Биосинтез ДНК (репликация).

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

По теме «Строение и функции нуклеиновых кислот»

(для студентов всех факультетов)

СОСТАВИТЕЛИ: зав. каф. проф. Л.Е. Муравлева, доцент Т.С. Омаров, преподаватель Д.А. Клюев

Караганда 2004

Рассмотрено на заседании кафедры

Протокол № _____ от _______________2004 г.

Зав. кафедрой _____________________проф. Л.Е. Муравлева

Обсуждено профильной методической комиссией медико-биологических и фармацевтических дисциплин

«____» ____________________ 2004 г. Протокол № ____

Председатель ______________________ проф. Муравлева Л.Е.

Одобрено Методическим Советом КГМА

«____» ____________________ 2004 г. Протокол № ____

Председатель ______________________проф. Досмагамбетова Р.С.

ДНК, строение функции.

Нуклеиновые кислоты - гетерополимеры, их мономерами являются мононуклеотиды. В состав мононуклеотида входит пуриновое или пиримидиновое азотистое основание, пентоза и остаток фосфорной кислоты. К пуриновым основаниям относят аденин и гуанин, к пиримидиновым - цитозин,тимин и урацил. (рис.1).

Пентоза: рибоза или дезоксирибоза входят в состав НК в фуранозной форме и связаны с азотистым основанием N-гликозидной связью. Такое соединение называется нуклеозид. В случае образования связи с пуринами к названию добавляется суффикс – озин:аденозин,гуанозин, а пиримидинами – идин:тимидин,цитидин (рис.1). Так, например, аденин и рибоза образуют нуклеозид аденозин (1, сокращенно А). Соответствующие производные других азотистых оснований носят названия гуанозин (G), уридин (U), тимидин (T) и цитидин (С). Если углеводный остаток представлен 2-дезоксирибозой, образуется дезоксинуклеозид, например 2'-дезоксиаденозин. В клетке 5'-ОН-группа углеводного остатка нуклеозида этерифицирована фосфорной кислотой. Соответствующее производное 2'-дезокситимидина (dT), звено ДНК, называется 2'-дезокситимидин-5'-монофосфат (dTMP) (2). Если 5'-фосфатный остаток соединяется с другими нуклеозидфосфатными остатками. получаются нуклеозидди- и нуклеозидтрифосфаты, например АДФ и АТФ — важнейшие коферменты энергообмена.

Остаток фосфорной кислоты (H₃PO₄) присоединяется к пентозе обычно в 5-ом положении. Название такого соединения образуется от названия соответствующего нуклеозида с указанием места присоединения фосфорной кислоты и добавлением слова «фосфат». В зависимости от количества остатков существуют моно-, ди- и трифосфаты (аденозин–5–трифосфат, АТФ,ГМФ,ЦМФ,ТДФ,УТФ. ТМФ встречается только в ДНК, а УМФ - только в РНК. Все нуклеозидфосфаты объединяют под общим названием нуклеотиды.

Остатки фосфорной кислоты могут связываться за счет образования фосфоангидридной связи. Следовательно, два нуклеотида могут быть связаны через фосфатные группировки с образованием соответствующего динуклеотида. К этой группе соединений относятся коферменты [HAДФ⁺(NADP⁺)] и KoA (CoA), а также флавин [ФАД(FAD)].

Если фосфатная группа одного нуклеотида взаимодействует с З'-ОН-группой другого нукпеотида, образуется динуклеотид с фосфодиэфирной связью. Такой динуклеотид несет на 5'-конце свободную фосфатную группу, а на 3'-конце свободную ОН-группу. Поэтому можно за счет образования еще одной фосфодиэфирной связи присоединить новый мононуклеотид. Таким путем образуются олигонуклеотиды и, наконец, полинуклеотиды.

Полинуклеотиды, составленные из рибонуклеотидных звеньев, называются рибонуклеиновыми кислотами (РНК), из дезоксирибонуклеотидных мономеров — дезоксирибонуклеиновыми кислотами (ДНК). При обозначении полинуклеотидов указывают сокращенные названия нуклеозидных звеньев в направлении 5'→3', т.е. слева направо. Иногда в название включают фосфатную группу ("p")..

Первичная структура цепей ДНК - это порядок чередования дезоксирибонуклеозидмонофосфатов полинуклеотидной цепи.

Вторичная структура ДНК представляет собой правозакрученную спираль, состоящую из двух полинуклеотидных цепей с антипараллельным ходом, закрученными относительно друг друга и вокруг общей оси. Антипараллельный ход означает, что 3’-концу одной цепи соответствует 5’-конец другой цепи и наоборот.

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.

Рисунок 1 Структура азотистых оснований, олигонуклеотидов

Комплементарность А и T, соответственно G и С, становится понятной, если рассмотреть возможные водородные мостики между основаниями. В качестве доноров выступают аминогруппы (аденина, цитозина, гуанина) и NН-группы гетероциклов (тимина и гуанина). Возможными акцепторами являются карбонильные группы (тимина, цитозина, гуанина) и атомы азота гетероциклов. Пара A-T может образовывать два, а пара G-C даже три линейных и поэтому особенно устойчивых мостика. Урацил, содержащийся в РНК вместо тимина, ведет себя при спаривании основании подобно тимину.

Стабилизируют двойную спираль также гидрофобные взаимодействия, возникающие между основаниями двуцепочечной молекулы.

Нуклеиновые кислоты встречаются в организме не в свободном виде, а в составе нуклеопротеинов. Каждая молекула ДНК упакована в отдельную хромосому. Все связывающиеся с ДНК эукариотов белки можно разделить на 2 группы: гистоны и негистоновые белки. Комплекс белков с ядерной ДНК клеток называют хроматином.

Гистоны — это белки небольшого размера (мол. масса около 20 000) с очень высоким содержанием положительно заряженных аминокислот (лизина и аргинина). Хроматин содержит 5 типов гистонов: Н2А, Н2В, НЗ, Н4 (нуклеосомные гистоны) и H1. Суммарный положительный заряд позволяет им прочно связываться с ДНК.

Негистоновые белки — это разные типы регуляторных белков, связывающихся со специфическими последовательностями ДНК, а также ферменты, участвующие в матричных биосинтезах.

Биосинтез ДНК (репликация).

Участки ДНК, кодирующие определенные белки (гены), копируются (транскрибируются) в виде полинуклеотидной цепи матричной РНК (мРНК), которая затем служит матрицей для синтеза белка. 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:

- синтез ДНК - репликация

- синтез РНК - транскрипция

- синтез белка - трансляция.

Полуконсервативный механизм репликации ДНК (рис.2). Субстратами синтеза являются дезоксинуклеозидтрифосфаты, выполняющие роль строительного материала и источников энергии. Для репликации ДНК необходим большой набор разнообразных ферментов и белков - репликативный комплекс.

1.Репликация — матричный процесс. Во время репликации каждая из 2 цепей ДНК служит матрицей для образования новой цепи.

2.Белки, раскручивающие спираль ДНК (ДНК-топоизомераза, ДНК-хеликазы, использующей энергию АТР для расплетания двойной спирали ДНК), и белки, стабилизирующие разделенные нити DNA. В результате действия этих белков образуется репликативная вилка - участок DNA, в пределах которого спираль раскручена и разделена на отдельные цепи.

3.Молекула ДНК человека имеет очень большие размеры, репликация такой большой молекулы (скорость 50 нуклеотидов в минуту) шла бы в течение примерно 800 ч. Поэтому инициация синтеза ДНК происходит в нескольких точках хромосомы, которые называются точками инициации репликации, или ориджинами (origin) репликации.. Ориджины репликации имеют определенную нуклеотидную последовательность. Единица репликации у эукариотов называется репликоном. На ориджинах инициируется двунаправленная репликация, т.е. образуются 2 репликативные вилки, перемещающиеся в противоположных направлениях до тех пор, пока не встретятся со следующим репликоном.

4.ДНК-полимераза не способна начинать синтез новой цепи с ее первого нуклеотида. Поэтому репликация начинается с синтеза праймеров (РНК-затравки) на обеих цепях расплетенной ДНК. Одноцепочечная затравка - праймер синтезируется при участии ДНК- зависимой РНК-полимеразы (праймазы). Праймер - короткий полинуклеотид, комплементарный матричной цепи ДНК. Он наращивается на 3’- конце.

5.ДНК- полимераза присоединяется к матричной цепи ДНК и к праймеру в области 3’-концевого нуклеотида праймера.

6.Перемещаясь по матрице в направлении ее 5’-конца, DNA-полимераза удлиняет затравку, присоединяя к ней один за другим нуклеотиды, комплементарных «старой», то есть матричной цепи.

7.Синтез новых цепей DNA может протекать только в направлении 5’ ® 3’. Таким образом, на одной цепи DNA синтезируется непрерывно «лидирующая» цепь, а на другой образуются короткие фрагменты - «запаздывающая» цепь. Эти фрагменты называются фрагментами Оказаки. Каждый фрагмент Оказаки состоит примерно из 100 – 200 нуклеотидов.

8.Репликация отстающей цепи происходит прерывисто, периодически останавливаясь. В этот период комплекс белков, называемый праймасомой, подготавливает праймеры для последующей работы полимеразы.

9.После образования фрагментов Оказаки праймеры удаляются, фрагменты сшиваются ДНК-лигазой

10.По завершении репликации образуются 2 молекулы двухспиральной ДНК, каждая из которых содержит одну материнскую и одну дочернюю, вновь синтезированную нить (полуконсервативный механизм).

Рисунок 2 Полуконсервативный синтез ДНК