Молекулярные механизмы биосинтеза нуклеиновых кислот

Полимерные азотистые соединения – белки и нуклеиновые кислоты – определяют основные свойства живых систем. Все многообразие живых объектов определяется наследственной (генетической) программой, заложенной в нуклеиновых кислотах. Вся генетическая информация, заложенная в ДНК, реализуется через РНК в структуре соответствующего белка. Процесс передачи информации не может происходить без белков. В основе важнейших механизмов регуляции процессов обмена веществ лежат разнообразные белки.

Главным предназначением аминокислот у человека является участие в биосинтезе белка. Различные аминокислоты служат исходным материалом, поставляющим атом азота и фрагменты углеродной цепи для образования большого числа биологически активных азотсодержащих соединений.

Методические указания к самоподготовке

Вопросы к разделу

1.Понятие о молекулярной биологии, предмет науки. Центральная догма молекулярной биологии.

2.Строение и функции ДНК и РНК. Связи, формирующие первичную, вторичную структуру ДНК и РНК. Видовые различия первичной структуры нуклеиновых кислот. Типы РНК: рибосомные, матричные, транспортные, их роль. Гибридизация ДНК-ДНК, ДНК-РНК.

3.Биосинтез ДНК (репликация): стехиометрия реакции. Субстраты, источники энергии, матрица, ферменты, белки ДНК-репликативного комплекса. Синтез ДНК и фазы клеточного деления.Роль циклинов и циклинзависимых протеиназ в продвижении клетки по клеточному циклу. Идентичность ДНК разных клеток многоклеточного организма.

4. Репарация ошибок и повреждений ДНК. Характеристика ДНК-репарирующего комплекса.

5.Биосинтез РНК (транскрипция): стехиометрия реакции. ДНК как матрица. РНК-полимеразы. Биосинтез рибосомных, транспортных и матричных РНК. Посттранскрипционные модификации РНК.

5.Молекулярные болезни, причины, классификация. Методы молекулярной биологии в медицине. Технология рекомбинантных ДНК, конструирование химерных молекул ДНК и их клонирование. Полимеразная цепная реакция (ПЦР) и полиморфизм длины рестрикционных фрагментов (ПДРФ) как методы изучения генома диагностики болезней.Генная терапия.

При подготовке к занятию, используя лекции, учебники и дополнительную литературу, выполните следующие задания согласно таблице 20.

Таблица 20. Синтез нуклеиноых кислот

Задание	Указания к выполнению задания
Понятие Молекулярная биология	Выпишите определение науки Молекулярная биология, её предмен, основную догму (ДНК→РНК→белок)
Вспомните строение нуклеиновых кислот.	Напишите структуру АМФ, ГТФ, ЦДФ, УМФ, ТМФ. Объясните правило комплементарности и продумайте его значение для строения и функции ДНК, процессов матричных синтезов. Назовите основные отличия структуры ДНК и РНК.
Изучите биосинтез ДНК и его регуляцию.	Запишите ферменты и субстраты, необходимые для синтеза ДНК. Объясните понятие «репликативная вилка» Нарисуйте схему биосинтеза ДНК.
Изучите процесс биосинтеза РНК.	Запишите ферменты и субстраты, необходимые для синтеза РНК. Дайте характеристику РНК-полимеразе Изобразите схему процесса, отражающего синтез РНК – инициацию, элонгацию и терминацию. Детально охарактеризуйте процесс созревания РНК – процессинг.
Изучите механизмы мутагенеза.	Перечислите мутагенные факторы (химические, физические, биологические). Назовите виды мутаций и их влияние на структуру белка. Охарактеризуйте типы точечных мутаций.
Молекулярные болезни (протеинопатии)	Дайте определение молекулярным болезням. Выпишите причины молекулярных патологий..Приведите примеры молекулярных болезней, связанных с обменом фенилаланина, тирозина, триптофана, гликогена, галактозы, липидов. Выпишите принципы лечения и профилактики молекулярных болезней.

Примеры заданий для контроля исходного уровня знаний

Выберите наиболее правильный ответ.

1. ОБРАЗОВАНИЕ РНК-ЗАТРАВКИ-ПРАЙМЕРА КАТАЛИЗИРУЕТ

1) ДНК-лигаза

2) хеликаза

3) гираза

4) обратная транскриптаза

5) α - ДНК – полимераза

Выполните последовательное задание с одним ответом

2.В ФОРМИРОВАНИИ ТРЕТИЧНОЙ СТРУКТУРЫ ДНК ПРИНИМАЮТ УЧАСТИЕ

1) ТАТА - фактор

2) Гистоны

3) SSВ – белки

3. ЭТИ БЕЛКИ ИМЕЮТ СУММАРНЫЙ ЗАРЯД

1)положительный

2) отрицательный

3) нейтральный

4. ЗАРЯД ОБУСЛОВЛЕН ПРИСУТСТВИЕМ В БЕЛКЕ БОЛЬШОГО КОЛИЧЕСТВА

1) Глу, Асп

2) Лиз, Арг

3) Лей, Фен

5. ЭТИ БЕЛКИ ВХОДЯТ В СОСТАВ

1. рибосом

2.нуклеосом

3. репликативной вилки

Эталоны ответов на задания

1.– 5);.2.-2), 3.-1), 4.-2), 5.-2)

Пример ситуационной задачи.

Цитогенетическим маркером хронического миелолейкоза (ХМЛ) служит Ph-хромосома (Филадельфийская хромосома), которая возникает за счет обмена генетическим материалом

Рисунок 35.Схема ПЦР

между хромосомами 9 и 22. В результате транслокации на 22-й хромосоме возникает новый ген BCR-ABL, кодирующий белок, представляющий собой тирозинкиназу с повышенной активностью. Симптомы заболевания - нейтрофильный лейкоцитоз со сдвигом лейкоцитарной формулы до миелоцитов и промиелоцитов, спленомегалия, астения, обусловленная повышенным клеточным распадом, который может сопровождаться гиперурикемией. В типичных случаях гематолог легко ставит диагноз ХМЛ, но иногда клинико-гематологическая картина не типична и требуется подтверждение диагноза.

Опишите молекулярно-генетический метод, с помощью которого можно подтвердить диагноз ХМЛ.

Для этого:

а) объясните, как можно получить большое число копий гена в условиях репликации in vitro при очень малых количествах исходной ДНК в образце; приведите схему этого процесса;

б) перечислите, какие компоненты содержит реакционная смесь;

в) изложите, какова функция праймеров;

г) поясните, каким способом можно выявить мутацию в амплифицированном участке ДНК.

ОТВЕТ:

а)Большое число копий гена можно получить методом ПЦР.

б) Компоненты реакционной смеси: исследуемая ДНК, 4 dNTP, 2 праймера, термостабильная, или Taq-полимераза, буфер, содержащий ионы Mg²⁺.

в) Праймеры – это короткие олигодезоксирибонукеотидные последовательности длиной от 15 до 30 пар нуклеотидов, которые комплиментарны 3’-концам амплифицируемого участка на нитях ДНК. Расстояние между праймерами определяет длину синтезируемых фрагментов молекулы ДНК.

г) Образцы с амплифицированным фрагментом ДНК, предположительно содержащим мутацию, наносят на узкие полоски нитроцеллюлозы и обрабатывают меченными олигонуклеотидами (³²Р-зондами), содержащими нормальную и мутантную последовательности. Радиоавтографически оценивают, с какими ³²Р-зондами связывается ДНК пациента. Гибридизация с радиоактивно меченым зондом ‒ наиболее чувствительный метод индикации. Кроме данного метода, в диагностической практике используют электрофорез в агарозном геле с окрашиванием бромистым этидием и ДНК-гибридизацию с последующей индикацией с помощью ферментативной и люминисцентной меток.