Реакции клеточного метаболизма

План лекции
1) Клеточный метаболизм. Анаболизм и катаболизм
2) Энергетический обмен
3) Экспрессия гена
4) Регуляция экспрессии гена
5) Изменчивость
6) Генные мутации

Метаболизм

Определения
Метаболизм — совокупность процессов обмена веществом и энергией.

Определения
Анаболизм (пластический обмен) — совокупность процессов созидания более сложных веществ из более простых. Происходят с затратой энергии. Примеры: фотосинтез, биосинтез белка.
Катаболизм (энергетический обмен) — совокупность процессов распада более сложных веществ до более простых. Происходят с выделением энергии. Примеры: дыхание.

В метаболизм входят

Анаболизм и катаболизм

Энергетический обмен
(Клеточное дыхание)

Этапы энергетического обмена

Общее уравнение клеточного дыхания

Подготовительный этап
Расщепление полимеров до мономеров.
У человека происходит в ЖКТ.
Белки -----> аминокислоты
Нуклеиновые кислоты -----> нуклеотиды
Жиры -----> глицерин и жирные кислоты
Полисахариды -----> моносахариды

Анаэробный этап (гликолиз)
Глико́лиз — процесс окисления глюкозы, при котором из одной молекулы глюкозы образуются две молекулы пировиноградной кислоты (ПВК).
ПРОИСХОДИТ В ЦИТОПЛАЗМЕ
ИТОГ: 2АТФ

Реакции гликолиза

Возможные пути ПВК

Молочнокислое брожение

Молочнокислое брожение

Спиртовое брожение

Спиртовое брожение
Дрожжевое тесто

Аэробный этап
ПРОИСХОДИТ В МИТОХОНДРИЯХ
ИТОГ: 36 АТФ
ПРОИСХОДИТ В 3 ЭТАПА:
1) Окислительное декарбоксилирование ПВК
2) Цикл Кребса
3) Окислительное фосфорилирование

Митохондрия

Аэробный этап

1) Окислительное декарбоксилирование ПВК (в матриксе митохондрий)

НАДФ
Никотинамидадениндинуклеотидфосфа́т

Ацетил-КоА — универсальный продукт, поступающий в цикл Кребса

2) Цикл Кребса (в матриксе митохондрий)

ФАДH2
ФАД — флавинадениндинуклеотид.
ФАД может быть восстановлен до ФАДH2, при этом он принимает два атома водорода.

АТФ-синтаза

Пластический обмен: синтез белка

Ген
Ген (от др. греч. «род») — участок ДНК, содержащий информацию о первичной структуре белка или РНК.
Ген — функциональная и структурная единица наследственности.

Свойства гена
- способность к репликации
- стабильность
- лабильность (способность к мутациям)
- дискретность
- специфичность
- аллельность
- множественный аллелизм
- плейотропия (способность влиять на несколько признаков)
- дозированность действия
- способность взаимодействовать с другими генами

Ген — единица эволюции?
Ричард Докинз

Матричная и кодирующая цепи ДНК
Матричная цепь ДНК (антисмыловая цепь, antisense) — служит матрицей для мРНК, комплементарна мРНК.
Кодирующая цепь ДНК (смысловая цепь, sense) — совпадает с мРНК (с заменой Т на У)

Эукариотический ген
Кодирующая часть
Регуляторная часть
Регуляторная часть
3'
3'
5'
5'
Промотор:
- ТАТА-бокс
- ЦААТ-бокс
Терминатор
Старт-кодон
Стоп-кодон
экзон
интрон
экзон
интрон

Экспрессия гена

Экспрессия гена

Транскрипция

Процессинг пре-мРНК
1) Кэпирование — присоединение структуры кэп на 5'-конец пре-мРНК.
2) Полиаденилирование — присоединение последовательности аденинов (хвост поли-А) на 3'-конец пре-мРНК.
3) Сплайсинг — вырезание интронов и сшивка экзонов

Кэп — остаток 7-метилгуанозина

Кэпирование

Функции кэпа
- участие в сплайсинге
- участие в транспорте мРНК из ядра в цитоплазму
- участие в процессинге 3' — конца
- участие в связывании с рибосомой
- защита мРНК от ферментов цитоплазмы

Полиаденилирование

Альтернативное полиаденилирование

Хвост полиА защищает мРНК

Сплайсинг

Сплайсосома
Сплайосома— комплекс для осуществления сплайсинга.
Сплайосома = 5 мяРНК + по 7 белковых факторов, связанных с каждой мяРНК

Работа сплайсосомы

Альтернативный сплайсинг

Альтернативный сплайсинг кальцитонина

Зрелое мРНК

Генетический код

Свойства генетического кода
- триплетность
- вырожденность
- специфичность
- дискретность
- коллинеарность
- неперекрываемость
- наличие стоп-кодонов
- универсальность

Участники трансляции
- зрелая мРНК
- аминокислоты
- тРНК
- аминоацил-тРНК-синтетазы
- рибосомы
- ферменты
- АТФ

Аминокислота

Аминокислота

Пептидная связь

тРНК

Инозин

Инозин комплиментарен…

Роль аминоацил-тРНК-синтетазы

Присоединение аминокислоты к тРНК

Рибосома

Трансляция

Этапы трансляции
Инициация.
1. Узнавание стартового кодона (AUG), сопровождается присоединением тРНК аминоацилированной метионином (М) и сборкой рибосомы из большой и малой субъединиц.
Элонгация.
2. Узнавание текущего кодона соответствующей ему аминоацил-тРНК (комплементарное взаимодействие кодона мРНК и антикодона тРНК увеличено).
3. Присоединение аминокислоты, принесённой тРНК, к концу растущей полипептидной цепи.
4. Продвижение рибосомы вдоль матрицы, сопровождающееся высвобождением молекулы тРНК.
5. Аминоацилирование высвободившейся молекулы тРНК соответствующей ей аминоацил-тРНК-синтетазой.
6. Присоединение следующей молекулы аминоацил-тРНК, аналогично стадии (2).
7. Движение рибосомы по молекуле мРНК до стоп-кодона (в данном случае UAG).
Терминация.
Узнавание рибосомой стоп-кодона сопровождается (8) отсоединением новосинтезированного белка и в некоторых случаях (9) диссоциацией рибосомы.

Полисома

Фолдинг белка

Пространственные структуры белков

Денатурация белка

Ренатурация белка

Регуляция экспрессии: до транскрипции
а) Регуляция за счет конденсации/деконденсации ДНК
- ацетилирование/деацетилирование гистонов
- метилирование/деметилирование ДНК
б) Регуляция старта транскрипции
- энхансеры усиливают транскрипцию
- сайленсеры подавляют транскрипцию
- оперонная система у прокариот

Ацетилирование гистонов
Ацетилирование гистонов => деконденсация ДНК => повышение уровня транскрипции
Деацетилирование гистонов => конденсация ДНК => снижение уровня транскрипции

Ацетилирование гистонов (лизина)

Метилирование ДНК
Метилирование ДНК => конденсация ДНК => снижение уровня транскрипции
Деметилирование ДНК => деконденсация ДНК => повышение уровня транскрипции

Метилирование ДНК

Метилирование ДНК ведет к конденсации

Прокариотический ген
Кодирующая часть
Регуляторная часть
Регуляторная часть
3'
3'
5'
5'
Промотор
Терминатор
Старт-кодон
Стоп-кодон
Ген 1
Ген 2
Ген 3
Ген 4
Оператор

Опероны прокариот

Лактозный оперон:
лактозы нет

Лактозный оперон:
лактоза есть

Триптофановый оперон:

Регуляция экспрессии: посттрансляционно
а) Регуляция за счет длины хвоста полиА
б) Регуляция за счет альтернативного сплайсинга

Регуляция экспрессии: на уровне трансляции
а) Регуляция старта трансляции за счет регуляторных белков
Регуляторные белки связываются с со специфической нетранслируемой последовательностью на 5'-конце мРНК и препятствую трансляции
б) Регуляция старта трянсляции за счет микроРНК
микроРНК комплементарны мРНК и подавляют ее трансляцию
в) аттенюация (у прокариот)

МикроРНК блокирует трансляцию

Аттенюация триптофанового оперона

Аттенюация триптофанового оперона

Регуляция экспрессии: посттрансляционно
а) Регуляция фолдинга белка
б) Регуляция за счет дальнейшей модификации белка
в) регуляция срока «жизни» белка

Шапероны — белки, участвующие в фолдинге:
функции

Шаперон

Изменения наследственного материала

Виды изменчивости

Фенотипическая изменчивость и норма реакции

Норма реакции разных признаков

Комбинативная изменчивость

Мутационная изменчивость

Мутационная изменчивость

Мутационная изменчивость

Мутационная изменчивость

Мутационная изменчивость

Мутационная изменчивость

Генные мутации
- затрагивают один ген
- результат ошибок репликации и репарации
- большинство нейтральны
- возникают относительно часто (~3 после каждой репликации)

Генные мутации

Определения
Инверсия — поворот участка гена на 180°.
Замена — замена одного нуклеотида на другой.
Делеция — выпадение нуклеотида или нескольких.
Инсерция — вставка нуклеотида или нескольких.

Генные мутации

Генная мутация может не проявиться благодаря
- диплоидности организма
- рецессивности мутации
- вырожденности кода
- сходным свойствам аминокислот
- 99% генома не кодируют белки

Рамка считывания

Серповидноклеточная анемия
Генная мутация, замена
- аутосомно-рецессивная мутация в гене гемоглобина
- наследуется по типу сверхдоминирования (гетерозиготы имеют преимущество)
- эритроциты больных имеют серповидную форму
- больные страдают от анемии (малокровия) и, следовательно, гипоксии (недостатка O2)
- гомозиготы (аа) умирают в подростковом возрасте
- гетерозиготы (Аа) не имеют признаков болезни, если нет серьезной нагрузки на организм (например, высоко в горах)
- гетерозиготы не болеют малярией!

Серповидноклеточная анемия

Серповидноклеточная анемия

Ахондроплазия
Генная мутация
- аутосомно-доминантная мутация в гене рецептора ростового гормона
- наследуется по типу полного доминирования
- больные имеют аномально низкий рост и укороченные конечности

Ахондроплазия
Генная мутация
- аутосомно-доминантная мутация в гене рецептора ростового гормона
- наследуется по типу полного доминирования
- больные имеют аномально низкий рост и укороченные конечности