Матричные синтезы: общая характеристика, виды, биологическая роль. Что является матрицей в каждом из процессов.. Реферат. Матричные синтезы общая характеристика, виды, биологическая роль. Что является матрицей в каждом из процессов
 Скачать 43.36 Kb.
|
|
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования " Северный государственный медицинский университет" Министерства здравоохранения Российской Федерации Кафедра клинической биохимии, микробиологии и лабораторной диагностики Реферат на тему: «Матричные синтезы: общая характеристика, виды, биологическая роль. Что является матрицей в каждом из процессов. Преподаватель: Синицкая Е.Н Выполнили: студентки 2 курса 3 группы стоматологического факультета Митрян Кристина Сергеевна, Щукина Татьяна Николаевна ОГЛАВЛЕНИЕВВЕДЕНИЕ 3 Общая характеристика 4 Основной постулат молекулярной биологии 5 Виды матричных синтезов 6 Репликация (синтез ДНК) 6 Биосинтез РНК (транскрипция) 9 Трансляция (биосинтез белка) 11 Обратная транскрипция 13 Репликация РНК 14 Вывод 15 Литература 17 ВВЕДЕНИЕПервичную структуру важнейших биополимеров белков и нуклеиновых кислотможно сравнить с буквенной записью: и в том, и в другом случае имеется не произвольное, а строго определенное, «имеющее смысл» чередование элементовномеров или букв. На этом основании нуклеиновые кислоты и белки называютинформационными молекулами. Чтобы получить такие молекулы, недостаточносмешать мономеры и обеспечить условия образования пептидной или фосфодиэфирной связи: необходима еще программа, определяющая последовательностьприсоединения разных мономеров к растущей цепи полимера. При биосинтезеновых молекул нуклеиновых кислот и белков носителями такой программы являются нуклеиновые кислотыРНК и ДНК; в этой роли их называют матрицами. Они представляют собой полимерные молекулы, в состав которых входят азотистые основания пяти типов, пентозы двух типов и остатки фосфорной кислоты. Азотистые основания в нуклеиновых кислотах могут быть пуриновыми (аденин, гуанин) и пиримидиновыми (цитозин, урацил (только в РНК), тимин (только в ДНК)). В зависимости от строения углевода выделяют рибонуклеиновые кислоты – содержат рибозу (РНК), и дезоксирибонуклеиновые кислоты – содержат дезоксирибозу (ДНК). Матрица в ходематричного синтеза не расходуется и может использоваться многократно; в этомотношении она сходна с катализатором. И так матричные биосинтезы – это синтезы с использованием матрицы, с помощью которой̆ осуществляется образование информационных молекул ДНК (в роли матрицы выступают обе материнские цепи ДНК), РНК (в роли матрицы выступает одна из цепей̆ ДНК) и белка. Термин "матричные биосинтезы" подразумевает способность клетки синтезировать полимерные молекулы, таких как нуклеиновые кислоты и белки, на основе шаблона – матрицы. Это обеспечивает точную передачу сложнейшей структуры от уже существующих молекул к новосинтезируемым. Общая характеристикаМатрицей для образования нуклеиновых кислот является фрагмент цепи ДНК, а для белка — цепь мРНК. Синтез ДНК происходит одновременно на обеих цепях ДНК-матрицы, а синтез РНК — на одной из ее цепей. В обоих случаях необходимо расплетениедвухспиралыюй ДНК и формирование условий протекания матричного синтеза. Кроме матрицы, необходимы субстраты, являющиеся строительным материалом при образовании биополимеров, а также ферменты, катализирующие соответствующие биосинтетические процессы. Субстратами для синтеза ДНК являются дезоксирибонуклеозидтрифосфаты, а для синтеза РНК — рибонуклеозидтрифосфаты. Аминокислоты, соединенные с тРНК, служат субстратами для синтеза белка. Ферменты, катализирующие матричный синтез нуклеиновых кислот, называются ДНК- или РНК-полимеразами. В некоторых случаях цепь мРНК может служить матрицей не только для синтеза белка, но и для синтеза ДНК. Этот процесс катализируется ферментом обратной транскриптазой. Каждый из трех синтезов биополимеров включает в себя три этапа: инициацию — начало образования полимера из двух мономеров; элонгацию — наращивание полимерной цепи; терминацию — прекращение матричного синтеза. Механизмы синтеза ДНК одинаковы для прокариот и для эукариот. В их основе заложены принципы комплементарности азотистых оснований (А=Т и Г=Ц), обеспечивающие строгое соответствие нуклеотидной последовательности родительской и дочерней цепей ДНК. Основной постулат молекулярной биологииВ подавляющем большинстве случаев передача наследственной информации от материнской клетки к дочерней осуществляется при помощи ДНК (репликация). Для использования генетической информации самой клеткой необходимы РНК, образуемые на матрице ДНК (транскрипция). Далее РНК непосредственно участвуют на всех этапах синтеза белковых молекул (трансляция), обеспечивающих структуру и деятельность клетки. На вышесказанном основана центральная догма молекулярной биологии, согласно которой перенос генетической информации осуществляется только от нуклеиновой кислоты (ДНК и РНК). Получателем информации может быть другая нуклеиновая кислота (ДНК или РНК) и белок. Виды матричных синтезовРазличают три основных типа матричных биосинтезов: биосинтез ДНК (репликация ДНК) с использованием в качестве матрицы существующих молекул ДНК; биосинтез РНК на матрице ДНК (транскрипция); биосинтез белков с использованием мРНК в качестве матрицы (трансляция). Возможен также биосинтез ДНК на матрице РНК (обратная транскрипция) и синтез РНК на матрице РНК (репликация РНК). Репликация (синтез ДНК)Синтез ДНК протекает в ядре в S-фазу клеточного цикла и предшествует делению клетки. Процесс стимулируют митогенные сигналы, некоторые гормоны и ростовые факторы. Первоначально клетка из состояния покоя Gо вступает в G1-фазу, в ходе которой̆ синтезируются ферменты и белки, необходимые для синтеза ДНК. В S-фазу идет синтез ДНК, и диплоидная клетка (содержащая две копии генома) превращается в тетраплоидную (четыре копии генома), а в ходе митоза она делится, образуя две дочерние диплоидные клетки. В эукариотических клетках синтез ДНК начинается одновременно во многих участках ДНК, которые имеют специфическую нуклеотидную последовательность и называются ориджинами репликации. Каждая нить ДНК становится матрицей̆, и от каждого ориджина в противоположных направлениях движутся две репликативные вилки. Процесс является полуконсервативным, так как по завершении репликации каждая дочерняя молекула ДНК содержит одну родительскую нить и одну вновь синтезированную Субстратами являются четыре дезоксинуклеозидтрифосфата (дНТФ): дАТФ, дТТФ, дЦТФ, дГТФ. Они содержат богатые энергией̆ связи и служат строительным материалом синтеза и донорами энергии. Поскольку ДНК в клетке находится в суперспирализованном состоянии, а матрицей служат одиночные цепи, то сначала необходимо подготовить матрицу. Это делают ферменты топоизомераза и хеликаза. Топоизомераза раскручивает суперспираль, освобождает ее от белков и превращает в дуплекс. Хеликаза превращает дуплекс в одиночные цепи. В синтезе дочерней цепи участвует ДНК-полимераза, но она может лишь удлинять уже существующие цепи. Поэтому сначала при участии праймазы образуется «затравка» или праймер, представляющий небольшой фрагмент РНК, к которому ДНК-полимераза по принципу комплементарности начинает пришивать дезоксиНМФ, строя дочернюю цепь. Синтездочерней цепи начинается с 5`конца. При этом одна дочерняя цепьсинтезируется непрерывно (она называется лидирующей), а другая (отстающая) в виде фрагментов, которые затем сшивает ДНК-лигаза. Регуляция репликации и клеточного цикла: Циклины и циклинзависимыепротеинкиназы. Существует связь репликации с клеточным циклом. Биосинтез ДНК происходит в синтетическую фазу клеточного цикла. Клеточный̆ цикл регулируется: в конце фазы G1 есть точка рестрикции (задержки), в которой̆ накапливаются циклины, снимается ингибирование и наступает переход фазы G1 в фазу S, т.е. начинается цикл. В конце S-фазы клетка получает сигнал для перехода в фазу G2. В конце фазы G2 есть точка, в которой̆ запускается митоз. Продукты протоонкогенов и антионкогенов. Протоонкогены – это гены, способствующие пролиферации и тормозящие дифференцировку; антионкогены – это гены, способствующие дифференцировке и тормозящие пролиферацию. Соотношение экспрессии этих генов определяет одну из двух главных клеточных программ. ФРК с рецепторами, ретиноат (ретиноевая кислота) и кальцитриол. Ретиноат снижает процессы пролиферации и увеличивает дифференцировку. Большинство ФРК через свои рецепторы активируют процессы пролиферации и снижают дифференцировку. Кальцитриол увеличивает дифференцировку и снижает пролиферацию гемопоэтических клеток и клеток некоторых опухолей̆. Под воздействием различных факторов могут происходить изменения в генетической̆ информации, при этом нарушаются нуклеотидные последовательности в ДНК – возникают мутации. Факторы, вызывающие мутации, называют мутагенами. Некоторые из них могут способствовать канцерогенезу. Они могут быть физическими (излучения, высокая температура), химическими (прооксиданты, алкиляторы) и биологическими (вирусы, бактерии, глисты). Замена одного нуклеотида другим может привести к синтезу белка, в котором одна аминокислота заменена другой. В большинстве случаев нарушение генетической информации приводит к протеинопатиям, при которых нарушен синтез специфических белков (при серповидноклеточной анемии синтезируется дефектный гемоглобин S, в результате чего эритроциты приобретают измененную форму, что приводит к нарушению транспорта кислорода). Если эти белки обладают ферментативной активностью, то такие протеинопатии называют энзимопатиями. Процесс, позволяющий живым организмам восстанавливать повреждения, возникающие в ДНК, называют репарацией. Все репарационные механизмы основаны на том, что ДНК – двухцепочечная молекула, то есть в клетке есть две копии генетической информации. Если нуклеотидная последовательность одной̆ из двух цепей̆ оказываетсяповрежденной, информацию можно восстановить, так как вторая (комплементарная) цепь сохранена. Повреждения, затрагивающие обе цепи ДНК, при которых нарушается структура нуклеотидов комплементарной пары, не репарируются. При возникновении ошибки из цепи ДНК вырезается поврежденный участок, на его месте образуется брешь, на месте которой ДНК-полимераза достраивает цепь ДНК, а ДНК-лигаза «пришивает» синтезированный фрагмент к цепи ДНК. Репарация необходима для сохранения генетического материала на протяжении всей жизни. Нарушение репарационных систем могут быть причиной многих наследственных болезней, например, пигментной ксеродермы, при которой появляется сверхчувствительность к ультрафиолету и в 1500 раз возрастает риск рака кожи. Биосинтез РНК (транскрипция)Транскрипцией называют синтез всех видов РНК (матричной, рибосомальной, транспортной и малых РНК) по матрице ДНК. При этом матрицей является не вся цепь ДНК, а лишь небольшой ее участок, соответствующий гену. Субстратами для синтеза цепи РНК выступают НТФ. Синтез РНК, как и синтез ДНК, протекает с затратами энергии, необходимая для синтеза энергия освобождается при гидролизе НТФ, содержащих макроэргические связи. Катализирует транскрипцию РНК-полимераза. Особенностью данного фермента является то, что он предварительно «узнает» тот участок ДНК, который соответствует определенному гену. Участки ДНК, с которыми связывается РНК-полимераза для того, чтобы начался процесс транскрипции, называются промоторами. Фермент вместе с растущей цепью РНК постепенно перемещается вдоль участка молекулы ДНК, пока не будет распознан терминирующий участок – последовательность нуклеотидов, сигнализирующая об окончании информации относительно транскрибируемого гена. Считывание информации в процессе синтеза РНК всегда происходит только с одной цепи ДНК, другая цепь остается не транскрибируемой. Следует отметить, что основанием, комплементарным аденину, в цепи РНК будет урацил, а не тимин, как при репликации ДНК. Продуктом транскрипции являются различные виды про-РНК. Дело в том, что ген внутри неоднороден, он состоит из экзонов, несущих генетическую информацию, и интронов, которые не несут информацию, и разделяют экзоны. Во время транскрипции переписываются как экзоны, так и интроны. Синтезированная молекула про-РНК подвергается затем посттранскрипционной «доработке» – процессингу (рис. 7). При этом происходит удаление нуклеотидных последовательностей, соответствующих интронам (сплайсинг, катализируемый рибозимами – катализаторами РНКовой природы), а также 13 синтез характерных для большинства РНК концевых последовательностей и метилирование некоторых оснований. Регуляция транскрипции включает несколько механизмов: метилирование генов приводит к тому, что ген не подвергается прочитыванию, и его экспрессия тормозится; изменение структуры хроматина (гистоновый механизм). Пока ДНК находится в комплексе с белками, информация не реализуется. Для реализации информации, содержащейся в ДНК, необходимо удалить гистоновые белки. Это осуществляется, при участии ферментов протеинкиназ. В настоящее время считается, что наиболее частый случай – не фосфорилирование, а ацетилирование гистоновых белков; основной механизм регуляции транскрипции –это взаимодействие белковых транскрипционных факторов с регуляторными участками ДНК, другими транскрипционными факторами и белками. Перед каждым геном находится промотор, состоящий из двух участков. Один из участков промотора определяет место начала транскрипции, второй – её частоту. К регуляторным элементам относятся энхансеры (регуляторные участки ДНК, увеличивающие экспрессию гена), сайленсеры (регуляторные участки ДНК, которые снижают экспрессию) и регуляторные участки ДНК, реагирующие на гормоны, белки клеточного (теплового) шока, металлы, ксенобиотики, а также участки определения тканевой специфичности. Взаимодействие транскрипционных факторов с энхансерами, изменяет конформацию ДНК (происходит образование петли). При этом все транскрипционные факторы и гормон-рецепторные комплексы оказываются связанными с белковым комплексом, («коактиватор»). Он приходит в активное состояние и активирует базальный транскрипционный комплекс. В состав базального транскрипционного комплекса входит фермент РНК-полимераза, который при активации взаимодействует с промотором и далее идёт процесс транскрипции: образование про-РНК на матрице ДНК; возможно ингибирование малыми РНК, также в регуляции транскрипции участвуют гормоны и СТС; ранние и поздние ответы обусловлены временем появления белка (ранние ответы – белок обнаруживается в клетке не позднее, чем через 30 минут). Транскрипционные факторы входят в ядро и воздействуют на регуляторный участок "раннего" гена. В результате "ранний" ген экспрессируется: происходит транскрипция и образуется мРНК; зрелая мРНК выходит из ядра в цитоплазму, на рибосомах синтезируется белок, который является транскрипционным фактором для ряда "поздних" генов. Этот белок заходит в ядро и воздействует на регуляторные участки "поздних" генов. "Поздние" гены экспрессируются: на них образуются про-мРНК, затем в результате сплайсинга образуются мРНК, которые выходят в цитоплазму; с мРНК на рибосомах будут синтезироваться белки. Возникают поздние ответы. Трансляция (биосинтез белка)Трансляция (биосинтез белка) –процесс, в ходе которого информация о структуре белка, записанная в виде линейной последовательности нуклеотидов в молекуле зрелой мРНК, «переводится на язык аминокислот» при участии тРНК и рибосом. В результате образуется молекула белка со строго определенной первичной структурой. Включает в себя 5 этапов: Рекогниция (узнавание) и активация аминокислот. Инициация. Элонгация. Терминация. Фолдинг и посттрансляционная модификация. 2, 3 и 4 этапы называют трансляцией. Во время трансляции происходит перевод последовательности нуклеотидов мРНК в последовательность аминокислот синтезируемой полипептидной цепи. В основе такой передачи информации лежит биологический (генетический) код – способ шифровки последовательности аминокислот в ППЦ в виде последовательности нуклеотидов. Код триплетен (одну аминокислоту кодирует триплет нуклеотидов – кодон), код вырожден (то есть одну аминокислоту могут кодировать несколько триплетов), код непрерывный (триплеты следуют друг за другом непрерывно, между ними нет «запятых», то есть триплетов, разделяющих соседние кодоны); код неперекрывающийся и универсальный (он характерен для всех организмов – от простейших до человека). Важная роль в процессе трансляции принадлежит тРНК (рис.8.), в молекулах которых имеются центры связывания как с определенным кодоном мРНК (антикодоны), так и с аминокислотой, шифруемой этим кодоном. Для каждой аминокислоты имеется своя тРНК. Все тРНК имеют конформацию клеверного листа, получающуюся сочетанием спирализованных и неспирализованных участков молекулы. 3`конец тРНК является центром связывания аминокислот. Активация и узнавание аминокислот сводится к образованию аминоацил-тРНК (аатРНК), она сопряжена с гидролизом АТФ до АМФ. Реакцию катализируют аминоацил-тРНКсинтетазы. Для каждой из 20 аминокислот имеется свой фермент. Одна из петель тРНК необходима для связывания тРНК с ферментом активации аминокислот. Биосинтез белка осуществляется на рибосомах. До трансляции рибосомы находятся в виде большой и малой субъединиц. На этапе инициации происходит образование 15 функционально активной рибосомы. При этом соединяются большая и малая субъединицы, мРНК, для этого необходима энергия ГТФ и белковые факторы инициации. В образовавшейся рибосоме выделяют А-центр (аминоацильный) и П-центр (пептидильный). На этапе инициации в П-центр приносится метионил-тРНК. Синтез белка начинается с метионина и от N-конца к С-концу. Концевой метионин часто отщепляется еще в процессе элонгации. На этапе элонгации в А-центр рибосомы при участии ГТФ приносится аа-тРНК, антикодон которой комплементарен кодону мРНК, стоящему в А-центре. Затем аминокислота из П-центра (сначала это метионин) переносится на аминокислоту, стоящую в А-центре, и присоединяется к ней пептидной связью. В последствии из П-центра а А-центр будет переноситься пептид. Реакцию катализирует большая субчастица рибосомы. После транслокации – перемещения рибосомы относительно мРНК на один кодон – тРНК из Пцентра освобождается, а пептид, связанный с тРНК, оказывается в П-центре. Для транслокации требуется энергия ГТФ. Описанная последовательность событий элонгации повторяется: к следующему кодону мРНК присоединяется новая аа-тРНК, антикодон которой будет комплементарен кодону мРНК, стоящему в А-центре. Завершающий этап трансляции – терминация – наступает тогда, когда в А-центре окажется один из терминирующих кодонов. При этом происходит гидролиз сложноэфирной связи между полипептидом и последней тРНК. После трансляции происходит фолдинг с участием шаперонов и пострансляционная модификация. Она включает ограниченный протеолиз (например, превращение проферментов в ферменты), различные варианты химической модификации: фосфорилирование, гидроксилирование. Обратная транскрипцияНекоторые РНК-содержащие вирусы (вирус саркомы Рауса, ВИЧ) обладают уникальным ферментом – РНК-зависимой ДНК-полимеразой, часто называемой обратной транскриптазой или ревертазой. Этот фермент обладает время активностями. Первая из них – РНК-зависимая ДНК-полимеразная. Она обеспечивает синтез одноцепочечной комплементарной ДНК на матрице РНК. Вторая – рибонуклеазная активность, обеспечивающая удаление цепи РНК. Третья активность – ДНК-зависимая ДНК-полимеразная, обеспечивающая синтез второй цепи ДНК. В результате образуется ДНК которая содержит гены, обуславливающие развитие рака (онкогены). Эта ДНК встраивается в геном эукариотической клетки, где может в течение многих поколений оставаться в скрытом состоянии. При определенных условиях такие гены могут активироваться и вызвать репликацию вируса, при других же условиях они могут способствовать перерождению такой клетки в раковую. Вирусы с таким механизмом размножения индуцируют развитие опухолей у животных и человека, поэтому их еще называют онкогенными вирусами. Репликация РНКОтличие вирусов от других организмов заключается в двух особенностях: 1) вирусная частица (вирион) содержит только один вид нуклеиновых кислот — или ДНК, или РНК; 2) вирионы отличаются необычной для живых существ простотой организации — они не имеют собственного метаболизма, не содержат клеточных органелл, в том числе рибосом, и очень часто состоят только из нуклеиновой кислоты, заключенной в белковую оболочку. В связи с этим вирусы способны размножаться исключительно за счет использования метаболического аппарата другой клетки, то есть они являются внутриклеточными паразитами. Многие вирусы в качестве генетического материала содержат ДНК, но есть группа вирусов, геном которых представлен рибонуклеиновой кислотой. Размеры генома вирусов невелики. Механизм репликации генома ДНК-содержащих вирусов принципиально не отличается от репликации ДНК других организмов. РНК-содержащие вирусы по механизму репликации генома делятся на две группы. В одну группу входят полиовирус, вирусы гриппа, бешенства, везикулярного стоматита, реовирусы, вирусы свинки, кори и др. Репликация РНК этих вирусов происходит при участии РНК-репликазы (РНК-зависимой РНК-полимеразы); фермент катализирует синтез РНК, используя в качестве матрицы тоже РНК. Такого фермента нет в клетках организма-хозяина: он содержится в самих вирусных частицах и вместе с ними попадает в инфицируемую клетку. B результате действия РНК_полимеразы увеличивается количество молекул вирусной РНК. Одновременно происходит трансляция этих РНК и образуются вирусные белки, в том числе РНК-репликаза. Цикл размножения завершается самосборкой вирионов. Репликация генома другой группы РНК-содержащих вирусов происходит через промежуточное образование ДНК. Эти вирусы содержат обратную транскриптазу (РНК-зависимую ДНК-полимеразу). Обратная транскриптаза катализирует синтез ДНК, используя в качестве матрицы РНК; при этом сначала образуется гибридная молекула РНК-ДНК, а затем на цепи ДНК синтезируется комплиментарная ей вторая цепь. В результате получается двунитевая молекула ДНК. Вирусная ДНК затем интегрируется с геномом клетки-хозяина, т. е. целиком включается в ДНК клетки, образуя в ней группу вирусных генов в ряду собственных генов клетки. В составе генома происходит транскрипция вирусной ДНК и образуется большое количество вирусной РНК, которая используется для синтеза вирусных белков. Затем из этих белков и РНК происходит самосборка вирионов. Некоторые вирусы с таким механизмом размножения индуцируют развитие опухолей у животных (онкогенные вирусы). ВыводМатричный синтез (от лат. mater — основа, мать) — способ воспроизводства молекул ДНК и синтеза молекул РНК, при котором одна нить ДНК служит матрицей (образцом) для построения дочерней молекулы. Такой способ обеспечивает копирование наследственной информации и реализацию ее в процессе белкового синтеза. И если происходят какие-либо нарушения в процессах копирования этой информации и дальнейшей реализации, то это влечет за собой множество наследственных заболеваний. ЛитератураСеверин Е.С., Алейникова Т.Л., Осипов Е.В., Силаева С.А. Б63 Биологическая химия. — М.: ООО «Медицинское информационное агентство», 2008. — 364 с. Охремчук, Г. П. Биология человека (практикум) [Электронный ресурс] : [учеб. пособие] / Г. П. Охремчук .— Хабаровск : ДВГАФК, 2009 .— 76 с. : ил. — Режим доступа: https://rucont.ru/efd/284492 Егорова, И. Э. Е 30 Биохимия. Часть II. : учебное пособие для студентов / И. Э. Егорова, А. И., Суслова, В. И. Бахтаирова, ГБОУ ВПО ИГМУ Минздрава России. – Иркутск : ИГМУ, 2014. – 83с. Происхождение белкового синтеза и генетического кода [Электронный ресурс] / Никитин // Химия и жизнь ХХI век .— 2013 .— №7 .— С. 20-23 .— Режим доступа: https://rucont.ru/efd/249003 https://biokhimija.ru/matrichnye-biosintezy/dogma.html https://studfile.net/preview/4695501/ https://bio.wikireading.ru/7767 |