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

Этот цикл у бактерий удается целиком осуществить  в простой бескле-точной системе, состоящей из ДНК-матрицы и очищенной РНК-полимеразы, без каких бы то ни было дополнительных факторов. Это не значит, что РНК-полимераза является единственным белком, участвующим в транскрипции. В ней могут участвовать и разнообразные регуляторные белки. Однако роль их вспомогательная: они мешают или помогают РНК-полимеразе на тех или иных стадиях цикла транскрипции, которые она осуществляет и в их отсутст-вие. Поэтому изучение цикла транскрипции изолированной бактериальной РНК-полимеразой позволяет понять не только ферментативные механизмы синтеза молекулы РНК, но, что еще важнее, дает ключ к пониманию меха-низмов регуляции транскрипции.

Цикл транскрипции начинается с присоединения РНК-полимеразы к промотору — строго определенному участку ДНК, с которого начинается синтез РНК. Механизм поиска промоторов изучен недостаточно; предполага-ется, что молекулы РНК-полимеразы присоединяются к случайным местам двойной спирали ДНК, некоторое время перемещаются по ней, отсоединя-ются и снова присоединяются к ДНК до тех пор, пока не окажутся на промо-торах.

Оказавшись на промоторе, РНК-полимераза образует с ним так  называ-емый закрытый промоторный комплекс, в котором ДНК сохраняет двуспи-ральную структуру. В закрытом комплексе РНК-полимераза еще не способна к синтезу РНК. Этот комплекс нестабилен и легко диссоциирует при повы-шении ионной силы.

Закрытый комплекс может  обратимо превращаться в открытый комп-лекс, в котором РНК-полимераза расплетает примерно один виток двойной спирали ДНК в районе стартовой точки — нуклеотида, с которого начи-нается комплементарное копирование матрицы. В открытом комплексе связь РНК-полимеразы с промотором становится значительно более прочной, чем в закрытом. При низких температурах равновесие сильно сдвинуто в сторону зак-рытого комплекса, при температурах, близких к физиологическим,— в сторону открытого.

Следующая стадия, инициация, требует наличия субстратов РНК-поли-меразы, нуклеозидтрифосфатов и заключается в образовании первых не-скольких звеньев цепи РНК. Первый нуклеотид входит в состав цепи, сох-раняя свою трифосфатную группу, а последующие присоединяются к 3'-ОН-группе предыдущего с освобождением пирофосфата. На стадии инициации РНК-продукт связан с матрицей и РНК-полимеразой непрочно и с высокой вероятностью может освобождаться из комплекса. В этом случае РНК-поли-мераза, не покидая промотора, снова инициирует РНК. Такой синтез ди-, три- и более длинных олигонуклеотидов называют абортивной инициацией в противоположность продуктивной (т. е. завершающейся образованием пол-ноценного РНК-продукта) инициации. Когда РНК-продукт достигает крити-ческой длины (от 3 до 9 нуклеотидов на разных промоторах), абортивная инициация полностью прекращается, транскрибирующий комплекс стабили-зируется и уже не распадается до тех пор, пока синтез молекулы РНК не будет доведен до конца. Примерно в этот же момент, который считается кон-цом инициации и началом элонгации, от РНК-полимеразы отделяется σ-субъединица.

Эффективность инициации  на разных промоторах, их «сила», существенно  различается: если с некоторых промоторов инициируется всего одна-две молекулы РНК за период деления клетки, то с других (например, с промоторов генов рибосомных РНК) инициация происходит раз в одну-две секунды. Частота, с которой инициируется транскрипция при насыщающей концентрации субстратов, зависит главным образом от равновесной конс-танты образования закрытых промоторных комплексов и константы скорости превращения закрытого комплекса в открытый. Для самых сильных промоторов обычно характерны высокие значения обеих констант (высокое сродство РНК-полимеразы к промотору и быстрый переход промоторного комплекса в активное открытое состояние). Для слабых промоторов харак-терны низкие значения этих величин. Слабость промоторов с низким сродст-вом к РНК-полимеразе особенно заметна при низких концентрациях РНК-полимеразы и может быть скомпенсирована при ее высоких концентрациях. Промотор с низким сродством к РНК-полимеразе может быть достаточно сильным, если ему присуща высокая скорость перехода в открытое состо-яние. Сила большинства промоторов увеличивается с увеличением степени отрицательной сверхспирализации ДНК. Это объясняется тем, что отрица-тельная сверхспирализация облегчает расплетание ДНК и тем самым переход в открытый промоторный комплекс. Существуют, однако, промоторы, сила которых не зависит или даже уменьшается с увеличением степени сверхспи-рализации. Этому эффекту объяснения пока не найдено.

На стадии элонгации в ДНК расплетено примерно 18 пн. Примерно 12 нуклеотидов матричной нити ДНК образует гибридную спираль с растущим концом цепи РНК (рис. 3.2.2). По мере движения РНК-полимеразы по матрице впереди нее происходит расплетание, а позади — восстановление двойной спирали ДНК. Одновременно освобождается очередное звено растущей цепи РНК из комплекса с матрицей и РНК-полимеразой.

Рисунок 3.2.2 – РНК-полимераза, транскрибирующая ДНК

 

 Эти перемещения  должны сопровождаться относительным вращением РНК-полимеразы и ДНК. Не исключено, что для предотвращения такого вращения двигающуюся по ДНК РНК-полимеразу сопровождают топоизомеразы. В процессе удлинения РНК РНК-полимераза движется по ДНК с непостоянной скоростью. Особенно четко это видно при низких концентрациях субстратов. В некоторых участках матрицы длительные задержки в продвижении РНК-полимеразы, так называемые паузы, наблюдаются даже при оптимальных концентрациях субстратов. Завершается синтез РНК в строго определенных участках матрицы — терминаторах, где происходит отделение от ДНК и готовой РНК, и минимальной РНК-полимеразы, которая, объединившись со свободной σ-субъединицей, может вступить в следующий цикл транскрипции. [1]

3.3. Различия в РНК  прокариот и эукариот

Как и ДНК, РНК прокариот  и эукариот имеет ряд отличий. Прежде всего они касаются рРНК и  рибосом. Рибосомы - это сложные рибонуклеопротеидные частицы, в состав которых входит множество молекул индивидуальных (неповторенных) белков и несколько молекул РНК, Рибосомы прокариот и эукариот по своим размерам и молекулярным характеристикам отличаются, хотя и обладают общими принципами организации и функционирования. К настоящему времени методом рентгеноструктурного анализа высокого разрешения полностью расшифрована структура рибосом. 70S рибосома прокариот состоит из боль-шой 50S субъединицы (построенной на основе двух молекул рРНК — 5S и 23S) и малой 30S субъединицы (построенной на основе 16S рРНК). 80S рибо-сома эукариот состоит из большой 60S субъединицы (построенной на основе трех молекул рРНК — 5S, 5,8S и 28S) и малой 40S субъединицы (построенной на основе 18S рРНК).

Кроме того, обнаружены различия в передаче наследственной информа-ции, а именно процессе транскрипции у прокариот и эукариот. У прокариот м-РНК, образующаяся на молекулах ДНК, немедленно приступает к синтезу белка на рибосомах. У эукариот на молекулах ДНК образуется РНК, подоб-ная м-РНК и получившая название д-РНК. Она представляет собой высоко-молекулярное соединение с относительной молекулярной массой 2 000 000-10 000 000, в то время как информационная (матричная) РНК (м-РНК), нахо-дящаяся в цитоплазме клеток животных, имеет молекулярную массу в пре-делах 200 000-600 000.

У эукариот д-РНК является предшественником м-РНК. Находясь еще  в ядре, д-РНК "созревает", расщепляясь  при участии ферментов на более  ко-роткие цепи РНК. Большая часть этих цепей распадается, и только незна-чительная часть, являющаяся истинной м-РНК, выходит в цитоплазму. Вопрос о том, почему у эукаритотов образуется д-РНК и какова ее роль, остается неясным.

Также стоит отметить, что  эукариотические молекулы мРНК часто тре-буют сложной обработки и транспортировки из ядра — места синтеза мРНК, на рибосомы, где происходит трансляция, в то время как  прокариотичес-кие молекулы мРНК этого не требуют и синтез РНК у них сопряжён с синтезом белка. У эукариот в процессе сплайсинга из пре-мРНК удаляются не кодирующие белок последовательности (интроны), на 5' конец молекулы добавляется специальный модифицированный нуклеотид (кэп), на 3' конец добавляются несколько аденинов, так называемый полиадениновый хвост. Кэп узнаётся факторами инициации, белками, отвечающими за присоеди-нение к мРНК рибосомы, полиадениновый хвост связывается с со специаль-ным белком. Обычно эти посттранскрипционные изменения мРНК эукариот обозначают термином «процессинг мРНК».

 

 

 

 

 

ВЫВОДЫ

Таким образом в  работе мы ознакомились с предшественниками нуклеиновых кислот, основными принципами их биосинтеза и регуляции данных процессов. Мы убедились, что генетический код - это взаимосвязь между последовательностью оснований в ДНК (или соответствующего РНК-транскрипта) и последовательностью аминокислот в белках.

Аминокислоты кодируются группами по три основания (они называются кодонами), начиная с фиксированной точки. 61 кодон из 64 кодирует определенную аминокислоту, а остальные три кодона (UAA, UAG и UGA) служат сигналами терминации.

Процесс передачи генетической информации проходит за счет репликации ДНК и транскрипции РНК. Эти процессы  регулируются ферментами. Если происходит сбой процесса, то могут наблюдаться мутации. Мутации обусловлены изменениями в последовательности оснований ДНК. Основные типы мутаций - замены, делеции и включения. Самый распространенный тип мутаций - замена одной пары оснований на другую. Замена одного пурина другим или одного пиримидина другим пиримидином называется транзицией. Трансверсия – замещение пурина пиримидином и наоборот. Мутации могут возникать вследствие спонтанной таутомеризации оснований или под действием аналогов оснований (например, 5-бромурацила) или других химических мутагенов (например, азотистой кислоты).

Исходя из вышеизложенного  материала, можно сказать, что нуклеиновые  кислоты в действительности являются «основными носителями жизни».

 

 

 

 

 

 

 

 

ЛИТЕРАТУРА

1. Адхья С., Альперт К.-А., Буккель В. и др. Современная микробиология. В 2-х т. Т. 1.-М.: Мир, 2005. – 667 с.
2. Агол В. И., Богданов А. А., Гвоздев В. А./ Структура и биосинтез нуклеиновых кислот./Под ред. Спирина А. С. - М.:Высш. Шк., 1990. – 352 с.
3. Бартошевич С.Ф., Касьяненко Н. А., Фрисман Э. В. Исследование влияния рН среды на конформацию молекулы ДНК//Молекулярная биология.-1985. – Т.19
4. Гусев М. В., Минеева Л. А. Микробиология. – М.: Издательский центр «Академия», 2003 – 464с.
5. Давыдов В. В., Клещев Н.Ф. Основы общей биохимии. – Харьков: НТУ «ХПИ», 2007. – 380с.
6. Дебабов В. Г., Лившиц В. А. Современные методы создания промышленных штаммов микроорганизмов. – М.: Высш. Шк., 1988. – 208 с.
7. Кольман Я., Рем К.-Г. Наглядная биохимия: Пер. с нем. – М.: Мир, 2000. – 469 с.
8. Комов В. П., Шведова В. Н. Биохимия. – М.: Дрофа, 2004. – 640 с.
9. Ленинджер А. Основы биохимии: В 3-х т. Т. 3. Пер. с англ. – М.: Мир, 1985.-320 с.
10. Макеев А. В. Основы биологии. – М.: Мир, 1997. – 234 с.
11. Мецлер Д. Биохимия: В 3-х т. Т. 1. – М.: Мир, 1980 г. – 408 с.
12. Микробиология. – М.: Наука, 1980 г. – Т. XLIX.
13. Позднеев О. К. Медицинская микробиология. – М.: ГОЭТАР-МЕД, 2001 г. – 778 с.
14. Северин Е. С. Биохимия. – М.: ГЭОТАР-МЕД, 2004 г – 776 с.
15. Страйер Л. Биохимия: В 3-х т. Т. 2. Пер. с англ.–М.: Мир, 1985. – 312 с.
16. Страйер Л. Биохимия: В 3-х т. Т. 3. Пер. с англ.–М.: Мир, 1985. – 400 с.
17. Суходолец В.В. Принципы организации прокариотического генома //                                          Генетика. – 1992. – Т. 28. – № . 1. – С. 28–37.
18. Тюкавкина Н. А. Биоорганическая химия.–М.: Медицина, 1991. –528 с.
19. Уайт. А. Основы биохимии: В 3-х т. Т. 1. – М.: Мир, 1981. – 534 с.
20. Уайт. А. Основы биохимии: В 3-х т. Т. 2. – М.: Мир, 1981. – 617 с.
21. http://humbio.ru
22. http://neobio.ru

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Приложение А

 

Таблица 1 – Состав ДНК  различных бактерий

Вид	Содержание нуклеотидов %				Пур Пир	Г+У А+Ц	Г+Ц  А+У
	Г	А	Ц	У
Clostridium perfringens	15,8	1,00	1,03	35,0	1,00	1,03	0,45
Staphyl. pyogenes aureus	17,3	0,98	1,04	33,0	0,98	1,04	0,53
Pasteurella tularensis	17,6	1,00	1,02	32,9	1,00	1,02	0,53
Proteus vulgaris	19,8	1,00	0,97	29,4	1,00	0,97	0,68
Escherichia coli	26,0	1,00	1,00	23,9	1,00	1,00	1,09
Proteus morganii	26,3	1,00	0,98	23,3	1,00	0,98	1,13
Shigella dysenteriae	26,7	1,01	0,99	23,3	1,01	0,99	1,15
Salmonella typhosa	26,7	1,01	1,00	23,1	1,01	1,00	1,14
Salmonella typhimurium	27,1	1,00	1,00	23,4	1,00	1,00	1,18
Ervinia carotovora	27,1	1,02	0,99	23,0	1,02	0,99	1,17