Введение в молекулярную биофизику Лекция 4 РепликацияТранскрипцияТрансляция. - презентация

1 Введение в молекулярную биофизику Лекция 4 РепликацияТранскрипцияТрансляция

2 План лекции: Центральная догма молекулярной биологииЦентральная догма молекулярной биологии РепликацияРепликация ТранскрипцияТранскрипция ПроцессингПроцессинг ТрансляцияТрансляция Физические аспекты в молекулярной биологии на примере биосенсорных технологийФизические аспекты в молекулярной биологии на примере биосенсорных технологий Введение в молекулярную биофизику Лекция 4

3 Центральная догма молекулярной биологии: перенос информации идет в направлении ДНК РНКБелоктранскрипциятрансляция репликация Центральная догма молекулярной биологии

4 Современное представление центральной догмы молекулярной биологии ДНК РНК Белок транскрипция трансляция обратнаятранскрипция репликация репликация Репликация Репликация - воспроизведение и передача генетической информации в поколениях клеток и организмов Транскрипция Транскрипция - это синтез всех видов РНК по матрице ДНК, осуществляемый ферментом ДНК-зависимой РНК-полимеразой Трансляция Трансляция - синтез полипептидной цепи рибосомой на РНК матрице из аминокислот Центральная догма молекулярной биологии

5 Репликация Принципы репликации: 1. Комплементарность (Уотсон-Криковские пары) 2. Антипараллельность (две цепи ДНК) 3. Униполярность (5-> 3) 4. Потребность в затравке (РНК-праймер) 5. Прерывистость (фрагменты Оказаки) 6. Полуконсервативность (одна из цепей матричная, вторая - новая) репликативная вилка

6 Схематическое изображение процесса репликации, цифрами отмечены: (1) запаздывающая нить, (2) лидирующая нить, (3) ДНК полимераза (Polα), (4) ДНК лигаза, (5) РНК праймер, (6) ДНК праймаза, (7) фрагмент Оказаки, (8) ДНК полимераза, (9) хеликаза, (10) одиночная нить со связанными белками, (11) топоизомераза Репликация

7 Structure of e. coli topoisomerase i trapped as covalent complex intermediate with cleaved DNA. Tse-Dinh YC, Zhang Z, Cheng B Репликация: топологическая релаксация Топоизомеразы Топоизомеразы - класс ферментов-изомераз, которые разрешает топологические проблемы, связанные со спирализацией деспирализацией ДНК

8 Геликаза (helicase) helix (англ.) – спираль Геликаза Hel308 Buttner K, Nehring S, Hopfner KP, Nat. Struct. Mol. Biol. v14, p Репликация: расплетание двойной спирали ДНК

9 SSB (single stranded binding) proteins – белки связывающиеся с одноцепочечной ДНК. Функция: предотвращают формирования двойной спирали ДНК-связывающий домен белка Rpa70 человека Bochkarev A, Pfuetzner RA, Edwards AM, Frappier Nature v385, p Репликация: белки Альбертса (SSB белки )

10 Праймаза – фермент, создающий РНК-затравку (праймер) для синтеза ДНК ДНК-праймаза Pyrococcus Horikoshii (термофильные археи) Ito N, Nureki O, Shirouzu M, Yokoyama S, Hanaoka F, Genes Cells v8, p Репликация: синтез РНК-затравки РНК-праймер

11 Репликация: синтез ДНК ДНК-зависимая ДНК- полимераза – фермент, осуществляющий синтез ДНК на ДНК матрице Субстрат - нуклеозидтрифосфаты ДНК-полимераза δ дрожжей

12 Запаздывающая цепь Репликация: синтез ДНК Лидирующая цепь Фрагменты Оказаки Синтез идет в направлении 5' 3'

13 РНКаза Н (Hydrolase) Гидролазы это класс ферментов, катализирующий гидролиз ковалентной связи. Общий вид реакции, катализируемой гидролазой выглядит следующим образом: A–B + H 2 O A–OH + B–H Репликация: удаление РНК-затравки

14 ДНК-лигаза ДНК-лигаза – фермент, осуществляющий сшивку (лигирование) одноцепочечных разрывов ДНК-лигаза Chlorella virus Репликация: ликвидация одноцепочечных разрывов

15 Репликация Принципы репликации: 1. Комплементарность (Уотсон-Криковские пары) 2. Антипараллельность (две цепи ДНК) 3. Униполярность (5-> 3) 4. Потребность в затравке (РНК-праймер) 5. Прерывистость (фрагменты Оказаки) 6. Полуконсервативность (одна из цепей матричная, вторая - новая) (1) запаздывающая нить, (2) лидирующая нить, (3) ДНК полимераза (Polα), (4) ДНК лигаза, (5) РНК праймер, (6) ДНК праймаза, (7) фрагмент Оказаки, (8) ДНК полимераза, (9) хеликаза, (10) одиночная нить со связанными белками, (11) топоизомераза

16 Транскрипция Транскрипция (буквально переписывание, от лат. trans- через, пере- и scribo черчу, пишу) - это синтез всех видов РНК по матрице ДНК, осуществляемый ферментом ДНК-зависимой РНК-полимеразой

17 Принципы транскрипции: 1. Комплементарность (A-U, G-C) 2. Антипараллельность (ДНК-РНК комплекс) 3. Униполярность (5' 3 ' ) 4. Беззатравочность 5. Асимметричность (одна цепь РНК комплементарная цепи ДНК РНК ДНК 3'3' 5'5' 5'5' 3'3' Транскрипция: основные принципы Субстратами для РНК- полимераз служат рибонуклеозид- трифосфаты. Весь процесс транскрипции осуществляется за счет энергии макроэргических связей актвированных нуклеотидов.

18 Этапы транскрипции: 1.Узнавание и прочное связывание 2.Инициация 3.Элонгация 4. Терминация 3'3'5'5' 5'5' 3'3' ДНК-матрицаРНК ПромоторТерминатор Транскрипция: основные этапы

19 Кэпирование – «надевание шапочки» (модифицированный гуанозиновый нуклеотид, который добавляется на 5' (передний) конец незрелой матричной рибонуклеиновой кислоты) Полиаденилирование – добавление поли(А) участка на 3 конце Сплайсинг -вырезание копий интронов из про-mРНК и сшивание копий экзонов с образованием mРНК (1978г. Филипп Шарп) Экзоны - кодирующие участки генов. Интроны - некодирующие участки генов. Процессинг мРНК

20 Трансляция Трансляция – это синтез полипептидной цепи рибосомой на РНК матрице из аминокислот Трансляция у эукариот осуществляется в цитоплазме

21 Генетический код Генетический код Генетический код - это система записи информации о последовательности расположения аминокислот в белках с помощью последовательности расположения нуклеотидов в РНК 1962 г. расшифрован генетический код Маршалл Нирнберг, Генрих Маттеи И Северо Очоа

22 Свойства генетического кода: 1.Триплетность значащей единицей кода является сочетание трёх нуклеотидов (триплет, или кодон) 2.Непрерывность между триплетами нет знаков препинания, то есть информация считывается непрерывно 3.Наличие межгенных знаков препинания 4.Неперекрываемость один и тот же нуклеотид не может входить одновременно в состав двух или более триплетов 5.Однозначность ( специфичность ) определённый кодон соответствует только одной аминокислоте 6.Вырожденность ( избыточность ) одной и той же аминокислоте может соответствовать несколько кодонов 7.Универсальность генетический код работает одинаково в организмах разного уровня сложности от вирусов до человека (на этом основаны методы генной инженерии) 8.Помехоустойчивость мутации замен нуклеотидов не приводящие к смене класса кодируемой аминокислоты, называют консервативными. Мутации замен нуклеотидов, приводящие к смене класса кодируемой аминокислоты, называют радикальными Генетический код: свойства

23 Генетический код: триплеты и аминокислоты

24 Трансляция Этапы трансляции Формилметионин тРНК

25 Трансляция тРНК мРНК Рибосома Часть структуры 70s рибосомы Thermus Thermophilus (представлена 30s субъеденица) в комплексе с мРНК, тРНК и паромомицином (Paromomycin) Selmer M, Dunham CM, Murphy FV 4t, Weixlbaumer A, Petry S, Kelley AC, Weir JR, Ramakrishnan V,Science v313, p тРНК

26 Реализация генетической информации: транскрипция и трансляция

27 Физические аспекты в молекулярной биологии на примере биосенсорных технологий Причем здесь биофизика? Эффективность образования комплексов НК: Кинетические аспекты (скорость, конкурентное связывание) Термодинамические аспекты (на сколько прочный комплекс на поверхности) Электростатика (эффективность образования комплексов НК) Механика (возможность образования комплекса) Спектроскопия (введение меток) Квантовая механика и т.д. Компьютерное моделирование (объединяет физику, математику, программирование).

28 Физические аспекты в молекулярной биологии на примере биосенсорных технологий Причем здесь биофизика? Создание биочипа: Гидродинамика (минимизация размеров, возможность осуществления) Оптика (оптический предел, дифракция и т.д.) Полупроводниковые технологии (возможные способы повышения чувствительности детектора) Материаловедение (возможность использования каких-либо материалов) Анализ и обработка данных: Программирование и математика

29 Биосенсоры: молекулярно-биологические и физические основы Секвенирование ДНК (определение нуклеотидной последовательности): молекулярно-биологические и физические основы Темы докладов:

30 5 cap

31 Гидролиз РНК РНК-зой Н