Нуклеиновые кислоты. Структура и функции.
дезоксирибонуклеотид
Нуклеотиды.
дезоксирибоза
рибонуклеотид
Модифицированные
пурины
рибоза
Нуклеиновые кислоты. Структура и функции.
Схема образования динуклеотида
Реакция
дегидратации
Нуклеиновые кислоты. Структура и функции.
Схемы записи полинуклеотидной цепи:
Однонитевая полинуклеотидная молекула = первичная структура нуклеиновой кислоты
Нуклеотиды соединены фосфодиэфирными связями( 5 3 )
Нуклеиновые кислоты. Структура и функции.
Нуклеотиды.
Вторичные структуры образуются за счет формирования
водородных связей между азотистыми основаниями
Нуклеиновые кислоты. Структура и функции.
Нуклеотиды. АТФ. Строение.
нуклеозид
нуклеозид
аденозин
нуклеозидмонофосфат
АденозинМоноФосфат
нуклеозиддинофосфат
АденозинДиноФосфат
нуклеозидтрифосфат
АденозинТриФосфат
Нуклеиновые кислоты. Структура и функции.
Нуклеотиды. АТФ . Значение .
➢ Универсальный носитель энергии
➢ Связующее звено между процессами расщепления и биосинтеза
АТФ
АДФ + Фнеорганический + энергия
➢ Служит специфической сигнальной молекулой –
ц АМФ
(циклический аденозин монофосфат)
➢ Входит в состав КоФерментов
(КоА, ФАД, НАД+, НАДФ+)
Нуклеиновые кислоты. Структура и функции.
РНК
5
Одноцепочечная
молекула РНК
основания
5
5
Двухцепочечные
участки
3
3
3
т РНК
Первичная структура РНК – полинуклеотидная
однонитевая молекула, мономеры – рибонуклеотиды:
А, Г, Ц, У,связанные фосфодиэфирной связью.
Вторичная структура РНК возникает за счет
образования водородных связей между
азотистыми основаниями и формирования петель
Спирализованные
участки
Виды РНК:
Транспортная -тРНК
информационная (матричная) – и (м)РНК
Рибосомная - рРНК
Микро РНК – ми РНК
Нуклеиновые кислоты. Структура и функции.
Транспортная РНК
➢ Имеет вторичную структуру
➢ Перенос аминокислот к рибосомам
80-100 нуклеотидов
Нуклеиновые кислоты. Структура и функции.
тРНК. Функциональные участки
аминокислота
место связывания с
амнокислотой
аминокислота + тРНК + АТФ
Аминоацилтрансфераза
аминоацил-тРНК + АМФ + PPi
Спаренные
основания
антикодон
кодон
Нуклеиновые кислоты. Структура и функции.
рРНК
➢ рРНК (80% от общей РНК клетки, 3000-5000 нуклеотидов ) – основные структурные и
функциональные компоненты рибосом,
➢ участвуют в биосинтезе белка.
Рибосома эукариот
Нуклеиновые кислоты. Структура и функции.
иРНК
➢ Одноцепочечный полинуклеотид (300-30000 нуклеотидов)
➢ Комплементарная копия генов ДНК ( А-У, Г-Ц), содержащая
информацию об аминокислотных последовательностях белков.
➢ У прокариот мРНК содержат нуклеотидные
последовательности для кодирования
нескольких белков полицистронные мРНК
➢ мРНК эукариот обычно кодируют одну
полипептидную цепь -моноцистронные
мРНК.
➢ Триплет рибонуклеотидов, соответствующий
одной аминокислоте-кодон
Нуклеиновые кислоты. Структура и функции.
миРНК
➢ Ми́ кроРНК (англ. microRNA, miRNA) — малые некодирующие молекулы РНК
длиной 18—25 нуклеотидов
➢ обнаружены у растений, животных и некоторых вирусов (около 2000 ,
2017г.: Составлен Атлас миРНК)
➢ Регулируют экспрессию генов путём РНК-интерференции (процесс подавления
экспрессии гена на разных уровнях )
➢ Обнаружены внутриклеточные и внеклеточные (циркулирующие) микроРНК
!!! применение микроРНК в диагностике и лечении раковых заболеваний
Нуклеиновые кислоты. Структура и функции.
ДНК
5
5
➢ Двухцепочечная полинуклеотидная
молекула
➢ Мономеры - дезоксирибонуклеотиды
➢ Цепи – комплементарны,
антипараллельны, закручены в спираль
➢ водородные связи (А-Т, Г-Ц) удерживают
цепи вместе
➢ А=Т, Ц=Г (правило Чаргаффа)
3
3
Нуклеиновые кислоты. Структура и функции.
ДНК. Значение
➢ Хранение генетической информации в виде нуклеотидных
последовательностей.
«Ген - совокупность геномных последовательностей ,
кодирующих сходный набор функциональных продуктов
(белков, РНК)
➢ Реализация генетической информации
(биосинтез белков: транскрипция, трансляция)
➢ Передача генетической информации (репликация, репарация)
Реализация и передача генетической информации
осуществляется в процессах матричного синтеза
Доказательство генетической роли
нуклеиновых кислот.
Трансформация (от лат. transformatio - превращение)—поглощение
бактериальной клеткой свободной молекулы ДНК из среды и встраивание её
в собственный геном.
Клетка при этом приобретает новые наследуемые признаки, характерные для
организма-донора ДНК.
Трансдукция (от лат. transductio — перемещение) — процесс переноса ДНК
из одной бактериальной клетки в другую с помощью бактериофага.
Трансформация впервые была открыта в 1928 Ф. Гриффитом.
В 1944 О. Эвери с сотрудниками показал, что превращение некоторых
непатогенных бактерий в патогенные осуществляется в результате переноса в
геном первых ДНК, высвобождающейся из клеток вирулентных штаммов.
Трансформацию используют в генетической инженерии для введения в клетку
генов, несущих заданную информацию.
S-штамм бактерий пневмококка:
вирулентные, с капсулой,
гладкие колонии
R- штамм бактерий пневмококка:
невирулентные, без капсулы,
шероховатые колонии
Бактерии R-штамма поглощают
ДНК из разрушенных клеток S-штамма
и трансформируются, т.е. приобретают новые
свойства – вирулентность, капсулу,
формируют гладкие колонии.
Трансформация
Бактерии мышиного тифа Salmonella typhimurium
штамм 22А:
штамм2А:
не синтезируют аминокислоту
(trp+)
Триптофан (trp-)
лизогенные по фагу
инкубация
«научились» синтезировать триптофан
непроницаемый для бактерий
Вирусы при размножении захватывают
часть генетического материала хозяина
(гены, отвечающие за синтез триптофана)
и переносят его в заражаемые клетки
Пути развития бактериофагов в клетке
Литический
после попадания в бактерию ДНК фага
сразу же начинается его репликация,
синтез белков и сборка готовых
фаговых частиц, после чего
происходит лизис клетки.
Фаги, развивающиеся только по
такому сценарию, называют
вирулентными.
Лизогенный
ДНК фага встраивается в хромосому бактерии
или существует в ней как плазмида,
реплицируясь при каждом делении клетки.
(Бактерии лизогенные по фагу )
Такое состояние бактериофага носит название профаг.
Система его репликации в этом случае подавлена
синтезируемыми им самим репрессорами. При снижении
концентрации репрессора профаг индуцируется и
переходит к литическому пути развития.
Такие бактериофаги называются
умеренными.
Для некоторых из них стадия профага является
обязательной, другие в некоторых случаях способные сразу
развиваться по литическому пути.
Эксперимент Алфреда Херши и Марты Чейз (1952г.)доказал, что
генетическая информация находится в ДНК. Эксперимент состоял
из серии опытов с мечеными белками и ДНК. Хотя ДНК была
известна ещё с 1869 года, ко времени эксперимента многие
учёные считали, что наследственная информация находится в
белках.
Репликация. Точка начала репликации.
Репликация носит полуконсервативный характер
Репликация. Точка начала репликации.
У прокариот-точка начала репликации –одна,
у эукариот – несколько
Репликация. Точка начала репликации.
Прокариоты.
Репликация. Точка начала репликации.
Эукариоты.
Репликация.Репликон.
Репликативная вилка.
Репликативная вилка
белки
лигаза
Материнская ДНК
Дочерняя ДНК
Реализация генетической информации
Центральная догма молекулярной биологии
репликация
ДНК
транскрипция
транскрипция
РНК
обратная
транскрипция
РНК
трансляция
общие
белок
специальные
Правило было сформулировано
Френсисом Криком в 1958 году
Транскрипция - первый этап реализации
генетической информации в клетке
➢ Синтез РНК по матрице ДНК
ферментом ДНК-зависимой РНК
полимеразой
➢ Транскрибируется не вся ДНК, а
лишь отдельные ее участки –
гены
➢ Кодирующая цепь – цепь ДНК с
которой информация будет
скопирована на РНК
➢ Матричная цепь – цепь ДНК
комплементарная кодирующей
по матрице которой идет синтез
РНК
Строение гена
Общая схема
Каждый ген состоит из регуляторной зоны и единицы
транскрипции.
Цистрон — термин, синонимичный термину «ген»,
обозначающий участок ДНК, ответственный за синтез
определённого белка
Части гена
Промотор — последовательность
нуклеотидов ДНК, узнаваемая РНКполимеразой как стартовая площадка для
начала транскрипции.
Оператор — это последовательность
нуклеотидов ДНК, с которой связывается
регуляторный белок — репрессор или
активатор
Терминатор— нуклеотидная
последовательность ДНК, на которой
завершается транскрипция гена или
оперона
Нетранслируемые области — особые
участки мРНК, не выступающие в
качестве матрицы для синтеза белка и
прилегающие с обеих сторон к
транслируемой области (кодирующей,
на матрице которой синтезируется
белок). Таких области две: 5'нетранслируемая область и 3'нетранслируемая область
«сопроводительные документы»
Старт-кодон — первый кодон
матричной РНК, c которого начинается
трансляция белка в рибосоме
Стоп-кодон — единица генетического
кода, тройка нуклеотидных остатков
(триплет) в ДНК — кодирующая
прекращение синтеза полипептидной цепи
(трансляцию)
Строение гена
Прокариоты
Оперон — функциональная единица генома у прокариот, в состав
которой входят цистроны (гены, единицы транскрипции),
кодирующие совместно или последовательно работающие белки
Сопряжение транскрипции и трансляции
у прокариот
У прокариот нет разделения транскрипции
и трансляции в пространстве и времени ( в
отличие от эукариот), поэтому с
синтезирующейся мРНК сразу же может
быть транслировано сразу несколько
белков
Строение гена
Эукариоты
Экзоны – участки ДНК, копии которых составляют зрелую РНК (смысловые участки)
Интроны – участки ДНК, копии которых удаляются из первичного транскрипта и
отсутствуют в зрелой РНК
Сравнение генов прокариот и эукариот
Принципы транскрипции
➢ Комплементарность
➢ Антипараллельность
➢ Униполярность
➢ Асимметричность
Этапы транскрипции
1. Инициация
2. Элонгация
3. Терминация
Инициация
сайты узнавания
РНК-полимераза узнает
промотор
транскрибируемая область
ДНК
промотор
РНК
полимераза
ДНК
однонитевой фрагмент
Элонгация (рост цепочки РНК)
РНК-полимераза движется по гену
РНК
полимераза
кодирующая цепь
ДНК
материнская цепь
РНК
Кодирующая цепь
РНК
Материнская цепь
Цепь достраивается за счет добавления
активированных нуклеотидтрифосфатов
Терминация (завершение)
Терминатор
РНК
полимераза
ДНК кодирующий Rho
связывающий сайт
Точка терминации транскрипции
ДНК
РНК
полимераза
Rho
связывающий
сайт
РНК
ДНК
Терминатор
РНК
В области терминатора находится
инвертированный повотор, который
приводит к образованию петли на РНК
Процессинг пре м-РНК у эукариот
Для корректного выполнения функций перед выходом из ядра и-РНК должна
претерпеть некоторые изменения = созреть:
пре м-РНК
➢ Полиаденилирование и КЭПирование концов РНК
5’кэп
➢ Сплайсинг
3’поли А хвост
Экзоны
Интроны
Сплайсинг
зрелая м-РНК
Альтернативный сплайсинг
Белки
Жизнь – результат химической активности белков
(с нуклеиновыми кислотами, кодирующими и производящими их)
Поперечный срез через
Кишечную палочку
демонстрирует разнообразие и
плотность макромолекул
образующих клетку
Разнообразие белков
Размеры белков
Первичная структура белка.
Аминокислоты.
Белки –гетеро
биополимеры,
мономерами которых
являются
аминокислоты.
Радикал – уникальная часть аминокислоты, от которой зависят её физикохимические характеристики и дальнейшие свойства белка
Всего насчитывается 20 аминокислот, отличающихся друг от друга строением
радикала
Первичная структура белка.
Аминокислоты.
Среди аминокислот
есть
восемь незаменимых
(те которые организм
человека не способен
синтезировать
самостоятельно) для
человека: треонин,
фенилаланин, лизин,
триптофан, валин,
метионин, лейцин и
изолейцин. В детском
возрасте к ним
добавляются аргинин
и гистидин.
Первичная структура белка
Пептидная связь – это ковалентная
связь между атомом азота аминогруппы
одной аминокислоты и атомом углерода
карбоксильной группы другой
аминокислоты. Образующаяся молекула
представляет собой дипептид.
Просто цепочка аминокислот,
соединённых друг с другом в полипептид,
образует так называемую первичную
структуру белковой молекулы. Обычно в
состав белка входит от 50 до нескольких
тысяч аминокислот ( в среднем 100).
Вторичная структура белка
α-спираль
пространственная
конфигурация
полипептидной цепи,
(расположение в
пространстве) формируется
за счет образования
водородных связей между
аминокислотами
β-складчатость
кератин
фиброин
(волокна шёлка)
Третичная и четвертиная
структуры белка
Третичная структура белка формирует
паттерны (рисунки) из сочетающихся
повторений спиралей и складчатости.
Пример белка с третичной структурой –
пепсин
Образование четвертичной структуры
происходит тогда, когда несколько
полипептидов с третичной структурой
соединяются в комплекс.
У гемоглобина 4 полипептидные глобулы
связываются в комплекс с небелковой частью
– гемом.
Биосинтез белка
Трансляция
Трансляция – это процесс
синтеза белка на матрице
информационной РНК,
происходящий на рибосомах.
Синтез белка идет в
направлении от 5’ к 3’-концу
РНК.
ОСНОВНЫЕ УЧАСТНИКИ
• тРНК несущая аминокислоты
• мРНК выполняющая роль
матрицы
• большая и малая субъединицы
рибосом осуществляющая сам
процесс
Кодон=Триплет – последовательность
из трех нуклеотидов на мРНК
кодирующих аминокислоту
Антикодон – последовательность из
трех нуклеотидов на тРНК
комплементарная кодону
Генетический код
Способ кодирования аминокислотной последовательности белков с помощью
последовательности нуклеотидов. Каждая аминокислота кодируется
последовательностью из трех нуклеотидов – кодоном (триплетом)
Генетический код
Среди триплетов есть 4 специальных последовательности,
выполняющих функции «знаков препинания»
• СТАРТ-КОДОН триплет АУГ (AUG), также
кодирующий метионин с этого кодона
начинается синтез молекулы белка.
Таким образом, во время синтеза белка, первой
аминокислотой в последовательности всегда будет
метионин.
• СТОП-КОДОНЫ - триплеты УАА, УАГ, УГА
(UAA, UAG и UGA) не кодируют ни одной
аминокислоты. На этих
последовательностях синтез белка
прекращается.
Свойства генетического кода
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Триплетность. Каждая аминокислота
кодируется последовательностью из
трех нуклеотидов – триплетом
(кодоном).
Непрерывность. Между триплетами нет
никаких дополнительных нуклеотидов,
информация считывается непрерывно.
Неперекрываемость. Один нуклеотид
не может входить одновременно в два
триплета.
Однозначность. Один кодон может
кодировать только одну аминокислоту.
Вырожденность. Одна аминокислота
может кодироваться несколькими
разными кодонами.
Универсальность. Генетический код
одинаков для всех живых организмов.
Функции белков
•
•
•
•
Структурная – являются составными
частями сложных компонентов клеток (нр белок тубулин собирается в
микротрубочки)
Ферментативная – катализируют
(ускоряют) некоторые биохимические
процессы. Все ферменты – белки, но не
все белки ферменты (амилаза)
•
Запасающая функция – например
запасание питательных веществ в
растительных семенах (вспомните, что
бобовые, орехи являются богатой
белками пищей)
Энергетическая функция – при
расщеплении 1 г выделяется 17,6 кДж
энергии, но использование белка как
источника энергии происходит только в
крайнем случае (когда израсходованы
запасы жиров и углеводов)
•
•
•
•
Транспортная – перенос веществ или
компартментов клетки, н-р через
мембрану или же в токе крови
(гемоглобин) или внутри клетки
Сократительная – на этой функции
основана работа мышц (актинмиозиновые комплексы)
Защитная – белки иммунной системы,
токсичные белки (н-р белковые яды
змей)
Сигнальная – оповещают организм о
каком-либо воздействии (н-р белок
опсин, входящий в состав пигмента
родопсина)
Регуляторная – регулируют некий
процесс в организме (н-р белковые
гормоны, такие как инсулин)
Центральная догма молекулярной биологии
ДНК
РНК
белок
УГЛЕВОДЫ
Р - 70-90%
Клетки
Ж - 1-2%
от сухой
массы
С, О, Н
Сn (Н2О)n
С6Н12О6
С4Н8О4
Образуются из воды (Н2О) и углекислого газа (СО2) в процессе фотосинтеза,
происходящего в хлоропластах зеленых растений
УГЛЕВОДЫ
Моно–
(М)
С3 Триозы
(ПВК, молочная к-та)
Олиго(ди)–
(М+М)
Сахароза
С4 Тетрозы
(глюкоза+фруктоза)
С5 Пентозы
Мальтоза
(рибоза, фруктоза,
дезоксирибоза)
С6 Гексозы
Поли–
(..М+М..)n
Крахмал
Целлюлоза
(глюкоза+глюкоза)
Гликоген
Лактоза
Хитин
(глюкоза+галактоза)
(глюкоза, галактоза)
У всех углеводов есть
карбонильная группа:
Моносахариды
бесцветные кристаллические вещества.
Они хорошо растворяются в воде и имеют
сладкий вкус. Моносахариды разделяют на
группы по количеству атомов углерода в
молекуле. Важнейшими являются
молекулы, которые имеют пять атомов
углерода (С5) – пентозы и шесть (С6) –
гексозы.
С6H12O6
Числительное
Моносахариды
три
триОЗЫ
тетра
терОЗЫ
пента
пентОЗЫ
гекса
гексОЗЫ
гепта
гептОЗЫ
окта
октОЗЫ
нона
нонОЗЫ
Глюкоза
В клетках живых организмов
органические вещества
находятся в водном растворе. В
воде моносахариды могут
принимать циклическую
форму.
Олигосахариды
Олигосахариды построены по принципу
полимеров и включают от 2 до 10
моносахаридов.
По физическим свойствам олигосахариды
близки к моносахаридам. Так как они имеют
также относительно небольшую молекулу,
все олигосахариды обладают
кристаллическим строением, хорошо
растворимы в воде и сладкие на вкус.
Если в состав олигосахаридов входит два
остатка моносахаридов, они
называются дисахаридами.
Полисахариды
Функции сахаров
Структурная – углеводы используются как строительный материал,
например клеточные стенки растений и грибов имеют полисахаридную
природу
Энергетическая – наиболее энергетически активным сахаром является
глюкоза, сложные углеводы тоже можно назвать источниками энергии
но, только если они расщепятся до глюкозы
при окислении 1 г углеводов высвобождается 17.6 кДж энергии
Запасающая – живым организмам выгоднее сохранять питательные
вещества в форме полимеров, эти молекулы нерастворимы в воде, не
оказывают влияния на осмотическое давление в клетке и практически
недоступны для разложения бактериями. Сахара в этом смысле,
наиболее выгодны, основные запасные вещества:
• у растений – крахмал
• у животных и грибов – гликоген
Бензин, эфир,
хлороформ
ГИДРОФОБНЫ
ЛИПИДЫ
спирт
 С, О, Н  (глицерин)
ТРИГЛИЦЕРИДЫ
ВОСКА
Спирт глицерин +
жирные кислоты
ЖИРЫ (твердые)
Спирт + ненасыщенные
(предельные) жирные
кислоты
МАСЛА (жидкие)
Спирт + непредельные
жирные кислоты
5-10%, в жировых клетках до 90%
Сложные эфиры
высших жирных кислот и одноатомных
высокомолекулярных
спиртов
ГЛИКОЛИПИДЫ
Липиды + углеводы
жирные
кислоты
СТЕРОИДЫ
ФОСФОЛИПИДЫ
Спирт холестерол +
жирные кислоты
Глицерин + жирные
кислоты + остаток
фосфорной кислоты
ВИТАМИНЫ
(А, D. E, К)
ЛИПОПРОТЕИНЫ
ГОРМОНЫ
(надпочечников,
половые)
Липиды + белки
ФУНКЦИИ:
1. Опорноструктурная
3.Энергетическая
39,1 кДж
2.Защитная
(терморегуляторная)
4.Запасающая
5.Регуляторная
(гормональная)
6.Источник
метаболической
воды
Виды липидов
ТРИГЛИЦЕРИДЫ
ЖИРЫ
(твердые)
Спирт глицерин +
жирные кислоты
МАСЛА
(жидкие)
Спирт + ненасыщенные
(предельные) жирные
кислоты
Виды липидов
ФОСФОЛИПИДЫ
Образуют мембраны клеток
Остаток
фосфорной
к-ты
Глицерин
Жирные кислоты
ГИДРОФИЛЬНАЯ
ГОЛОВКА
ГИДРОФОБНЫЕ
ХВОСТЫ
Виды липидов
ВОСКА
Растительные
Животные
СТЕРОИДЫ
Спирт холестерол + жирные кислоты
ВИТАМИНЫ
ГОРМОНЫ
(К, E, D, А)
(надпочечников,
половые)
ГЛИКОЛИПИДЫ
Липиды + углеводы
Локализованы преимущественно на наружной поверхности
плазматической мембраны, где их углеводные компоненты
входят в число других углеводов клеточной поверхности. могут
участвовать в межклеточных взаимодействиях и контактах.
Некоторые из них являются антигенами.
ЛИПОПРОТЕИНЫ
Липиды + белки
Почти все липопротеины образуются в печени.
Основной функцией липопротеинов является транспорт
липидных компонентов к тканям.
Запасающая
Опорноструктурная
Липиды принимают участие
в построении мембран
клеток всех органов и
тканей обуславливая их
полупроницаемость,
участвуют в образовании
многих биологически
важных соединений
Энергетическая
На долю липидов приходит-ся
25-30% всей энергии, необходимой организму. При окислении
1 г жира выделяется 39,1 кДж энергии
Каталитическая
Жирорастворимые витамины
К, Е, D, А являются коферментами (небелковой частью)
ферментов
Регуляторная (гормональная)
Гормоны – стероиды (половые, надпочечников) способны
изменять активность многих ферментов, усиливая или
подавляя действие ферментов и тем самым регулируя
протекание физиологических процессов в организме
Защитная функция
1. Механическая
(амортизация ударов, жировая
прослойка брюшной полости защищает
внутренние органы от повреждений)
2. Терморегуляционная
(теплоизоляционная) – жир плохо
проводит тепло и холод
3. Электроизоляционная
(миелиновая
оболочка
нервных
волокон)
Источник
метаболической воды
При распаде
1 кг жира
выделяется
1,1 кг воды