Пластический метаболизм прокариот: биосинтез пуринов и пиримидинов. Репликация ДНК и РНК

Министерство образования  и науки Украины

Национальный технический  университет Украины «КПИ»

 

 

Факультет биотехнологии  и биотехники

Кафедра промышленной биотехнологии

 

 

 

 

Курсовая работа

с курса «Общая микробиология  и вирусология»

на тему “ Пластический метаболизм прокариот: биосинтез пуринов и пиримидинов. Репликация ДНК и РНК”

 

 

 

Руководитель:                                                            Выполнила:  

доц., к.б.н. Орябинская Л.Б.                                     студентка 2-го курса,

                                                                                     ФБТ

Допушена к защите:                                                  группы БЕ-81

“     ”                     2010 г                                             Девяткина Л.В.

Защищено с оценкой:                                                Зачетная книжка:

                                                                                     № БЕ-8102

 

 

 

 

 

Киев 2010

СОДЕРЖАНИЕ

 

ВВЕДЕНИЕ                                                                                                        3

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ                                                                                     5

1. Предшественники нуклеиновых кислот. Биосинтез пуринов и пиримидинов                                                                                                      5

1.1. Основные компоненты нуклеиновых  кислот                                           5

1.2. Синтез пуринов                                                                                           9

1.3. Синтез пиримидинов                                                                                 13

1.4. Образование дезоксирибонуклеотидов                                                   17

2. Дезоксирибонуклеиновая кислота                                                              19

2.1. Структура ДНК                                                                                         19

2.2. Физические свойства ДНК прокариот                                                    26

2.3. Формы ДНК в клетках прокариот                                                            29

2.4. Репликация                                                                                                34

2.5. Различия в ДНК прокариот и эукариот                                                  41

3. Рибонуклеиновая кислота                                                                           42

3.1. Виды РНК и их  структурная организация                                             43

3.2. Транскрипция                                                                                             46

3.3. Различия в РНК  прокариот и эукариот                                                  51

ВЫВОДЫ                                                                                                          53

ЛИТЕРАТУРА                                                                                                  54

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Один из классиков, пусть сильно упрощенно, но определял жизнь как способ существования белковых тел. Действительно, макромолекулы, не только белкового происхождения, являются обязательным компонентом жи-вотных и растений, микроорганизмов и даже существ, стоящих на грани жи-вого – вирусов и фагов.

Как известно, основная функция ДНК – это хранение генетической ин-формации, которая заложена в структуре молекулы. РНК, в свою очередь, принимает участие в передачи этой информации потомкам. Таким образом, генетическая связь между организмами существует именно благодаря нукле-иновым кислотам.

В наше время ученые проявляют  все больший интерес к структурно-функциональной организации генов и, следовательно, нуклеиновых кислот, а также к  биосинтезу этих макромолекул,  у  различных организмов. Данные, полученные современными учеными все более широко используются в судебной медицине и криминалистике. В последние годы четко наметилась тенденция к использованию обычных либо модифицированных олигонуклео-тидных блоков в качестве лекарственных препаратов, диагностических средств, всевозможных наноструктур. В настояшее время развивается ряд других направлений исследований молекул нуклеиновых кислот, включая молекулярную археологию, молекулярную палеонтологию и ДНК-компью-тинг, бывших ранее в своих классических вариантах весьма далёкими от био-логии.

Изучение механизмов передачи генов у бактерий и участие  в этом про-цессе внехромосомных элементов открыло возможность включения чужерод-ной ДНК в бактериальные клетки. Генетические манипуляции позволяют вносить небольшие отрезки носителей генетической информации высших организмов, например человека, в бактерию, заставляя её синтезировать необходимые вещества, и наоборот. Вполне осуществимо производство гор-монов, антител, антигенов и других белков с помощью бактерий. Делаются также попытки передать растениям способность к азотфиксации и лечить болезни, связанные с биохимическими дефектами. Всё это, безусловно, ОТК-рывает новые горизонты в генной инжинерии.

Целью данной работы является изучение структуры и функций  нуклеи-новых кислот и их предшественников,  ознакомление с ключевыми этапами биосинтеза этих макромолекул, а также с ферментами, участвующими в дан-ных процессах.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. ПРЕДШЕСТВЕННИКИ НУКЛЕИНОВЫХ  КИСЛОТ. СИНТЕЗ ПУРИНОВ И ПИРИМИДИНОВ

 

1.1. Основные компоненты нуклеиновых кислот

Нуклеиновые кислоты  представляют собой высокомолекулярные линейные гетерополимеры с молекулярной массой от 250 до 1,2 ∙ 10⁵kDa. Мономерными звеньями нуклеиновых кислот являются нуклеотиды. Мононуклеотиды при нагревании до 145 ⁰ С с водным раствором аммиака теряют остаток фосфорной кислоты с образованием нуклеозидов. Нуклеозиды в условиях кислотного гидролиза распадаются на азотистые основания и сахара. Таким образом, при полном гидролизе нуклеиновых кислот образуются азотистые основания, моносахарид пентоза (рибоза или дезоксирибоза) и фосфорная кислота. В составе ДНК открыт также кремний в количестве 0,26—0,31%, поэтому предполагают, что он в нуклеиновых кислотах изоформен фосфору и способен включаться в полинуклеотидную последовательность [8].

Углеводными компонентами служат две пентозы: D-рибоза и 2-дезокси-D-рибоза. Отсюда нуклеиновые кислоты делятся на рибонуклеи-новые, содержащие рибозу (РНК) и дезоксирибонуклеиновые, содержа-щие дезоксирибозу (ДНК). Фуранозное кольцо рибозы и дезоксирибозы может принимать целый ряд конформаций типа “конверта” и других неплоских “скошенных” конформаций. Обычно либо атом С-2’, либо атом С-3’ выходят из плоскости других четырех атомов кольца. Если этот атом углерода расположен выше кольца, т. е. находится от него со стороны основания, то конформацию называют эндо, если же он лежит ниже кольца, то получается экзо-конформация. Свободные нуклеотиды нахо-дятся преимущественно в С(2’)-эндо- и С(3’)-эндо-конформациях, однако в В-форме ДНК, по всей вероятности, реализуется конформация С(3’)-экзо. Скошенные конформации типа С(2’)-эндо – С(3’)-экзо и конформа-ции конверта легко переходят одна в другую.[11]

Нуклеиновое основание – гетероциклическое соединение пуринового или пиримидинового рядов. В качестве заместителей в гетероциклическом ядре они содержат либо оксо- (урацил, тимин), либо аминогруппу (аде-нин), либо одновременно обе (цитозин, гуанин) (рис. 1.1.1)

                                   

                    

                                  

Рисунок 1.1.1 - Азотистые основания

 

Известно, что гидрокси- и аминопроизводные гетероциклического ря-да способны к лактим-лактамной и амино-иминной таутомерии соответст-венно. Однако, при физиологических условиях нуклеиновые основания существуют только в лактамной и аминной формах. В лактамных таутоме-рах гетероциклы сохраняют ароматичность и имеют плоское строение. Ароматичность гетероциклов лежит в основе их относительно высокой термодинамической стабильности.

Нуклеиновые кислоты также различаются  входящими в них гетеро-циклическими основаниями: урацил входит только в РНК, а тимин – в ДНК. Кроме выше приведенных нуклеиновых оснований, называемых ос-новными, в небольших количествах встречаются и другие азотистые осно-вы (минорные). К ним относятся гипоксантин, 5-метил-цитозин, 1-N-ме-тилгуанин, дигидроурацил и др. В ДНК некоторых бактериофагов вместо цитозина имеются 5-гидроксиметилцитозин. [18]

Гетероциклическое основание соединяется  с пентозой и образует нуклеозид. В нуклеозиде гликозидный атом пентозы С-1 связан с N-1 пи-римидинового или N-9 атомом пуринового основания (N-гликозидная связь). Во всех нуклеозидах, встречающихся в живых клетках, эта глико-зидная связь находится в β-конфигурации (рис. 1.1.2.).[15]

                                           

Рисунок 1.1.2 – Общая  структура нуклеозида

 

Являясь N-гликозидами, нуклеозиды устойчивы к гидролизу в слабо-щелочной среде, но расщепляются в кислой. Пуриновые нуклеозиды гид-ролизуются легко, пиримидиновые  труднее.

Нуклеозиды сокращенно обозначают однобуквенным кодом (сущест-вует также система трехбуквенного кода). В однобуквенном сокращении используется начальная буква их названия с добавлением префикса d в случае дезоксинуклеотидов, например дезоксиаденозин обозначается dA.

Нуклеозиды в клетке в основном связаны друг с другом по средствам фосфодиэфирных связей и образуют полинуклеотидные цепи. Но нуклео-зиды могут находиться и в свободном состоянии. Эти нуклеозиды облада-ют антибиотической активностью и приобретают все большее значение в лечении злокачественных образований. Известны несколько десятков та-ких нуклеозидов, выделенных из микроорганизмов, а также растительных и животных тканей.

Нуклеозиды-антибиотики  отличаются от обычных нуклеозидов  неко-торыми деталями строения либо углеродной части, либо гетероцикличес-кого основания. Это позволяет им выступать, по видимому, в роли анти-метаболитов. Нуклеозидные антибиотики пиримидинового ряда подобны цистидину, а пуринового – аденозину. Например, выделенный из грибни-цы Cordyceps militaries антибиотик кордицепин отличается от аденозина только отсутствием в углеродном остатке 3’-OH-группы. Сильными анти-биотическими свойствами обладает пуромицин,  выделенный из культу-ральной жидкости  Streptomyces alboniger. Он является ингибитором рибо-сомального синтеза белка. Выраженным действием на вирус СПИДа, сни-жающим его размножение, обладает азидотимидин (рис. 1.1.3).

Некоторые микроорганизмы выделяют вещества нуклеозидной при-роды, в состав которых вместо рибозы входит его эпимер по С-2 – β-D-арабиноза. Например, сильными антивирусными и антигрибковыми свой-ствами обладают арабинозилциозин и арабинозиладенин (рис. 1.1.3).

Рисунок 1.1.3. - Нуклеозиды-антибиотики

 

Таким образом, имеющаяся небольшая разница в строении или кон-формации одного атома углерода (С-2) в углеродном остатке достаточно, чтобы соединение выполняло роль ингтбитора биосинтеза ДНК. Это слу-жит основой для создания новых лекарственных средств методом молеку-лярной модификации природных моделей.

Фосфорный эфир нуклеозида называют нуклеотидом. Фосфорная кислота обычно эстерифицирует спиртовый гидроксил при С-5 атоме са-хара. Такое соединение называется нуклеозид-5’-фосфатом. Цифрами со штрихом отмечаются атомы пентозы, цифрами без штриха – атомы пури-нового или пиримидинового кольца. Нуклеотид, образующийся при эте-рификации 5’-гидроксильной группы аденозина, - это аденозин-моно-фосфат. Аденозинтрифосфат (АТФ) – универсальная форма запаса энер-гии в клетке.[18]

 

 

1.2 Синтез пуринов

Пуриновое кольцо нуклеотидов  собирается из различных предшест-венников. Глицин дает атомы С-4, С-5, и N-7. Атом N-1 происходит из ас-партата. Еще два атома азота, N-3 и N-9, происходят из амидогруппы бо-ковой цепи глутамина. Активированные производные тетрагидрофолята поставляют С-2 и С-8, тогда как СО₂ служит источником С-6 (рис. 1.2.1).

Рисунок 1.2.1. – Источники  атомов углерода и азота для синтеза  пуринового кольца

 

Путь биосинтеза пуринов  был расшифрован в 50-х годах  в работах Джона Бьюкенена, Дж. Роберта Гринберга и др. Рибофосфатный  остаток пуриновых нуклеотидов  произходит из 5-фосфорибозил-1-пирофосфата (ФРПФ). ФРПФ синтезируется из АТФ и рибозо-5’-фосфата, который в свою очередь образуется в реакциях пентозофосфатного пути. Пирофос-фатная группа переносится с АТФ на С-1 рибозо-5-фосфата. ФРПФ нахо-дится в α-конфигурации.

Дальше происходит образование 5-фосфорибозиламина из ФРПФ и глутамина. Аминогруппа боковой цепи глутамина замещает пирофосфат-ную группу, и α-конфигурация переходит в β-конфигурацию. Движущая сила этой реакции – гидролиз пирофосфата. Продукт присоединения гли-цина к фосфорибозиламину – рибонуклеотид глицинамида. На образова-ние амидной связи между карбоксильной группой глицина и аминогруп-пой фосфорибозиламина затрачивается одна молекула АТФ. Затем α-ами-ногруппа остатка глицина формилируется N⁵,N¹⁰–метинилтетрагид-рофолята, образуя рибонуклеотид α-N-формилглицинамида. Амидная группа этого соединения превращается в амидиновую группу. Атом азота происходит из боковой цепи глутамина; в этой реакции затрачивается одна молекула АТФ. Рибонуклеотид формилглицинамидина вступает в реакцию замыкания кольца с образованием рибонуклеотида 5-амино-имидазола. Этот промежуточный продукт содержит полное пятичленное кольцо пуринового остова. На этом заканчивается первый этап синтеза пу-риновых нуклеотидов.