Молекулярная биология

План лекции 2
Матричные синтезы
Репликация ДНК
Полимеразная цепная реакция
Принципы и этапы транскрипции. Оперон
Транскрипция и созревание РНК у эукариот
«Разорванные» гены и сплайсинг
Регуляция транскрипции

Матричный синтез
Основные типы матричных синтезов в природе:
Репликация - синтез ДНК по матрице ДНК
Транскрипция - синтез РНК по матрице ДНК
Трансляция - синтез белка по матрице мРНК
У некоторых вирусов происходит:
Репликация РНК - синтез РНК по матрице РНК
Обратная транскрипция - синтез ДНК по матрице РНК
На матричном принципе основана:
Репарация — исправление ошибок в молекуле ДНК

Матричный синтез
Основные принципы матричных синтезов:
Комплементарность - однозначное соответствие последовательностей мономеров вновь синтезируемой и матричной молекул
Антипараллельность - синтезируемая дочерняя цепь ориентирована антипараллельно матричной
Униполярность - передвижение ферментов, синтезирующих новые молекулы, возможно лишь в одном направлении от З’-концов к 5’-концам матричных цепей (синтез ДНК и РНК) или от 5’-концов к 3’-концам (синтез белка).

1. РЕПЛИКАЦИЯ
СОХРАНЕНИЕ И ПЕРЕДАЧА
ГЕНЕТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ
ДНК
ДНК
ДНК

СОХРАНЕНИЕ И ПЕРЕДАЧА
ГЕНЕТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ
1. РЕПЛИКАЦИЯ
(от лат. replicatio — возобновление) — процесс создания двух дочерних молекул ДНК на основе родительской молекулы ДНК. Репликацию ДНК осуществляет сложный комплекс, состоящий из 15-20 различных белков-ферментов, называемый реплисомой

Комплементарность, полуконсервативность и антипараллельность репликации: 1 - «материнская» ДНК ; 2 - синтез комплементарных цепей; 3 - «дочерние» ДНК

Двунаправленная репликация хромосомы Е. coli. Вновь синтезированные нити выделены цветом
Репликоны у прокариот:
1 - репликативные вилки;
2 - один репликон;
3 - направление
движения вилок

Репликация ДНК Е. coli:
1 - «дочерняя» ДНК ;2 - «материнская» ДНК ;
3 - репликативные вилки
Репликация ДНК хомячка.
Стрелками указаны репликативные вилки
в трех репликонах

Схематическое изображение процесса репликации, цифрами отмечены: (1) запаздывающая нить, (2) лидирующая нить, (3) ДНК-полимераза, (4) ДНК-лигаза, (5) РНК-праймер, (6) праймаза, (7) фрагмент Оказаки, (8) ДНК-полимераза, (9) геликаза, (10) белки, связывающие одноцепочечную ДНК, (11) топоизомераза

Белки, участвующие в репликации:
Геликазы - это ферменты, денатурирующие ДНК
SSB (от англ. Single Strand Binding Proteins) - это белки, связывающиеся с одноцепочечной ДНК, не позволяют расплетенным нитям снова соединяться.
ДНК-праймаза - синтезирует праймер (РНК-затравку), необходимую для начала синтеза новой цепи ДНК
ДНК-полимеразы - это ферменты, катализирующие синтез новой цепи ДНК
Топоизомеразы (релаксазы, гиразы) - это ферменты, изменяющие топологию ДНК

Белки, участвующие в репликации:
Релаксаза (топоизомераза типа I) расщепляет одну из двух цепей сверхспирализованной двойной спирали

Белки, участвующие в репликации:
Гираза (топоизомераза II) разрывает обе нити ДНК в двойном дуплексе. Вторую нить ДНК фермент переносит между концами разрыва без вращения цепей.
Механизм работы гиразы
1 — GугА; 2 — GyrB;
3 — участки двойной спирали ДНК

1. РЕПЛИКАЦИЯ
СОХРАНЕНИЕ И ПЕРЕДАЧА ГЕНЕТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ

Проблема недорепликации 3’-концов матрицы
А - недорепликация 3'- конца матрицы: 1 - РНК-затравка; 2 - выступающий 3'-конец после удаления затравки; Б – удлинение З'-конца молекулы теломеразой: 1 - теломераза; 2 - РНК-матрица; 3 -направление движения теломеразы; 4 - РНК-затравка; 5 — удлиненная теломера в новом раунде репликации

2. ТРАНСКРИПЦИЯ
РЕАЛИЗАЦИЯ
ГЕНЕТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ
ДНК
РНК

ДНК
РНК
Ген из 4-символьного алфавита ДНК (A,T,G,C) переписывается с помощью транскрипции в 4-символьный алфавит РНК (A,U,G,C)
РЕАЛИЗАЦИЯ ГЕНЕТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ
2. ТРАНСКРИПЦИЯ

2. ТРАНСКРИПЦИЯ
РЕАЛИЗАЦИЯ ГЕНЕТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ
Транскри́пция (от лат. transcriptio «переписывание») — происходящий во всех живых клетках процесс синтеза РНК с использованием ДНК в качестве матрицы; перенос генетической информации с ДНК на РНК.
Транскрипция катализируется ферментом ДНК-зависимой РНК-полимеразой. РНК-полимераза движется по молекуле ДНК в направлении 3' → 5'.
Цепочка ДНК, которая служит шаблоном для достраивания РНК, называют некодирующей или матричной. Последовательность, полученная в результате такого синтеза РНК будет идентична последовательности кодирующей цепочки ДНК (исключая замену тимина ДНК на урацил РНК) согласно принципу комплементарности.

Активирование нуклеотидов
Рибонуклеозидтрифосфаты

Схематичное изображение, показывающее на примере мРНК термины «матричная» и «нематричная» для цепи ДНК как переносчика информации

Оперон прокариотической клетки
А – строение оперона: П - промотор; О - оператор; Ц – цистроны; Т – терминатор. Б – транскрипция оперона: 1 – РНК-полимераза; 2 – белок-репрессор; 3 – синтезируемая РНК

Транскрипция состоит из стадий узнавания, инициации, элонгации и терминации.
УЗНАВАНИЕ
Связывание РНК-полимеразы с промотором:
1 - корфермент; 2 — ϭ-фактор; 3 — холофермент

ИНИЦИАЦИЯ

ЭЛОНГАЦИЯ
В-форма
А-форма

ТЕРМИНАЦИЯ
1 - палиндром; 2 — синтезированная РНК; 3 — шпилька
Структура шпильки транскрипта РНК, который обусловливает терминацию транскрипции гена

А — единица транскрипции: 1 – ген; 2 - ТАТА-бокс; 3 - ЦЦААТ-мотив; 4 - модули энхансера; Б — транскрипционный комплекс: 1 - РНК -полимераза II; 2 – основные факторы транскрипции; 3 - TFIID; 4 – транскрипционные факторы
Транскрипция у эукариот:

РЕАЛИЗАЦИЯ ГЕНЕТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ
2. ТРАНСКРИПЦИЯ

Процессинг мРНК у эукариот:
Кепирование
Полиаденилирование
Сплайсинг
Редактирование

Процессинг мРНК у эукариот:
А — кепирование; Б — полнаденилирование: 1 - сигнал полиаденилирования; 2 – место разрезания эндонуклеазой

Процессинг мРНК у эукариот
Редактирование мРНК у трипаносомы

СПЛАЙСИНГ
При созревании мРНК интроны вырезаются,а экзоны сшиваются

На концах интронов ядерных генов имеются короткие консенсусные
последовательности 5' ГУ------- //--------- АГ 3'. Адениловый нуклеотид
в точке разветвления своей 2'-0Н группой атакует 5'-конец интрона

Альтернативный сплайсинг
1 - с оставлением или вырезанием экзона; 2 – с оставлением или вырезанием интрона; 3 - с распознаванием разных 3'-концов в интроне; 4 – с распознаванием разных 3'-концов в интроне; 5 - с взаимоисключающим оставлением экзонов