Презентация на тему "Лекция 16-17.Матричные биосинтезы"

Содержание

• 
  Слайд 1

  Лекция 16-17.Матричные биосинтезы

  Репликация Транскрипция Трансляция Дисциплина: С.2.Б.4. Биохимия Специальность: 060101 лечебное дело НГМУ, кафедра медицинской химии Д.б.н., доцент Суменкова Дина Валерьевна Структура наших ДНК – загадка жизни островка.Нет дна и крыши, нет сторон,Все это жизни вечной трон.Все это Миг и Вдохновенье, нерукотворное круженье...

• 
  Слайд 2

  История исследованийв молекулярной биологии

  Апрель 1953 г. - предложена модель пространственной структуры ДНК - двойная спираль (журнал “Nature”"Структура ДНК" Д. Уотсон и Ф. Крик) В биологии начался новый отсчет времени – развитие молекулярной биологии На этом пути сделаны серии блестящих открытий, большинство из которых отмечены Нобелевскими премиями

• 
  Слайд 3

  Джеймс Уотсон (р. 1928)Френсис Крик (1916-2004)

  1952 г работа над моделированием ДНК Основа: правило Чаргаффа и рентгенограммы Р. Франклин и М. Уилкинса 1953 г – публикация результатов 1962 г – Нобелевская премия

• 
  Слайд 4
  

  "...выдающийся харизматический символ нашего времени - спиральная лестница, ведущая, я надеюсь, в небеса, - была разрекламирована с поистине выдающейся интенсивностью. Она использовалась как эмблема, ее рисовали на галстуках, она украшала фирменные бланки, ее устанавливали перед зданиями.... Она даже вторглась в высокие формы изящного искусства" . Апрель 2013 г – 60 лет с момента открытия структуры ДНК Какова роль молекулярной биологии в развитии современной медицины? Е. Чаргафф

• 
  Слайд 5
  

  Актуальность темы лекции:открытия молекулярной биологии играют важную роль в развитии современной медициныИспользование ДНК-технологий

  выявление мутаций генов выявление наследственных заболеваний определение особенностей генома установление родства диагностика бактериальных и вирусных заболеваний производство рекомбинантных белков, гормонов…. производство лекарственных препаратов – ингибиторов матричных биосинтезов в опухолевых и бактериальных клетках расшифровка генома человека (международный проект под рук. Д. Уотсона, 1990-2003 г) с целью ранней диагностики и лечения заболеваний

• 
  Слайд 6
  

  Генная и клеточная терапия – «небеса», к которым привела спиральная лестница ДНК

  Генная терапия – лечение путем введения в клетки пациентов генов, устраняющих генные дефекты или придающие им новые функции Первый клинический опыт 1990 г, США, 4-х летняя девочка с иммунодефицитным состоянием Причина заболевания: мутация гена аденозиндезаминазы→ нарушение обмена нуклеотидов → нарушение пролиферации и созревания лимфоцитов Лечение: пересадка собственных лимфоцитов с предварительно введенным in vitro ретровирусом, содержащим нормальный ген фермента

• 
  Слайд 7

  Клеточная терапия

  Терапия с использованием стволовых клеток С помощью определенных генов можно перепрограммировать клетку и изменить путь ее дифференцировки Разработана технология получения плюрипотентных стволовых клеток из фибробластов кожи человека с помощью генов Myc, Oct3/4, Sox2, Klf4 и их дальнейшая дифференцировка в кардиомиоциты (ШиньяЯманака, Япония, Нобелевская премия 2012)

• 
  Слайд 8

  Цель лекции

  Знать: строение и функции нуклеиновых кислот химико-биологическую сущность процессов репликации, транскрипции, трансляции Использовать знания о матричных биосинтезах для понимания химико-биологической сущности процессов роста и развития организма механизмов устойчивости организма к воздействиям внешней среды механизмов действия противоопухолевых и антибактериальных препаратов Использовать знания о матричных биосинтезах для формирования представлений о принципах ДНК-технологий в диагностике и терапии о механизме действия некоторых ядов и бактериальных токсинов о генетических аспектах полиморфизма генов и белков, наследственных заболеваний и канцерогенеза

• 
  Слайд 9

  План лекции

  1. Строение и функции ДНК и РНК (повторение курса химии) 2. Репликация и репарация 3. Транскрипция 4. Трансляция

• 
  Слайд 10

  Строение нуклеиновых кислот

  Функция: хранение, передача, реализация наследственной информации Нуклеиновые кислоты (НК) - биополимеры Мономер – нуклеотиды Строение нуклеотида: азотистое основание + пентоза + остаток фосфорной кислоты Азотистые основания (АО)

• 
  Слайд 11
  

  Пентозы в структуре нуклеиновых кислот

• 
  Слайд 12

  Первичная структура НК: последовательность нуклеотидов

  Химические связи: 1 - 5′-фосфоэфирная 2 – N-гликозидная 3 - 3′,5′ - фосфодиэфирная Условные обозначения: Х – водород в ДНК или -ОН в РНК

• 
  Слайд 13

  Вторичная структура ДНК: двойная спираль

  Правозакрученная спираль (виток = 10 н.п.) Цепи антипараллельны: 5′→3′ и 3′→ 5′ Водородные связи между АО цепей Стэкинг-взаимодействия (гидрофобные) между АО «в стопке» Комплементарность цепей (А-Т, Г-Ц) Правило Чаргаффа: А=Т, Г=Ц, А+Т / C+G – характеристика вида

• 
  Слайд 14

  Третичная структура ДНК: нуклеопротеидные комплексы (хромосомы)

  Гистоновые белки: белки с высоким содержанием лиз и арг 5 типов: Н1, Н2А, Н2В, Н3, Н4 Негистоновые белки: белки и ферменты, участвующие в матричных биосинтезах Роль белков: обеспечивают суперспирализацию и компактизацию ДНК Нуклеосома ДНК (≈146 н.п.) + 8 молекул гистонов (Н2А, Н2В, Н3, Н4)2 Структура удерживается ионными связями между лиз, арг и остатками фосфорной кислоты Линкерные участки Участок ДНК (≈30 н.п.) между нуклеосомами, с которым связаны молекулы гистона Н1 Гетерохроматин – «компактный» хроматин, транскрипционно неактивный Эухроматин – деспирализованный хроматин с низким содержанием гистонов и высоким содержанием негистоновых белков (период транскрипции)

• 
  Слайд 15
  

  Структура нуклеосом

• 
  Слайд 16

  Пространственная структура РНК

  Одноцепочечная Шпильки – спирализованные участки (водородные связи) Не соблюдается правило Чаргаффа Виды РНК: мРНК матрица в синтезе белка 2-4% от общего количества РНК, разнообразная первичная структура 5′ - «кэп»-конец: 7-метил ГТФ (защита от нуклеаз, участие в инициации трансляции) 3′ - поли(А)-«хвост»: 150-200 остатков АМФ (выход из ядра, защита от нуклеаз)

• 
  Слайд 17

  тРНК

  Структура тРНК: 1 – шпильки 2 - петли молекулы-адапторы: переводят информацию мРНК в последовательность аминокислот в белке 15% содержат минорные нуклеотиды (например, метилированные АО)

• 
  Слайд 18

  рРНК

  структурный компонент рибосом 80% от общего количества РНК в клетке 4 типа у эукариот: 5S, 5,8S, 18S, 28S S – единица Сведберга, скорость осаждения при центрифигировании

• 
  Слайд 19

  РЕПЛИКАЦИЯ: синтез ДНК

  Протекает в ядрев S-фазу клеточного циклаперед митозом Стимулы: гормоны, ростовые факторы, белки-циклины Матрица: обе нити ДНК, образуются 2 репликативные вилки Направление синтеза новых цепей: 5′ - 3′ по принципу комплиментарности и антипараллельности Участки синтеза – ориджины репликации Участок ДНК между соседними ориджинами - репликон Этапы репликации: инициация, элонгация, терминация Субстраты и источники энергии: дАТФ, дГТФ, дТТФ, дЦТФ Кофактор: Mg2+ Полуконсервативный процесс синтеза: каждая дочерняя молекула ДНК содержит одну родительскую нить и одну синтезированную Образуется идентичная молекула ДНК (клетка 4n)

• 
  Слайд 20

  1 этап репликации: инициация

  Формирование репликативной вилки: ДНК-топоизомеразагидролизует 3′,5′-фосфодиэфирную связь в одной из цепей ДНК и присоединяется к 5′-концу в точке разрыва 2.ДНК-хеликаза, используя энергию АТФ, разрывает водородные связи и обеспечивает локальное разделение двойной спирали ДНК ДНК-топоизомеразавосстанавливает 3′,5′-фосфодиэфирную связь и отделяется SSB (single strand binding)–белки связываются с одноцепочечными участками,препятствуя комплементарному скручиванию цепей

• 
  Слайд 21

  Схема инициации репликации

• 
  Слайд 22

  2 этап репликации: элонгация

  Синтез новых цепей ДНК Лидирующая цепь: 3′ - 5′ (синтез непрерывный по ходу движения репликативной вилки) Отстающая цепь: 5′ - 3′ (рост этой цепи начинается после того, как на лидирующей цепи синтезируется участок из ≈200 нуклеотидов, синтез идет против движения репликативной вилки в виде фрагментов Оказаки) Синтез цепей начинается с образования «затравки» (РНК-праймера из ≈10 нуклеотидов) Ферменты: ДНК-полимераза αсинтезирует РНК-праймер и небольшой участок ДНК ДНК-полимераза δудлиняет лидирующую цепь ДНК-полимераза δ или εудлиняют отстающую цепь

• 
  Слайд 23

  3 этап репликации: терминация

  Исключение праймеров Завершение формирования отстающей цепи ДНК Эндонуклеаза (РНКаза) удаляет РНК-праймер ДНК-полимераза βзаполняет «брешь» ДНК-лигазаобъединяет фрагменты, затрачивая энергию АТФ

• 
  Слайд 24

  Схема репликативной вилки

• 
  Слайд 25

  Репарация ошибок и повреждений ДНК

  Причина повреждений ДНК: действие факторов окружающей и внутренней среды Повреждение ДНК происходит с частотой от нескольких сотен до 1000 случаев в каждой клетке, каждый час Виды повреждений: дезаминирование АО (цитозин превращается в урацил), метилирование АО депуринизация, депиримидинизация образование пиримидиновых димеров (действие УФО) разрыв цепей, ковалентные сшивки между цепями ошибки репликации Система репарации – ферменты(нуклеазы, полимеразы, лигазы)

• 
  Слайд 26

  Схема работы системы репарации ДНК

• 
  Слайд 27

  Роль системы репарации

  Репарация необходима для сохранения генома и возможна благодаря существованию 2-х цепей ДНК Снижение активности ферментов репарации приводит к накоплению мутаций Полагают, что от 80 % до 90 % всех раковых заболеваний связаны с нарушением репарации ДНК ПРИМЕР: пигментная ксеродерма – наследственное заболевание, связанное с мутацией генов системы репарации ДНК; УФО таких больных приводит к накоплению мутаций в клетках кожи и развитию рака

• 
  Слайд 28

  ТРАНСКРИПЦИЯ: синтез РНК

  Протекает в ядре вне зависимости от фаз клеточного цикла Матрица: нить ДНК 3′ - 5′ Субстраты и источники энергии: АТФ, ГТФ, ЦТФ, УТФ Направление синтеза: 5′ - 3′ по принципу комплиментарности и антипараллельности Этапы: инициация, элонгация, терминация Участвуют факторы инициации, элонгации и терминации Образуются комплиментарные матрице продукты:мРНК, тРНК, рРНК Ферменты: РНК-полимераза I (синтез пре-рРНК) РНК-полимераза II (синтез пре-мРНК) РНК-полимераза III(синтез пре-тРНК)

• 
  Слайд 29

  1 этап транскрипции: инициация

  Промотор – последовательность ДНК (ТАТА), с которой связывается РНК-полимераза Сайт терминации– участок завершения синтеза РНК Транскриптон – участок ДНК ограниченный промотором и сайтом терминации «Активация» промотора с помощью ТАТА-фактора Взаимодействие промотора с РНК-полимеразой и факторами инициации Факторы инициации обеспечивают расплетение двойной нити ДНК длиной в один виток (10 н.п.)

• 
  Слайд 30

  2 этап транскрипции:элонгация и терминация

  Элонгация: рост нити пре-РНК Факторы элонгации (E, H, F)повышают активность РНК-полимеразы и облегчают расхождение цепей. Один ген может одновременно транскрибироваться несколькими молекулами РНК-полимеразы Терминация: прекращение транскрипции Факторы терминацииоблегчают отделение пре-РНК и РНК-полимеразы от матрицы ДНК

• 
  Слайд 31

  Схема транскрипции

• 
  Слайд 32

  Посттранскрипционные модификации пре-РНК

  «Созревание» пре-мРНК «Кэпирование» на стадии элонгации Образование поли(А)- «хвоста» после транскрипции Сплайсинг – удаление интронов (некодирующих последовательностей) и соединение экзонов Участвуют малые ядерные рибонуклеопротеины (мяРНП), образующие комплексы – сплайсосомы Выход «зрелой» мРНК в цитоплазму Альтернативный сплайсинг– механизм образования различных видов «зрелой» мРНК из одной и той же молекулы пре-мРНК в разных тканях В результате в разных тканях при считывании информации с одного и того же гена образуются различные мРНК, а соответственно и различные белки

• 
  Слайд 33

  Схема «созревания» пре-мРНК

• 
  Слайд 34

  «Созревание» пре-тРНК

  Удаление интронов Модификация азотистых оснований (10-15%) Формирование акцепторного участка и антикодона 3. Выход зрелых тРНК в цитоплазму

• 
  Слайд 35

  «Созревание» пре-рРНК

• 
  Слайд 36

  ТРАНСЛЯЦИЯ: синтез белка

  Место синтеза: рибосомы Матрица:мРНК Субстраты: аминокислоты (АК) Адапторы: тРНК Источники энергии: АТФ, ГТФ Кофактор: Mg 2+ (стабилизирует структуру рибосом) Факторы инициации (IF), элонгации (EF), терминации (RF) Активация АК: связывание с тРНК (аминоацил-тРНК-синтетазы) Инициирующая аминоацил-тРНК (аа-тРНК): мет-тРНК Инициирующий кодонмРНК:AUG Этапы: инициации, элонгации, терминации Образуется колинеарный матрице продукт – белок (последовательность АК соответствует последовательности кодонов мРНК) Биологический код: запись информации о последовательности АК в белке с помощью последовательности нуклеотидов Из школьного курса биологии вспомните и объясните свойства биологического кода!

• 
  Слайд 37

  Свойства биологического кода

  Триплетность Наличие терминирующих кодонов (UAA, UAG, UGA) Специфичность Вырожденность Универсальность Однонаправленность Колинеарность

• 
  Слайд 38

  Активация аминокислот

• 
  Слайд 39

  1 этап трансляции: инициация

  К мРНК присоединяется малая субъединица рибосомы, фактор инициации IF, мет-тРНК и ГТФ. Когда комплекс свяжется с кодоном AUG, происходит присоединение большой субъединицы рибосомы, что сопровождается гидролизом ГТФ и отделением IF. Формируется полноценная рибосома с пептидильным (Р) и аминоацильным (А) центрами

• 
  Слайд 40

  2 этап трансляции: элонгация (рост пептидной цепи)

  Стадии элонгации: Связывание аа-тРНК в А-центре при участии фактора элонгации EF1 и с затратой энергии ГТФ Образование пептидной связи между АК Р-центра и АК А-центра при участии пептидилтрансферазы Перемещение рибосомы по мРНК (транслокация) в направлении от 5′- к 3′-концу с использованием энергии ГТФ и при участии фактора элонгации EF2 Многократное повторение стадий

• 
  Слайд 41

  3 этап трансляции: терминация

  Высвобождение пептида из связи с тРНК и рибосомой: Стоп-кодоны UAA, UAG, UGA попадают в А-центр Высвобождение полипептида при участии факторов терминацииRF1, RF3 и энергии ГТФ

• 
  Слайд 42
  

  Посттрансляционные модификации белков – образование функционально активных белков

  Частичный протеолиз Фолдинг – формирование пространственной структуры (II, III) при участии белков-шаперонов Модификация аминокислот (гликозилирование, фосфорилирование, ацилирование, метилирование……) Образование дисульфидных связей (цистеин-цистеин) Присоединение простетической группы (сложные белки) Сборка протомеров в олигомерные белки (формирование IV структуры)

• 
  Слайд 43

  Регуляция матричных биосинтезов

  Экспрессия генов — процесс, в ходе которого наследственная информация от гена (последовательности нуклеотидов ДНК) преобразуется в функциональный продукт — РНК или белок Гены белков «домашнего хозяйства» (конститутивные) экспрессируются с постоянной скоростью и обеспечивают жизнеспособность клеток (например, гены ферментов энергетического обмена)

• 
  Слайд 44
  

  Адаптивная регуляция обеспечивает изменение скорости экспрессии генов в ответ на меняющиеся условия среды (индуцибельная экспрессия). Осуществляется при участии: регуляторных белков, взаимодействующих с участками ДНК индукторов (стимулируют экспрессию) или корепрессоров (подавляют экспрессию) Индукторы или корепрессоры стимулируют присоединение регуляторных белков к регуляторным участкам ДНК В качестве индукторов и корепрессоров выступают гормоны, ростовые факторы, продукты метаболических путей Регуляторные участки ДНК: Энхансер – «усилитель» транскрипции Сайленсер – «тушитель» транскрипции ПРИМЕР: ХОЛЕСТЕРИН (как корепрессор) → БЕЛОК-РЕГУЛЯТОР → САЙЛЕНСЕР → ПОДАВЛЕНИЕ ЭКСПРЕССИИ ГМГ-КоА-РЕДУКТАЗЫ (ключевой фермент синтеза холестерина) → СНИЖЕНИЕ СИНТЕЗА ХОЛЕСТЕРИНА

• 
  Слайд 45

  Примеры ингибиторов матричных биосинтезов

  Токсинбелой поганки аманитин ингибирует РНК-полимеразу II (синтез мРНК) Энтеротоксин возбудителя дифтерии ингибирует трансляцию, модифицируя фактор элонгации EF2 и нарушая транслокацию рибосом Интерфероны (гликопротеины лимфоцитов и макрофагов, обладающие противовирусной активностью): активируют РНК-азу, расщепляющую мРНК и рРНК стимулируют синтез протеинкиназы, которая фосфорилирует и тем самым инактивирует фактор инициации трансляции IF2 прекращается синтез белков в инфицированных клетках человека, клетка погибает, но останавливается размножение вирусов

• 
  Слайд 46

  Задание для самостоятельной работы

  1. Ознакомиться с принципом метода полимеразной цепной реакции и его применением в медицине 2. Выяснить роль нерепарированных изменений ДНК (мутаций) в развитии биохимической индивидуальности человека (полиморфизме генов и белков), наследственных заболеваний, канцерогенезе 3. Найти информацию по теме «Лекарственные препараты – ингибиторы матричных биосинтезов», заполнить таблицу (см. следующий слайд)

• 
  Слайд 47
  

  Противоопухолевые и антибактериальные препараты – ингибиторы матричных биосинтезов

• 
  Слайд 48

  Заключение

  Процессы репликации, транскрипции, трансляции (матричные биосинтезы) лежат в основе «производства» белков и ферментов, функционирование которых является основой жизни Регуляция данных процессов лежит в основе адаптации Нарушение данных процессов приводит к развитию заболеваний Знания о нуклеиновых кислотах и механизмах матричных биосинтезов являются основой создания лекарственных препаратов, методов диагностики и терапии

• 
  Слайд 49

  Литература

  1. Биологическая химия: учебник для студ. мед. вузов / Т. Т. Березов, Б. Ф. Коровкин. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Медицина, 2004. - 704 с. (глава 3, глава 13 С. 478-497, глава 14) 2. Биохимия: учебник для студентов медицинских ВУЗов / Е. С. Северин- М.: ГЭОТАР-Медиа, 2014. -768 с. (раздел 4) 3. Биологическая химия с упражнениями и задачами: учебник для студентов ВУЗов / ред. С. Е. Северин. - М.: ГЭОТАР-Медиа, 2013. - 624 с. (С. 113 – 171, для выполнения самостоятельной работы п.1 и 2 С. 153-165) 4. Биохимия с упражнениями и задачами: учебник для студ. мед. вузов / ред. Е. С. Северин. - М. : ГЭОТАР-Медиа, 2010. - 384 с. (раздел 3, С. 54-79; для выполнения самостоятельной работы п. 1-3 С. 70, 73-77)