ответы бх. Общая схема распада нуклеиновых кислот пищи, ферменты, субстраты
 Скачать 5.47 Mb.
|
|
1. Общая схема распада нуклеиновых кислот пищи, ферменты, субстраты, продукты. Пищевые нуклеопротеины, попадая в организм человека, в желудке отщепляют компонент и денатурируют под действием HCl желудочного сока. Далее полинуклеотидная часть этих молекул гидролизуется в кишечнике до мононуклеотидов. В расщеплении нуклеиновых кислот принимают участие ДНК-азы и РНК-азы панкреатического сока, которые будучи эндонуклеазами, гидролизуют макромолекулы до олигонуклеотидов. Олигонуклеотиды под действием фосфодиэстераз ПЖ расщепляются до смеси 3’ и 5’-мононуклеотидов. Нуклеотидазы и неспецифические фосфатазы гидролитически отщепляют фосфатный остаток нуклеотидов и превращают их в нуклеозиды, которые либо всасываются клетками тонкого кишечника, либо расщепляются нуклеозидфосфорилазами кишечника с образованием рибозо- или дезоксирибозо-1-фосфата, пуриновых и пиримидиновых оснований. 2. Общая схема синтеза и распада пиримидиновых нуклеотидов. Регуляция. Оротацидурия. Первые три реакции катализируются КАД-ферментом. УМФ и пуриновые нуклеотиды аллостерически ингибируют, а ФРДФ активирует его карбомоилсинтетазную активность, тогда как активность аспартаттранскарбомоилазного домена ингибирует ЦТФ, но активирует АТФ. Оротацидурия - единственное нарушение синтеза пиримидинов de novo. Оно вызвано снижением активности УМФ-синтазы. Т.к. в эмбриогенезе от образования пиримидинов de novo зависит синтез ДНК, то жизнь плода невозможно при полном отсутствии активности этого фермента. У всех пациентов с оротацидурией отмечают, пускай и низкую, активность УМФ-синтазы. Содержание оротовой -ты у пациентов от 1 г/сутки и более, при норме не более 600 мг/сутки. Снижение синтезов пиримидиновых нуклеотидов нарушает регуляцию КАД-фермента. Клиническое следствие оротацидурии - мегалобластная анемия, вызванная неспособностью организма обеспечить нормальную скорость деления клеток эритроцитарного ряда. Её диагностируют детей на основании того, что лечение фолиевой кислотой неэффективно. Недостаточность синтеза пиримидиновых нуклеотидов сказывается на интеллектуальном развитии, двигат. способности, сопровожд. нарушениями со стороны сердца и ЖКТ, гиперчувствительность к инфекциям. Гиперэкскреция оротовой к-ты сопровождается нарушениями со стороны мочевыводящей системы и обр. камней. Для лечения этой болезни применяют уридин (от 0,5 до 1 г/сут), кот. по запасному пути превращается в УМФ: Уридин + АТФ = УМФ + АДФ Кроме генетически обусловленных причин, оротацидурия может наблюдаться: - при гипераммониемии, вызванной дефектом любого из ферментов орнитинового цикла, за искл. карбомоилфосфатсинтетазы-1 - в пр-се лечения подагры аллопуринолом, который превращается в оксипуринол-мононуклеотид и становится сильным ингибитором УМФ-синтазы. Накопление оротовой к-ты в тканях, крови. 3. Общая схема синтеза и распада пуриновых нуклеотидов. Регуляция. Подагра. Подагра. Подагра - заболевание, при котором кристаллы мочевой кислоты и уратов откладываются в суставных хрящах, синовиальной оболочке, подкожной клетчатке с обр-м подагрических узлов, или тофусов. Признаки подагры: повторяющиеся приступы воспаления суставов (чаще мелких), так называемого острого подагрического артрита. Заболевание может прогрессировать в хронич. подагрический артрит. Причина воспаления: разрушение лизосомальных мембран лейкоцитов кристаллами мочевой кислоты. Освободившиеся лизосомальные ферменты выходят в цитозоль и разрушают клетки, а продукты клеточного катаболизма вызывают воспаление. Подагра генетически детерминирована и носит семейный характер. Она вызвана нарушениями в работе фосфорибозилдифосфата (ФРДФ) синтетазы или гипоксантингуанин- или аденинфосфорибозилтрансфераз. К другим характерным проявлениям относят нефропатию, при которой наблюдают образование уратных камней в мочевыводящих путях. 4. Синтез дезоксирибонуклеотидов. Регуляция. Синтез дезоксирибонуклеотидов идёт с заметной скоростью только в тех клетках, которые вступают в S-фазу клеточного цикла и готовятся к синтезу ДНК и делению. В покоящихся клетках дезоксинуклеотиды практически отсутствуют. Практически все дезоксинуклеотиды, кроме тимидиловых, синтезируются путем прямого восстановления ОН-группы у второго углеродного атома рибозы в составе рибонуклеозиддифосфатов (рНДФ) до дезоксирибозы. Тимидиловые нуклеотиды синтезируются из дУМФ особым путём с уч. N5, N10-метилен-H4-фолата. Реакцию восстановления НДФ в дезоксипроизводные катализирует рибонуклеотидрезуктазный комплекс, в состав которого входят: рибонуклеотидредуктаза (РНР), белок тиоредоксин и фермент тиоредоксинредуктаза, обеспечивающий регенерацию восстановленной формы тиоредоксина. При участии комплекса РНР обр: дАДФ, дГДФ, дУДФЮ дЦДФ, которые с п. НДФ-кинах превращаются в дНТФ, 3 из которых непосредственно исп. в синтезе ДНК. дНДФ + АТФ = дНТФ + АДФ Синтез тимидиловых оснований (химизм не нужен) 5. Первичная структура нуклеиновых кислот. ДНК и РНК – черты сходства и различия состава, локализации в клетке, функции. Первичная структура ДНК и РНК - полинуклеотидная цепь, удерживаемая фосфодиэфирными и гликозидными связями. В молекулах нуклеиновых кислот остатки нуклеотидов соединены между собой 3’,5’-фосфодиэфирными связями 6. Вторичная структура ДНК (модель Уотсона и Крика). Связи, стабилизирующие вторичную структуру ДНК. Комплементарность. Правило Чаргаффа. Полярность. Антипараллельность. Вторичная структура ДНК. В 1953 г. Дж. Уотсоном и Ф. Криком была предложена модель пространственной структуры ДНК. Согласно этой модели, молекула ДНК имеет форму спирали, образованную двумя полинуклеотидными цепями, закрученными относительно друг друга и вокруг общей оси. Двойная спираль правозакрученная, полинуклеотидньхе цепи в ней антипараллельны, т.е. если одна из них ориентирована в направлении 3'→5', то вторая - в направлении 5'→3'. Между двумя цепями присутствуют водородные связи. Между А и Т - две Н-связи, между Ц и Г - три Н-связи. Комплементарые основания уложены в стопку в сердцевине спирали. Между основаниями двухцепочечной молекулы в стопке возникают гидрофобные взаимодействия, стабилизирующие двойную спираль. При таком сочетании каждая пара содержит по три кольца, поэтому общий размер этих пар оснований одинаков по всей длине молекулы. Водородные связи при других сочетаниях оснований в паре возможны, но они значительно слабее. Последовательность нуклеотидов одной цепи полностью комплементарна последовательности нуклеотидов второй цепи. Поэтому, согласно правилу Чаргаффа (Эрвин Чаргафф в 1951 г. установил закономерности в соотношении пуриновых и пиримидиновых оснований в молекуле ДНК), число пуриновых оснований (А + G) равно числу пиримидиновых оснований (Т + С). Определения: Комплементарность - это взаимное соответствие молекул биополимеров или их фрагментов, обеспечивающее образование связей между ними. Например, в ДНК комплементарны А и Т, Ц и Г. Полярность - это разность на разных концах нитей ДНК (?). В ДНК полярность характеризуется тем, что в ней можно выделить направленность. Антипараллельность - это разнонаправленность химических молекул. Например, в ДНК одна цепь направлена от 5’-3’, а другая 3’-5’. 7. Гибридизация нуклеиновых кислот. Денатурация и ренативация ДНК. Гибридизация (ДНК-ДНК, ДНК-РНК). Методы лабораторной диагностики, основанные на гибридизации нуклеиновых кислот. Вторичная ст-ра НК образуется за счёт слабых взаимодействий - водородных и гидрофобных. Поэтому, если водный раствор ДНК нагреть до 100С, то связи разрушатся, цепи ДНК разойдутся. Этот процесс называется “денатурация”. Однако если раствор, сод. денатурированную ДНК вновь охлаждать, то могут полчиться двухспиральные структры, идентичные исходным. Такой процесс называется “ренативация”. На явлении денатурации и ренативации основан метод “молекулярной гибридизации”. Процесс гибридизации может осуществляться между двумя любыми цепями НК (ДНК-ДНК, ДНК-РНК) при условии, что они содержат комплементарные последовательности нуклеотидов. Такие гибридные структуры можно выделить центрифугированием в градиенте плотности сахарозы или наблюдать в электронном микроскопе . Методом молекулярной гибридизации можно установить: - сходство и различие первичной структуры разных образцов НК; - различие ДНК, выделенных из организмов разных видов; - идентичность ДНК всех органов и тканей одного организма. Гибридизацией впервые было установлено, что все виды РНК клетки имеют на мол. ДНК комплементарные участки. 8. Третичная структура ДНК. Роль гистоновых и негистоновых белков в компактизации ДНК. Организация хроматина. Ковалентная модификация гистонов и ее роль в регуляции структуры и активности хроматина. Третичная структура ДНК- это укладка молекулы ДНК в компактную структуру ХРОМОСОМУ (нуклеопротеидный комплекс) с помощью белков гистонов. Уровни структурной организации хроматина: Роль негистоновых белков - с помощью их происходит спирализация соленоида и из них получаются в итоге петли хроматина. Роль гистоновых белков - упаковка и упорядочение нитей ДНК в структурные единицы (нуклеосомы) Организация хроматина: 1. Эухроматин - это активный хроматин, участок хроматина, сохраниящий деспирализованное состояние элементарных дезоксирибонуклеопротеидных нитей (ДНП) в покоящемся ядре, т. е. в интерфазе. Отличается от гетерохроматина также способностью к интенсивному синтезу рибонуклеиновой кислоты (РНК) и бо́льшим содержанием негистоновых белков. В нём имеются РНП-гранулы, которые служат для завершения созревания РНК и переноса её в цитоплазму. Содержит большинство структурных генов организма 2. Гетерохроматин - участок, сохраняющих спирализованное состояние в течение клеточного цикла. Крайне низкая танскрибируемость. Является компонентом ДНК с гистонами. Характеризуется низкой степенью ацетилированности по лизиновым остаткам, ув связывание с фосфатными компонентами ДНК. Ковалентная модификация гистонов и ее роль в регуляции структуры и активности хроматина: 1. Фосфорилирование-стимулирует конденсацию хроматина 2. Ацетилирование-стимулирует разворачивание хроматина 3. Метилирование-данные противоречивы 4. Убиквитирование (только для Н2а)-стимулирует разворачивание хроматина 5. АДФ-рибозилирование-необходимо в процессе репарации ДНК Активность ферментов, ответственных за модификацию, регулируется и зависит от стадии клеточного цикла. Важное участие в регуляции смены фаз клеточного цикла занимают циклины – белки массой 35-90 кДа, уровень которых меняется в ходе клеточного цикла. По функции циклины – это активаторные субъединицы ферментов циклин-зависимых киназ (ЦЗК). Активные комплексы циклин-ЦЗК фосфорилируют внутриклеточные белки, изменяя их активность. Этим обеспечивается продвижение по клеточному циклу. 9. Репликация. Принципы репликации ДНК. Стадии репликации. Инициация. Белки и ферменты, принимающие участие в формировании репликативной вилки. Репликация — процесс создания двух дочерних молекул ДНК на основе родительской молекулы ДНК. Синтез (репликация, удвоение) ДНК происходит в S-фазу клеточного цикла, когда клетка готовится к делению. Принципы репликации ДНК: Комплементарность - Комплементарность - это взаимное соответствие молекул биополимеров или их фрагментов, обеспечивающее образование связей между ними. Например, в ДНК комплементарны А и Т, Ц и Г. Антипараллельность - противоположная направленность молекул, в случае с ДНК, цепи ДНК антипараллельны друг другу. Полуконсервативность репликации - это значит в основе синтеза новой цепи ДНК лежит изначальная, материнская ДНК (? хз как-то так) Униполярность - это однонаправленность процесса. Синтез новой цепи ДНК идет в направлении от 5'-конца к 3'-концу, т.е. 5'-конец новой ДНК остается свободным, каждый следующий нуклеотид своей 5'-гидроксильной группой присоединяется к 3'-гидроксильной группе предыдущего нуклеотида Двунаправленность - это возможность процесса протекать в обе стороны(?). В случае с ДНК репликация происходит на обеих цепях. Согласованность репликации и клеточного деления значит, что процесс протекает строго в зависимости перед клет. делением. Репликация включает 3 стадии: 1. Инициация 2. Элонгация 3. Исключение праймеров 4. Терминация Инициация Синтез ДНК эукариот происходит в S-фазу клеточного цикла. Инициацию репликации регулируют специфические сигнальные белковые молекулы - факторы роста (ФР). ФР связываются рецепторами мембран клеток, которые передают сигнал, побуждающий клетку к началу репликации. Синтез новых одноцепочечных молекул ДНК может произойти только при расхождении родительских цепей. В определённом сайте (точке начала репликации) происходит локальная денатурация ДНК, цепи расходятся и образууются две репликативные вилки, движущиеся в противоположных направлениях. Ферменты ДНК-топоизомеразы I, II и III, обладая нуклеазной активностью, участвуют в регуляции суперспирализации ДНК. ДНК-топоизомераза I разрывает фосфоэфирную связь в одной из цепей двойной спирали и ковалентно присоединяется к 5’-концу в точке разрыва. По окончании формирования репликативной вилки фермент ликвидирует разрыв в цепи и отделяется от ДНК. Разрыв Н-связей в ДНК осущ. ДНК-хеликаза. Фермент ДНК-хеликаза использует АТФ для расплетения ДНК. SSB-белки удерживают ДНК в раскрученном состоянии. 10. Элонгация и терминация. Ферменты. Асимметричный синтез ДНК. Фрагменты Оказаки. Роль ДНК-лигазы в формировании непрерывной отстающей цепи. Репликация ДНК осуществляется ДНК-зависимыми ДНК-полимеразами. Субстратами и источниками энергии для синтеза продукта служат 4 макроэргических соединения - дезоксирибонуклеозидтрифосфаты дАТФ, дГТФ, дЦТФ и дТТФ, для активации которых необходимы ионы магния. Нейтрализуя отрицательный заряд нуклеотидов, они повышают их реакционную способность. Ферменты проявляют каталитическую активность только в присутствии предварительно раскрученной матричной двухцепочечной ДНК. Синтез цепей ДНК происходит в направлении 5'→3' растущей цепи, т.е. очередной нуклеотид присоединяется к свободному 3'-ОН-концу предшествующего нуклеотидного остатка. Синтезируемая цепь всегда антипараллельна матричной цепи. В ходе репликации образуются 2 дочерние цепи, представляющие собой копии матричных цепей. В синтезе эукариотических ДНК принимают участие 5 ДНК-полимераз (α, β, γ, δ, ε). ДНК-полимеразы различают по числу субъединиц, молекулярной массе, ассоциации с разными вспомогательными белками, ускоряющими процесс биосинтеза ДНК, и функциональному назначению. ДНК-полимеразы α (альфа), β (бета), δ (дельта), ε (эпсилон) участвуют в синтезе ДНК в ядре клеток, ДНК-полимераза γ (гамма) - в репликации митохондриальной ДНК. Элонгация и вырезание праймеров 1. ДНК-полимераза δ (греч.: δ – дельта), согласовано со скоростью движения репликативной вилки, осуществляет синтез ведущей цепи дочерней ДНК в направлении 5'→3' на матрице материнской нити ДНК по направлению от ее 3'-конца к 5'-концу (скорость до 100 пар нуклеотидов в секунду). Этим события на данной материнской нити ДНК ограничиваются. Далее описан синтез отстающей цепи дочерней ДНК. Отстающая цепь ДНК - 3’ —> 5’. Т.к. репликация происходит в обратном направлении, т.е. 5’ —> 3’, то формируются “короткие” фрагменты ДНК, они же - фрагменты Оказаки, каждый из которых так же имеет 3’ 5’ концы. 2. Непосредственно сразу после расплетания и стабилизации другой нити материнской молекулы к ней присоединяется ДНК-полимераза α (α- альфа ) и в направлении 5'→3' синтезирует праймер (РНК-затравку) – последовательность РНК на матрице ДНК длиной от 10 до 200 нуклеотидов. После этого фермент удаляется с нити ДНК. Вместо ДНК-полимеразы α к 3'-концу праймера присоединяется ДНК-полимераза ε. 3. ДНК-полимераза ε как бы продолжает удлинять праймер, но в качестве субстрата встраивает дезоксирибонуклеотиды (в количестве 150-200 нуклеотидов). В результате образуется цельная нить из двух частей – РНК (т.е. праймер) и ДНК. ДНК-полимераза ε работает до тех пор, пока не встретит праймер предыдущего фрагмента Оказаки (синтезированный чуть ранее). После этого данный фермент удаляется с цепи. 4. ДНК-полимераза β встает вместо ДНК-полимеразы ε, движется в том же направлении (5'→3') и удаляет рибонуклеотиды праймера, одновременно встраивая дезоксирибонуклеотиды на их место. Фермент работает до полного удаления праймера, т.е. пока на его пути не встанет дезоксирибонуклеотид (еще более ранее синтезированный ДНК-полимеразой ε). Связать результат свой работы и впереди стоящую ДНК фермент не в состоянии, поэтому он сходит с цепи. В результате на матрице материнской нити "лежит" фрагмент дочерней ДНК. Он называется фрагмент Оказаки. 5. Фермент ДНК-лигаза катализирует образование фосфодиэфирной связи между 3'-ОН-группой дезоксирибозы одного фрагмента цепи ДНК и 5'-фосфатом следующего фрагмента. Реакция протекает с затратой энергии АТФ. Таким образом, из множества фрагментов Оказаки образуется непрерывная цепь ДНК. Терминация На концах представлена теломерная последовательность -ГГГТТА- , которая служит сигналом “стоп” для ферментов. Поэтому с каждым делением цепи становятся короче. 11. Теломерная ДНК. Синтез теломерной ДНК. Теломерная ДНК (или теломерная последовательность) - специфическая нуклеотидная последовательность на каждом конце хромосомы, представлена многочисленными повторами олигонуклеотидов -GGGTTA-. Наличие необходимо для сохранения генетической информации. Строение 3’, 5’ концов цепей ДНК: 1. После завершения репликации хромосом 5’-концы дочерней цепи ДНК недостроены, т.к. после удаления праймеров эти фрагменты оказываются недореплицированными (потому что ДНК-полимераза b не может вести синтез цепи ДНК от 3’ к 5’-концу). 2. В ходе каждого цикла репликации 5’-концы синтезированных цепей укорачиваются. Эти потери не представляют опасности для генетической информации хромосом, потому что во время следующего цикла репликации 5’-концы цепей ДНК опять останутся недостроенными. С каждым клеточным делением ДНК хромосом будет последовательно укорачиваться. Укорочение теломер в клетках по мере их старения-важный фактор, определяющий продолжительность жизни организма. Однако в эмбриональных и др быстро делящихся клетках потери концов хромосом недопустимы (укорочение ДНК будет происходить очень быстро), поэтому для предотвращения будет использоваться фермент теломераза (особенность-присутствие в качестве простетической группы РНК), обеспечивающий восстановление недоредуцированных 5’-концов. 3. Фрагмент РНК в активном центре теломера служит матрицей при синтезе теломерных повторов хромосом. С помощью РНК фермент прикрепляется к 3’-концу недостроенной дочерней цепи ДНК. 4. Теломераза по принципу комплементарности последовательно удлиняет 3’-конец цепи ДНК на один гексануклеотид -GGGTTA-. 5. Синтез всегда идет от 5’-конца к 3’-концу. 6. Затем теломераза смещается по цепи ДНК за один теломер и начинает синтез нового фрагмента -GGGTTA-. В большинстве соматических клеток теломераза неактивна. Однако небольшая активность теломеразы обнаруживается в клетках с высокой скоростью обновления: лимфоциты, стволовые клетки костного мозга, клетки эпителия, эпидермиса кожи и др. Функции теломер: 1. Механические (крепление хромосом к ядерному матриксу) 2. Стабилизационные (защита концов от деградации нуклеазами) 3. «Счетная» (определяет число делений клетки) 12. Повреждения и репарация ДНК. Виды повреждений. Способы репарации. Дефекты репарационных систем и наследственные болезни. Процесс, позволяющий живым организмам восстанавливать повреждения, возникающие в ДНК, называют репарацией. Все репарационные механизмы основаны на том, что ДНК - двухцепочечная молекула, т.е. в клетке есть 2 копии генетической информации. Если нуклеотидная последовательность одной из двух цепей оказывается повреждённой (изменённой), информацию можно восстановить, так как вторая (комплементарная) цепь сохранена. |