие биополимеры, нуклеиновые кислоты имеют ещё и вторичную структуру, под которой понимают их пространственную организацию.

Вторичная структура ДНК Молекула ДНК представляет собой правозакрученную спираль,

состоящую из двух полинуклеотидных цепей с антипараллельным ходом. Это означает, что 3’-концу одной цепи соответствует 5’-конец другой цепи и наоборот.

СТРУКТУРА ДВОЙНОЙ СПИРАЛИ ДНК

Остатки оснований направлены внутрь спирали. На один виток спирали приходится 10 пар оснований. Цепи ДНК не идентичны, так как нуклеотидный состав их различен, однако первичная структура одной цепи предопределяет нуклеотидную последовательность другой цепи, то есть они комплементарны друг другу. Это связано с существованием

комплементарных пар оснований.

81

Физико-химическую основу комплементарности составляют водородные связи, которые могут образоваться только между аденином одной цепи и тимином другой, противоположно направленной цепи (пара А-Т), и аналогично между гуанином и цитозином (пара Г-Ц).

Вторичная структура РНК несколько иная. Молекула РНК состоит из одной полинуклеотидной цепи. Отдельные участки этой цепи (до 20-30 нуклеотидных пар) могут быть комплементарны между собой и образовывают спиральную структуру за счет связей между аденином и урацилом (пара A-У) и гуанином и цитозином (пара Г-Ц). Между спирализованными участками располагаются одноцепочечные петли.

Существует несколько разновидностей РНК: матричная (mRNA), транспортная (тРНК), рибосомная (рРНК). На рисунке приведена структура тРНК, у которой спирализованные участки определяют специфическую пространственную конформацию: фигуру «клеверного листа».

ПРОСТРАНСТВЕННАЯ СТРУКТУРА ТРАНСПОРТНОЙ РНК

«Клеверный лист» — обобщенная вторичная структура, характерная для всех тРНК. Кружками обозначены нуклеотидные остатки, пунктиром — водородные связи между комплементарными основаниями. тРНК имеет на 3’-конце ССА для связывания аминокислоты, а в средней части молекулы - антикодоновый участок - последовательность нуклеотидов, обеспечивающую взаимодействие тРНК с кодоном мРНК.

82

	A 3 ′-конец
	C	Акцепторная ветвь
5 ′-конец	C
	P u r
p G
Дигидроуридиловая		T ψ C - петля
петля

P u r	A	C
	U
		G	ψ	C
G *		T
G	A

Дополнительная петля

( варьирует по размеру,

присутствует не во

всех тРНК )

P yr

U

P u r

Антикодон

СТРУКТУРНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ХРОМАТИНА

Каждая молекула ДНК упакована в отдельную хромосому. Хромосомы содержат разнообразные белки, связанные с определенными последовательностями ДНК. Все связывающиеся с ДНК эукариотов белки можно разделить на 2 группы:

1.Гистоны.

2.Негистоновые белки.

Комплекс белков с ядерной ДНК клеток называют хроматином.

УПАКОВКА ДНК И ГИСТОНОВ С ОБРАЗОВАНИЕМ ХРОМАТИНА

Нуклеиновые кислоты и белки называют информационными молекулами, так как в чередовании их мономеров заложен определенный

83

смысл. Последовательность нуклеотидов в ДНК определяет структуру всех белков клетки. Таким образом, генетическая информация, записанная в ДНК (в генотипе), обеспечивает образование фенотипических признаков клетки, то есть генотип трансформируется в фенотип. Это направление потока информации включает три типа матричных синтезов:

1)синтез ДНК – репликация,

2)синтез РНК – транскрипция,

3)синтез белка - трансляция.

РЕПЛИКАЦИЯ – матричный процесс. Во время репликации каждая из 2 цепей ДНК служит матрицей для образования новой цепи. Субстраты. Субстратами и источниками энергии для синтеза ДНК явялются дезоксирибонуклеозидтрифосфаты – дНТФ (дАТФ, дГТФ, дТТФ, дЦТФ).

Основные этапы процесса:

1)формирование репликативной вилки;

2)синтез новой цепи ДНК;

3)исключение праймеров. Завершение формирования отстающей цепи ДНК.

Формирование репликативной вилки идет при участии: ДНК-топоизомеразы, которая разрывает цепь (3,5– фосфодиэфирную связь) ДНК, а по окончании репликации зашивает временные надрезы; ДНК– хеликазы, использующей энергию АТФ для расплетания двойной спирали ДНК;

белков, дестабилизирующих спираль (или SSB– белков single strand binding). SSB– белки, не закрывая оснований, связываются с одноцепочечной ДНК и этим предотвращают образование «шпилек» и комплементарное скручивание матричных цепей.

ДНК– полимераза δ не способна инициировать синтез новых цепей ДНК, она может лишь удлинять уже имеющуюся нуклеотидную цепь – затравку (праймер). Роль затравки выполняет РНК, синтезируемая специальным ферментом ДНК-полимеразой α.

84

По завершении репликации образуются 2 молекулы двухспиральной ДНК, каждая из которых содержит одну материнскую и одну дочернюю, вновь синтезированную нить. Таким образом репликация обеспечивает воспроизведение генотипа в новых поколениях.

85

РЕПАРАЦИЯ ДНК

Поврежденные участки ДНК или ошибочно встроенные нуклеотиды удаляются в результате действия специальных эндо- и экзонуклеаз.

Образующиеся промежутки заполняются с помощью ДНКполимеразы и затем сшиваются ДНК-лигазами с исходной нитью ДНК.

Причины спонтанных повреждений:

-ошибка репликации;

-депуринизация;

-дезаминирование.

Причины индуцируемых повреждений:

- некоторые химические вещества могут алкилировать ДНК, например метилировать основания ДНК.

86

- главным нарушением, возникающим под действием ультрафиолета, является образование пиримидиновых димеров из 2 соседних пиримидинов цепи ДНК.

СИНТЕЗ РНК - ТРАНСКРИПЦИЯ

Транскрипция – синтез РНК на ДНК-матрице. Образованные первичные транскрипты мРНК, тРНК, рРНК комплементарны матричной цепи ДНК (3” ,5”- цепь).

Субстратами и источниками энергии для синтеза РНК являются рибонуклеозидтрифосфаты (АТФ, ГТФ, ЦТФ, УТФ).

Катализируют синтез РНК ферменты РНК-полимеразы.

В процессе транскрипции различают три стадии: инициацию,

элонгацию и терминацию.

Участок, с которым связывается РНК-полимераза, называется промотором. Активация промотора происходит с помощью белкового

87

фактора (ТАТА-фактор). РНК-полимераза вместе с растущей цепью РНК перемещается по матрице, пока не достигнет терминирующего кодона. В эукариотической ДНК информация, необходимая для синтеза белка, хранится на участках - экзонах, разделенных интронами – участками, не содержащими генетической информации (некодирующие участки). При транскрипции гена сначала образуется первичный транскрипт, который затем подвергается «доработке» - процессингу. Суть доработки заключается в вырезании интронов (сплайсинг) из мРНК перед трансляцией и в присоединении характерных для мРНК концевых последовательностей.

УДАЛЕНИЕ ИНТРОНОВ ИЗ мРНК

СИНТЕЗ БЕЛКА - ТРАНСЛЯЦИЯ ГЕНЕТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ

В основе передачи информации лежит биологический код – способ записи информации об аминокислотной последовательности белков с помощью последовательности нуклеотидов в ДНК или РНК.

88

	СВОЙСТВО БИОЛОГИЧЕСКОГО КОДА
Триплетность	Кодовое	число равно 3.	Три нуклеотидных остатка
	(триплет)	кодируют	одну	аминокислоту.
	Терминирующие триплеты УАА, УАГ, УГА не
	кодируют аминокислоты и являются сигналами к
	прекращению синтеза белка
Специфичность	Каждый триплет кодирует только одну аминокислоту
Вырожденность	Одну аминокислоту могут кодировать несколько (от 2
	до 6) триплетов
Универсальность	У всех видов организмов биологический код одинаков

Колинеарность Последовательность кодонов в зрелой мРНК соответствует последовательности аминокислот в синтезированном белке

Примечание. В зрелой мРНК информация записана в виде линейной последовательности кодонов (триплетов) и считывается в направлении от 5’- к 3’– концу.

БИОЛОГИЧЕСКИЙ КОД (ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ НУКЛЕОТИДОВ КОДОНА СЧИТЫВАЕТСЯ ОТ ЦЕНТРА К ПЕРИФЕРИИ)

89

ТРАНСЛЯЦИЯ

Процесс проходит в три стадии: инициация, элонгация и терминация.

ОСНОВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ БЕЛОКСИНТЕЗИРУЮЩЕЙ СИСТЕМЫ И ИХ ФУНКЦИИ В ПРОЦЕССЕ ТРАНСЛЯЦИИ

Необходимые	Функции
компоненты
Аминокислоты	Субстраты для синтеза белков
тРНК	тРНК выполняет функцию адапторов. Они акцептор-
	ным концом взаимодействуют с аминокислотами, а
	антикодоном – с кодоном мРНК
Аминоацил-	Каждая аминоацил-тРНК-синтетаза катализирует ре-
тРНК-синтетазы	акцию специфического связывания одной из 20 ами-
	нокислот с соответствующей тРНК
мРНК	Матрица содержит линейную последовательность
	кодонов, определяющих первичную структуру белков
Рибосомы	Рибонуклеопротеиновые субклеточные	структуры,
	являющиеся местом синтеза белков
АТФ, ГТФ	Источники энергии
Белковые факторы	Специфические внерибосомные белки, необходимые
инициации, элонга-	для процесса трансляции (12 факторов	инициации:
ции, терминации	еlF; элонгации: ЕF1, ЕF2; терминации: RF1, RF2, RF3)
Ионы магния	Кофактор, стабилизирующий структуру рибосом

ИНИЦИАЦИЯ ТРАНСЛЯЦИИ

90