Билет 28
28.1
Реплика́ция ДНК — процесс синтеза дочерней молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты на матрице родительской молекулы ДНК. В ходе последующего деления материнской клетки каждая дочерняя клетка получает по одной копии молекулы ДНК, которая является идентичной ДНК исходной материнской клетки. Этот процесс обеспечивает точную передачу генетической информации из поколения в поколение. Репликацию ДНК осуществляет сложный ферментный комплекс, состоящий из 15—20 различных белков, называемый реплисомой (англ. replisome)[1].
репликация (синтез) ДНК происходит не беспорядочно, а в строго определенный период жизни клетки. Всего выделяют 4 фазы клеточного цикла: митоз (М), синтетическую (S), пресинтетическую (G1, от англ. gap – интервал), постсинтетическую (G2).
Синтез ДНК происходит в S-фазу клеточного цикла, когда клетка готовится к делению. Как любой матричный биосинтез, репликация требует наличия нескольких компонентов:
матрица – в ее роли выступает материнская нить ДНК,
растущая цепь – дочерняя нить ДНК,
субстраты для синтеза – dАТФ, dГТФ, dЦТФ, ТТФ,
источник энергии – dАТФ, dГТФ, dЦТФ, ТТФ,
ферменты.
Для того, чтобы ДНК-полимеразы могли реплицировать ДНК, требуется множество дополнительных белков:
1).Праймаза - это ни что иное, как РНК-полимераза, которая катализирует синтез короткого олигорибонуклеотида (4-10 нуклеотидов), т.е. праймера, с которого потом начинается синтез ДНК.
2).Хеликаза - выполняет функцию раскручивания двойной спирали ДНК.
3).ДНК-связывающие белки - препятствуют обратному скручеванию цепочек ДНК.
4).ДНК-лигаза - сшивает фрагменты Оказаки→синтезируемые на отстающей цепи отрезки ДНК
5).Топоизомеразы - снимают суперскручивание, разрезая цепочку ДНК.
Процесс репликации ДНК начинается в определённом месте хромосомы, требует праймер, идёт в направлении 5` - 3` на обоих цепочках одновременно и даёт точные копии цепочек.
Сначала идёт раскручивание двойной спирали ДНК с помощью хеликазы. Образовавшиеся на некоторое время одноцепочечные участки ДНК служат в качестве матрицы при репликации и стабилизируются при помощи особых белков, которые связываются с одной цпочкой ДНК и препятствуют обратному комплементарному взаимодействию цепей ДНК.
Потом праймаза катализирует синтез праймера. С праймера начинается синтез ДНК. Синтез ДНК идёт в направлении 5` - 3` посредством прикрепления 5`-фосфатной группы dНТФ к существующей свободной 3`-ОН группе праймера с последующим освобождением пирофосфата.
Синтез одной цепи осуществляется непрерывно, а другой - прерывисто.Цепочка, синтез которой осуществляется непрерывно, называется ведущая, а та, которой прерывисто, - отстающая. На отстающей цепи синтезируются короткие (100-200 нуклеотидов) фрагменты (Оказаки), которые затем сшиваются ДНК-лигазами.
Как получается так, что ДНК-полимераза копирует обе цепочки одновременно? ДНК-полимераза - это димер, ассоциированный с другими белками в репликационной вилке, которая называется реплисомой. Отстающая цепочка временно делает петлю через реплисому и ДНК-полимераза идёт вдоль двух цепочек одновременно.
Обратная транскрипция
Обратная транскрипция - это синтез ДНК на матрице РНК. В 1970г. в составе онковирусов был открыт фермент обратная транскриптаза (ревертаза, РНК-зависимая ДНК-полимераза), который катализирует биосинтез молекулы ДНК на матрице РНК.Фермент также открыт во многих клетках про- и эукариот, в частности - в лейкозных клетках, пролиферирующих тканях, включая эмбриональные ткани.
Синтез ДНК на матрице РНК включает три стадии:
1).Ревертаза синтезирует на матрице вирусной РНК комплементарную цепь ДНК, что приводит к формированию гибридной молекулы.
2).Разрушение исходной вирусной РНК из комплекса гибридной молекулы под действием РНКазы.
3).На матрице цепи ДНК комплементарно синтезируются новые цепи ДНК.
Транскри́пция (от лат. transcriptio — переписывание) — процесс синтеза РНК с использованием ДНК в качестве матрицы,
Транскрипция является первой стадией экспрессии генетического материала в клетках всех организмов. Именно на уровне транскрипции действуют основные механизмы генетической регуляции. Главным ферментом, осуществляющим транскрипцию, является РНК-полимераза (РНКП)
Наиболее сложной и жестко регулируемой стадией транскрипции является стадия инициации. Инициация транскрипции происходит в специфических участках ДНК - промоторах , - и сама состоит из нескольких стадий. В отличие от ДНК-полимераз , РНКП способна самостоятельно осуществлять инициацию и начинать синтез РНК в отсутствие затравки.
Инициация требует наличия субстратов РНК-полимеразы - нуклеозидтрифосфатов - и заключается в образовании первых нескольких звеньев цепи РНК. Первый нуклеотид входит в состав цепи, сохраняя свою трифосфатную группу, а последующие присоединяются к 3'-OH-группе предыдущего с освобождением пирофосфата. На стадии инициации РНК-продукт связан с матрицей и РНК-полимеразой непрочно и с высокой вероятностью может освобождаться из комплекса. В этом случае РНК-полимераза, не покидая промотора, снова инициирует РНК. Такой синтез ди-, три- и более длинных олигонуклеотидов называют абортивной инициацией - в противоположность продуктивной (т.е. завершающейся образованием полноценного РНК-продукта ) инициации. Когда РНК-продукт достигает критической длины (от 3 до 9 нуклеотидов на разных промоторах), абортивная инициация полностью прекращается, транскрибирующий комплекс стабилизируется и уже не распадается до тех пор, пока синтез молекулы РНК не будет доведен до конца. Примерно в этот же момент , который считается концом инициации и началом элонгации , от бактериальнойРНК-полимеразы отделяется сигма- субъединица .
Эффективность инициации на разных промоторах , их "сила", существенно различается
Инициация транскрипции начинается со сборки на промоторе прединициационного комплекса, в состав которого входят молекулы РНК-полимеразы и матричной ДНК. Если в случае РНК-полимеразы E. coli и других прокариот для осуществления этого процесса нет необходимости в присутствии других белковых факторов, то механизм сборки инициационного комплекса с участием РНК-полимеразы II носит более сложный характер.
Существуют две модели инициации транскрипции РНК-полимеразой II. В соответствии с одной из них на промоторе происходит постепенная (ступенчатая) сборка инициационного комплекса из отдельных компонентов. Другая модель акцентирует внимание на то, что Pol II может входить в состав инициационного комплекса в виде холофермента, состоящего из многих субъединиц. Сборка такого комплекса начинается с последовательного связывания с промотором основных факторов транскрипции.
28.2
Гликоген служит в животном организме резервом углеводов, из которого по мере метаболической потребности могут высвобождаться глюкозофосфат или глюкоза. Хранение в организме собственно глюкозы неприемлемо из-за ее высокой растворимости: высокие концентрации глюкозы создают в клетке высоко гипертоническую среду, что приводит к притоку воды. Напротив, нерастворимый гликоген осмотически почти неактивен.
Баланс гликогена
В организме человека может содержаться до 450 г гликогена, треть из которого накапливается в печени, а остальное — главным образом в мышцах. Содержание гликогена в других органах незначительно. Гликоген печени служит прежде всего для поддержания уровня глюкозы в крови в фазе
Гликоген образуется из глюкозо-6-фосфата под влиянием фермента гликогенсинтетазы, существующей в активной и неактивной формах
Под действием фермента гликогенсинтазы образуется гликозидная связь ([1->4]-связь) между атомом C1 активированной глюкозы, находящейся в составе UDPGlc, и атомом C4 концевого остатка глюкозы в гликогене с освобождением UDP . Для инициирования этой реакции требуется молекула гликогена (G6n') в качестве "затравки". Эта затравка может синтезироваться на остове пептидной цепи подобно тому, как это происходит при синтезе других гликопротеинов.
Присоединение остатка глюкозы к "затравочной" цепи гликогена происходит на внешнем, невосстанавливающем конце молекулы. "Ветвь" гликогенового "дерева" удлиняется. После того как длина линейного участка цепи достигнет как минимум 11 остатков глюкозы, ветвящей (бранчинг) фермент ( Амило-[1->4]->[1->6]-трансглюкозидаза ) переносит фрагмент (1->4)-цепи (с минимальной длинной в 6 остатков глюкозы) на соседнюю цепь, присоединяя к ней переносимый фрагмент (1->6)-связью; таким образом образуется точка ветвления в молекуле.
Гликогенсинтаза может находиться либо в фосфорилированном, либо в нефосфорилированном состоянии. Активна дефосфорилированная форма (гликогенсинтаза a), которая может быть инактивирована с образованием гликогенсинтазы b путем фосфорилирования семи остатков серина, осуществляемого не менее чем пятью различными протеинкиназа ми. Все семь мест фосфорилирования находятся на каждой из четырех идентичных субъединиц. Две из протеинкиназ являются Ca2+/ кальмодулин зависимыми. Одна из них - это киназа фосфорилазы , другая киназа является cAMP-зависимой протеинкиназой ; именно эта протеинкиназа обеспечивает реализацию опосредованных cAMP гормональных воздействий, синхронно ингибирующих синтез гликогена и активацию гликогенолиз а. Оставшиеся киназы известны как киназы гликогенсинтазы -3, -4 и -5.
Гликогенолиз - это распад гликогена , запасного полисахарида. Гликогенолиз происходит непрерывно, и за счет этого поддерживается постоянная концентрация глюкозы в крови в промежутках между приемами пищи. Во время ночного голодания около 75% глюкозы печеночного происхождения образуется путем гликогенолиза. 25% глюкозы печеночного происхождения образуется путем глюконеогенеза.
Расщепление гликогена включает несколько этапов. Сначала фосфорилаза последовательно отщепляет остатки глюкозы от концов боковых цепей гликогена При этом фосфорилируются альфа-1,4-связи и образуются молекулы глюкозо-1-фосфата . Фосфорилаза атакует боковую цепь до тех пор, пока не дойдет до точки, отстоящей на 4 остатка глюкозы от места ветвления (т. е. от альфа-1,6-связи). Затем вступает в действие система отщепления боковых цепей гликогена. Первый фермент этой системы - 4-альфа-D-глюканотрансфераза - отщепляет 3 из 4 остатков глюкозы и переносит их на свободный конец другой боковой цепи. Второй фермент - амило-1,6-глюкозидаза - отщепляет от главной цепи четвертый остаток глюкозы. После этого главная цепь гликогена становится доступной для фосфорилазы. В реакции, катализируемой амило-1,6-глюкозидазой, образуется глюкоза .
Регуляция: В организме человека может содержаться до 450 г гликогена, треть из которого накапливается в печени, а остальное — главным образом в мышцах. Содержание гликогена в других органах незначительно. Гликоген печени служит прежде всего для поддержания уровня глюкозы в крови в фазе пострезорбции (см. с. 300). Поэтому содержание гликогена в печени варьирует в широких пределах. При длительном голодании оно падает почти до нуля, после чего начинается снабжение организма глюкозой с помощью глюконеогенеза (см. с. 156). Гликоген мышц служит резервом энергии и не участвует в регуляции уровня глюкозы в крови. В мышцах отсутствует глюкозо-6-фосфатаза, поэтому гликоген мышц не может быть источником глюкозы в крови. По этой причине колебания содержания гликогена в мышцах меньше, чем в печени.
28/3
Ацетил КоА-важное соединение в обмене веществ, используемое во многих биохимических реакциях. Его главная функция – доставлять атомы углерода с ацетил-группой в цикл трикарбоновых кислот, чтобы те были окислены с выделением энергии. По своей химической структуре ацетил-КоА – тиоэфир между коферментом А (тиолом) и уксусной кислотой (носителем ацильной группы). Ацетил-КоА образуется во время второго шага кислородного клеточного дыхания, декарбоксилирования пирувата, который происходит в матриксе митохондрии. Ацетил-КоА затем поступает в цикл трикарбоновых кислот.
У животных ацетил-КоА является основой баланса между углеводным обменом и жировым обменом. Обычно ацетил-КоА из метаболизма жирных кислот поступает в цикл трикарбоновых кислот, содействуя энергетическому обеспечению клеток. В печени, когда уровень циркуляции жирных кислот высок, производство ацетил-КоА от разрыва жиров превышает энергетические потребности клетки. Чтобы использовать энергию, доступную из лишних ацетил-КоА, создаются кетоновые тела, которые затем могут циркулировать в крови. В некоторых обстоятельствах это может привести к высокому уровню кетоновых тел в крови, состоянию, называемому кетозом, которое отличается от кетоацидоза, опасного состояния, способного повлиять на диабетиков. У растений синтез новых жирных кислот происходит в пластидах. Многие семена запасают большие количества масел в семенах, чтобы поддерживать прорастание и ранний рост саженцов, пока они не перешли на питание от фотосинтеза. Жирные кислоты включены в липиды мембраны, главнейший компонент большинства мембран.
[править]
Другие реакции
Две молекулы ацетил-КоА могут быть соединены, чтобы создать ацетоацетил-КоА, что будет первым шагом в ГМГ-КоА/биосинтезе холестерина, предшествующем синтезу изопреноидов. У животных ГМГ-КоА – это жизненный предшественник синтеза холестерина и кетоновых тел.
Ацетил-КоА – также источник ацетил-группы, включённой в определённые лизиновые остатки гистоновых и негистоновых белков в посттрансляционной модификации ацетилирования, реакции, катализируемой ацетилтрансферазой.
У растений и животных цитозольный ацетил-КоА синтезируется АТФ цитратлиазой. Когда глюкоза изобилует в крови животных, она преобразуется посредством гликолиза в цитозоле в пируват, а затем в ацетил-КоА в митохондрии. Избыток ацетил-КоА вызывает производство избыточных цитратов, которые переносятся в цитозоль, чтобы дать начало цитозольному ацетли-КоА.
Ацетил-КоА может быть карбоксилирован в цитозоле в ацетил-КоА карбоксилазу, давая начало малонил-КоА, необходимого для синтеза флавоноидов и родственных поликетидов, для удлинения жирных кислот (образование восков), для образования кутикулы и масла в семенах у членов рода Капуста, а также для малонации протеинов и других фитохимических соединений.
У растений они включают в себя сесквитерпены, брассиностероиды (гормоны) и мембранные стиролы.