Пластический обмен

Пластический обмен
Репликация – удвоение ДНК.
Транскрипция – процесс синтеза РНК по матрице ДНК;
Трансляция – процесс синтеза белка по матрице РНК
Фотосинтез – образование сахара за счет энергии солнца;
Хемосинтез – образование сахара за счет энергии окисления неорганических молекул
Синтез жирных кислот.
Гликонеогенез – образование глюкозы из лактата (цикл Кори).
Молчанов А.Ю. Биологический факультет МГУ имени М.В.Ломоносова

Пластический обмен
По другому называется анаболизмом. Всегда проходит с затратой энергии.
В процессе фотосинтеза используется физическая энергия фотонов;
В хемосинтезе энергия окисления вещества (металлов и неметаллов);
В синтезе нуклеиновых кислот, жиров и сахаров в клетках грибов, растений и животных используется энергия молекул аденинтрифосфорной кислоты (АТФ), а именно разрушается высокоэнергетическая связь между фосфорными кислотами (макроэргическая связь).
Молчанов А.Ю. Биологический факультет МГУ имени М.В.Ломоносова

Аденинтрифосфорная кислота
В латинской литерации также обозначается как аденозинтрифосфорная кислота (АТФ).
Потеряв одну фосфорную группу называется адениндифосфорная кислота (АДФ), две – аденинмонофосфорная кислота (АМФ).
АДФ и АМФ могут вновь присоединять к себе остатки фосфорных кислот.
Связи между ними называются фосфо-ангидридными.
Связь между АТФ и рибозой называется фосфоэфирной связью.
Молчанов А.Ю. Биологический факультет МГУ имени М.В.Ломоносова

Как работает АТФ
АТФ отдает свою фосфатную группу субстрату или ферменту. При этом происходит упругое изменение молекулы белка за счет того, что вешает/присоединяет фосфатную группу (фосфорилирует).
Форма белка меняется. Это похоже на взведенный курок, натянутую титеву. Это состояние не стабильное.
Упругое сопротивление молекулы белка приводит к сбрасыванию молекулы фосфорной кислоты, возвращает форму белка и попутно меняет субстрат в продукт.
Молчанов А.Ю. Биологический факультет МГУ имени М.В.Ломоносова

Репликация ДНК - удвоение
Происходит в ядре.
Расплетение и удвоение ДНК происходит за счет ДНК-полимеразы.
Репликация (удвоение цепочки) происходит от 3’ к 5’ концу.
Происходит на S-фазе жизненного цикла клетки.
Образование новой цепочки идет с затратой энергии.
Молчанов А.Ю. Биологический факультет МГУ имени М.В.Ломоносова

Репликация ДНК (копирование)
Механизм копирования называется полуконсервативным, так как матрицей новой молекуле ДНК служит одна нить материнской ДНК; Из них образуется новая двунитевая молекула (старая+новая);
Новая цепочка ДНК образуется по принципу комплементарности – взаимоподходимости азотистых оснований материнской и новой молекул ДНК: А–Т и Г–Ц.
Каждая молекула ДНК состоит из одной цепи исходной родительской молекулы и одной вновь синтезированной цепи.
Молчанов А.Ю. Биологический факультет МГУ имени М.В.Ломоносова

Описание репликации
Этапы репликации:
Синтез комплементарной цепи (ДНК-полимераза);
Разрезание водородных связей двух нитей материнской цепочки ДНК (хеликаза)
Раскручивание двойной спирали ДНК (топоизомераза);
Соединение нуклеотидов друг с другом в новой цепочки ДНК (сшивание лигазой);
В настоящее время этот механизм считается доказанным благодаря опытам Мэтью Мезельсона и Франклина Сталя (1958 г.)
Молчанов А.Ю. Биологический факультет МГУ имени М.В.Ломоносова

Молчанов А.Ю. Биологический факультет МГУ имени М.В.Ломоносова
Три первоначальные гипотезы репликации ДНК
Полуконсервативный метод
Консервативный метод
Дисперсный методы
новообразованная нить
оригинальная цепочка

Молчанов А.Ю. Биологический факультет МГУ имени М.В.Ломоносова
Три первоначальные гипотезы репликации ДНК
Консервативный;
Полуконсервативный;
Дисперсный.
Изначальная ДНК включает изотоп N15
ДНК, содержащая изотоп N15 при центрифугировании в градиенте плотности оседает глубже, чем ДНК состоящая из N14.

Молчанов А.Ю. Биологический факультет МГУ имени М.В.Ломоносова

Репликационная вилка
В процессе репликации ферментом хеликазой разрушающей водородные связи между нуклеотидами и разделяющей ДНК на две отдельные нити образуется репликационная вилка.
Репликационная вилка движется со скоростью порядка 100 000 пар нуклеотидов в минуту у прокариот и 500—5000 — у эукариот.
Схема синтеза ДНК: а – интактная (неактивная) молекула ДНК; б, в - продвижение вилки репликации вдоль молекулы ДНК.
Молчанов А.Ю. Биологический факультет МГУ имени М.В.Ломоносова

Репликационная вилка
Особенность ДНК полимераза движется по цепочки ДНК исключительно в одну сторону: от 3’-конца к 5’-концу цепочки. 3’- и 5’-конец номера углеродов в молекуле сахара. По первой цепочке ДНК-полимераза движется за репликационной вилкой.
Так как цепочки антипараллельны, то по второй цепочке ДНК-полимераза двигаться в сторону репликационной вилки не может. Фермент достраивает отдельные фрагменты постепенно.
Схема синтеза ДНК: а – интактная (неактивная) молекула ДНК; б, в - продвижение вилки репликации вдоль молекулы ДНК.
Молчанов А.Ю. Биологический факультет МГУ имени М.В.Ломоносова

Репликон
Реплико́н — молекула или участок ДНК или РНК, реплицирующийся из одной точки начала репликации.
Гипотеза о репликоне как единице репликации была впервые высказана Ф. Жакобом, С. Бреннером и Ф. Кузином в 1964 году.
Нуклеоид прокариот представлен одним репликоном с одной точкой начала репликации.
В каждой эукариотической хромосоме имеется множество репликонов. Размер репликонов меньше чем у прокариотов.
Молчанов А.Ю. Биологический факультет МГУ имени М.В.Ломоносова

Монорепликонная репликация
У прокариот репликация начинается в одной точки ori* и идет в обе стороны по кольцевой молекуле ДНК. Ori* от слова origin (начало).
Молчанов А.Ю. Биологический факультет МГУ имени М.В.Ломоносова

Репликация у доядерных и ядерных форм клеток
Прокариоты: циклическая ДНК, репликация начинается с одного конца. ДНК полимераза проходит всю ДНК непрерывно. Нуклеоид представляет из себя один репликон. Происходит в цитоплазме.
Эукариоты: ДНК длиннее, линейная. Несколько молекулы ДНК (хромосом) в клетке. Репликация одновременно начинается на тысячи участках. Происходит в ядре.
Молчанов А.Ю. Биологический факультет МГУ имени М.В.Ломоносова

Репликационная вилка
Схематическое изображение процесса репликации, цифрами отмечены: (1) запаздывающая нить, (2) лидирующая нить, (3) ДНК-полимераза (Polα), (4) ДНК-лигаза, (5) РНК-праймер, (6) праймаза, (7)фрагмент Оказаки, (8) ДНК-полимераза (Polδ), (9)хеликаза, (10) одиночная нить со связанными белками, (11) топоизомераза.
Молчанов А.Ю. Биологический факультет МГУ имени М.В.Ломоносова

Описание репликации
Принципиально, чтобы к моменту деления клетки ДНК была реплицирована полностью и при этом только один раз. Это обеспечивается определёнными механизмами регуляции репликации ДНК. Репликация проходит в три этапа:
инициация репликации
элонгация
терминация репликации
Молчанов А.Ю. Биологический факультет МГУ имени М.В.Ломоносова

Синтез белка включает следующие стадии
Транскрипция (по матрице ДНК синтезируется иРНК);
Трансляция (по матрице иРНК синтезируется белок);
Активация (формирование четвертичной структуры, связь с кофакторами и другими классами органических веществ, модификация, фолдинг).
Молчанов А.Ю. Биологический факультет МГУ имени М.В.Ломоносова

Теория гена
Информация о строении белка содержится в гене. Ген – это структурная единица ДНК. Ген состоит из последовательности нуклеотидов. Последовательность нуклеотидов с 3’ конца к 5’ концу определяет последовательность аминокислот в молекуле белка.
Молчанов А.Ю. Биологический факультет МГУ имени М.В.Ломоносова

Отклонения
Первый пример отклонения от стандартного генетического кода был открыт в 1979 году при исследовании генов митохондрий человека. С того времени было найдено несколько подобных вариантов, включая многообразные альтернативные митохондриальные коды, например, прочитывание стоп-кодона УГА в качестве кодона, определяющего триптофан у микоплазм. У бактерий и архей ГУГ и УУГ часто используются как стартовые кодоны. В некоторых случаях гены начинают кодировать белок со старт-кодона, который отличается от обычно используемого данным видом
https://ru.wikipedia.org/wiki/Генетический_код
Молчанов А.Ю. Биологический факультет МГУ имени М.В.Ломоносова

Транскрипция
Транскрипция выполняется с помощью РНК-полимеразы;
РНК-полимераза двигается с 3’ к 5’ концу по кодирующей цепочки ДНК;
РНК-полимераза садится на особый участок ДНК – промотор.
Дальнейшее движение-работа РНК-пз. зависит от состояние промотора. Если промотор открыт, то РНК-полимераза движется к информационной части гена. Если промотр закрыт репрессором, то она остается на месте.
На состояние репрессора могу влиять активаторы и ингибиторы. Активаторы снимают репрессор, а ингибиторы удерживают репрессор на ДНК.
РНК-полимераза заканчивает транскрипцию, когда достигает терминатора.
Молчанов А.Ю. Биологический факультет МГУ имени М.В.Ломоносова

ТРАНСКРИЦИЯ
Молчанов А.Ю. Биологический факультет МГУ имени М.В.Ломоносова

Посттранскрипционные механизмы
После завершения трансляции РНК может претерпевать изменения.
РНК скомпонованное из транскриптов с нескольких экзонов может быть разрезана на фрагменты – процессинг.
Получившиеся фрагменты РНК комбинируются и склеиваются в зависимости от конкретной потребности клеток. Этот процесс называется сплайсинг.
Промежутки между экзонами (не кодирующие, не информативные участки ДНК), как правило, не траскрибируются. В редких случаях они вырезаются из готовой иРНК. Эти «слепые» участки ДНК называются интроны. Они нужны для правильной ориентации экзонов ДНК.
Молчанов А.Ю. Биологический факультет МГУ имени М.В.Ломоносова

Механизм транскрипции у бактерий

СТРОЕНИЕ ГЕНОВ У ПРОКАРИОТ
Молчанов А.Ю. Биологический факультет МГУ имени М.В.Ломоносова

Механизм транскрипции у бактерий
Молчанов А.Ю. Биологический факультет МГУ имени М.В.Ломоносова

https://en.ppt-online.org/347103
Молчанов А.Ю. Биологический факультет МГУ имени М.В.Ломоносова

Механизм транскрипции у эукариот
Молчанов А.Ю. Биологический факультет МГУ имени М.В.Ломоносова
Poly-A или Полиаденилирование — это процесс присоединения большого количества остатков аденозинмонофосфата (поли(А)-хвоста) к 3'-концу первичной мРНК (пре-мРНК).

Молчанов А.Ю. Биологический факультет МГУ имени М.В.Ломоносова

В чем сходства и отличия транскрипции бактерий и эукариот?
Сходства:
1) Синтез начинается с АУГ-кодона, кодирующего метионин;
2) В синтезе участвуют два участка рибосомы: пептидильный и аминоацильный.
Отличия у прокариот:
1) иРНК прокариот имеет несколько центров инициации трансляции (узнавание стартового кодона), терминации транслации (узнавание стоп-кодона и отделение продукта);
2) Не происходит сплайсинг (вырезание и сшивание участков) иРНК;
3) Трансляция начинается еще до завершения транскрипции, эти процессы не разделены во времени и пространстве, в отличие от эукариот.
https://studfile.net/preview/6066211/page:2/
Молчанов А.Ю. Биологический факультет МГУ имени М.В.Ломоносова

РНК в цитоплазме
Чтобы экзонуклеазы не разрушили РНК, она закрывается от них с 3’-конца cap-белком (место связывания с шаперонами, которые меняют конформацию РНК), а на стороне 5’-конце располагается поли-А последовательность, которая разрушается со временем, без потери смысловой информации.
Молчанов А.Ю. Биологический факультет МГУ имени М.В.Ломоносова

Трансляция
Трансляция идет с 5’ к 3’концу.
В цитоплазме иРНК (информационная) соединяется с рибосомой (рибосомальная РНК + белок);
Трансляция может протекать
В цитоплазме
На шероховатой ЭПС
Причем новообразованный белок может попасть как внутрь шЭПС или застрять в мембране.
тРНК доставляют аминокислоты к рибосоме по одной в соответствии с кодом иРНК.
Рибосома соединяет аминокислоты в цепочку белка.
Молчанов А.Ю. Биологический факультет МГУ имени М.В.Ломоносова

Стадии трансляции
Инициация
Связывание иРНК с малой субъединицей рибосомы.
Присоединение к м. суб. первой тРНК
Связывание большой субъединицы.
Элонгация
Удлинение белковой цепи за счет последовательного продвижения рибосомы по молекуле иРНК и переноса синтезируемого полипептида на вновь прибываемые молекулы тРНК. Удлинение происходит на С-конце.
Аминокислота переходит с первой тРНК на вторую.
Терминация
Окончание синтеза. Рибосома достигает стоп-кодонов иРНК и распадается.
Молчанов А.Ю. Биологический факультет МГУ имени М.В.Ломоносова

Молчанов А.Ю. Биологический факультет МГУ имени М.В.Ломоносова
1 – малая субъединица рибосомы
2 – иРНК
3 – антикодон
4 – аминокислота
5 – большая субъединица рибосомы

Модель генетического кода
Открыт Маршалом Ниренбенргом и С Очао в 1961
Получили Нобелевскую премию 1968 г.
Сейчас мы пользуемся таблицей или матрицей кода.
Воспроизводима, на 99,9%, но поли УУУ (полиуридиновые участки на РНК) кодируют не только лейцин, но и фенилаланин.
Молчанов А.Ю. Биологический факультет МГУ имени М.В.Ломоносова

Свойства генетического кода
Триплетен - каждая аминокислота кодируется тремя нуклеотидами. Эта последовательность в молекуле иРНК называется кодоном, а на тРНК – антикодоном;
Неперекрываем – любой нуклеотид может входить в состав только одного триплета.
Специфичен - каждые три нуклеотида участвуют единожды к кодирование аминокислоты;
Вырожден или избыточен многие аминокислоты кодируются несколькими триплетами. На 20 аминокислот приходится 61 комбинация триплетов. В том числе старт кодон АУГ;
Универсален - у всех живых организмов одни и те же аминокислоты задаются теми же кодонами.
Некодирующие кодоны
Старт кодон АУГ
Стоп кодоны УАА, УАГ, УГА
Молчанов А.Ю. Биологический факультет МГУ имени М.В.Ломоносова

Процессы играет важную роль в
Репликации – матричном синтезе новой цепочки ДНК по старой;
Транскрипции – синтез РНК-полимеразой РНК по матрице транскрибируемой цепочки ДНК;
Трансляции – узнавании кодонов иРНК антикодонами тРНК;
Редактирование генома системой CRISPR/Cas9 - между спейсором и протоспейсором;
Полимеразная цепная реакция – метод быстро искусственного синтеза ДНК по матрице малого количества РНК затравок (РНК-праймеры);
РНК-интерференция – это процесс подавления экспрессии гена на стадии транскрипции, трансляции или деградации мРНК при помощи малых молекул РНК;

Таблица генетического кода
Молчанов А.Ю. Биологический факультет МГУ имени М.В.Ломоносова

Синтез аминоацил-тРНК
Конечный продукт активации аминокислот: молекула тРНК, ковалентно связанная с аминокислотой через ацильную связь между карбоксильной группой аминокислоты и 3 ОН группой рибозы тРНК.
Молчанов А.Ю. Биологический факультет МГУ имени М.В.Ломоносова

Рамка считывания
последовательность нуклеотидов в составе ДНК или РНК, потенциально способная кодировать белок.
Нарушение рамки считывания происходит при встраивании одного или двух нуклеотидов (вставка) или выпадения одно или двух нуклеотидов (делеция). В этом случае получается совершенно новая последовательность аминокислот (первичная структура белка).
При вставке или делеции трех нуклеотидов в первичной структуре появляется или отсутствует одна аминокислота.
Молчанов А.Ю. Биологический факультет МГУ имени М.В.Ломоносова

Синонимы – омонимы генетического кода
Определение соответствия кодону и аминокислоте наглядно продемонстрировано в таблице генетического кода РНК.
Последовательность нуклеотидов не случайна. Они подобраны таким образом, что первые два нуклеотида определяют аминокислоту для восьми групп (модель Крика).
В остальных группах на первые два нуклеотида может приходится по две аминокислоты.
Систему ДНК-РНК-белок иногда называют речеподобием генетического кода.
http://wavegenetics.org/issledovania/model-geneticheskogo-koda/4/
Молчанов А.Ю. Биологический факультет МГУ имени М.В.Ломоносова

Модель Маршала Ниренбенрга и С Очао 1961

Мутации
Генные - вставки, выпадения, замена нуклеотидов, триплетов, части гена; Ограничены размером гена;
Хромосомные – делеция (выпадение), инверсия (разворот на 180), аддиция (добавление), транслокация (перенос) участков хромосомы (один или несколько генов) в границах одной хромосомы;
Геномные – изменение числа одной хромосом (трисомия, или отсутствие хромосомы вариант анэуплодии) или всего набора (плоидность, триплоидные, тетраплоидные). Эти мутации ограничены генетическим набором одной клетки.
См. Изменчивость.
Молчанов А.Ю. Биологический факультет МГУ имени М.В.Ломоносова

Генные мутации. Причина - следствие
Замена одного нуклеотида связана с изменением аминокислотного состава белка.
Не изменится: так как аминокислота, может кодироваться несколькими триплетами (правило вырожденности), то, несмотря на замену нуклеотида, триплет будет кодировать туже аминокислоту. Например, лейцин кодируется триплетами: ЦУУ, ЦУЦ, ЦУГ, ЦУА (замена третьего, вариабельного, нуклеотида не поменяет аминокислоту), а также УУГ, УУА.
Изменится, если поменяется не вариабельный нуклеотид.
Если будет вставка или выпадение нуклеотида, то изменится рамка считывания и поменяется вся аминокислотная последовательность после точки мутации.
Вставка или выпадения триплета приведет к потери или добавлению одной аминокислоты.
Молчанов А.Ю. Биологический факультет МГУ имени М.В.Ломоносова

Хемосинтез
Хемосинтез — способ автотрофного питания, при котором источником энергии для синтеза органических веществ из CO2 служат реакции окисления неорганических соединений.
Молчанов А.Ю. Биологический факультет МГУ имени М.В.Ломоносова

Хемосинтез
Железобактерии (Geobacter, Gallionella) окисляют двухвалентное железо до трёхвалентного.
Серобактерии (Desulfuromonas, Desulfobacter, Beggiatoa) окисляют сероводород до молекулярной серы или до солей серной кислоты.
Нитрифицирующие бактерии (Nitrobacteraceae, Nitrosomonas, Nitrosococcus) окисляют аммиак, образующийся в процессе гниения органических веществ, до азотистой и азотной кислот, которые, взаимодействуя с почвенными минералами, образуют нитриты и нитраты.
Тионовые бактерии (Thiobacillus, Acidithiobacillus) способны окислять тиосульфаты, сульфиты, сульфиды и молекулярную серу до серной кислоты (часто с понижением pH раствора), процесс окисления отличается от такового у серобактерий (в частности тем, что тионовые бактерии не откладывают внутриклеточной серы).
Водородные бактерии (Hydrogenophilus) способны окислять молекулярный водород, являются умеренными термофилами (растут при температуре 50 °C)
Молчанов А.Ю. Биологический факультет МГУ имени М.В.Ломоносова

Регуляция экспрессии генов
https://biology.su/molecular/gene-activity
https://studopedia.ru/5_169574_regulyatsiya-ekspressii-genov-u-prokariot.html
Молчанов А.Ю. Биологический факультет МГУ имени М.В.Ломоносова

ДНК - аддукт
https://yandex.ru/search/?clid=2332287&win=421&from=chromesearch&text=%D0%B0%D0%B4%D0%B4%D1%83%D0%BA%D1%82%D1%8B%20%D0%B4%D0%BD%D0%BA&lr=213
Молчанов А.Ю. Биологический факультет МГУ имени М.В.Ломоносова