Основы биохимии Том 3 — А. Ленинджер 1985
Молекулярные механизмы передачи генетической информации
Репликация и транскрипция ДНК
Краткое содержание главы
ДНК Е. coli реплицируется полуконсервативным способом, так что каждая дочерняя двойная спираль состоит из одной родительской и одной новообразованной цепи. Кольцевая бактериальная хромосома реплицируется в двух направлениях из одной и той же точки начала репликации. Некоторые вирусные ДНК реплицируются по механизму “катящегося кольца”.
ДНК-полимераза I Е. coli катализирует синтез ДНК из четырех дезоксирибонуклеозид-5′-трифосфатов в присутствии ионов Mg2+ с высвобождением в ходе реакции пирофосфата. Цепь растет в направлении 5’→3′. Для протекания реакции необходимо наличие предсуществующей цепи ДНК, которая служит одновременно и матрицей, и затравкой. Фермент синтезирует цепь ДНК, комплементарную цепи-матрице; полярность новообразованной цепи противоположна полярности матрицы. Клетки Е. coli содержат три ДНК-полимеразы. Главный фермент репликации — это ДНК-полимераза III, а ДНК-полимераза I выполняет при репликации вспомогательную функцию. Одна цепь ДНК (ведущая) реплицируется непрерывным образом в направлении 5’→3′, другая же цепь (отстающая) реплицируется с образованием коротких фрагментов, называемых фрагментами Оказаки. Эти фрагменты, длина которых у прокариот может достигать 2000 нуклеотидов, синтезируются в направлении, противоположном направлению движения репликативной вилки. Образование каждого фрагмента Оказаки начинается с катализируемого примазой синтеза короткого комплементарного участка РНК, который играет роль затравки. Затем на 3′-конце этой РНК-затравки с помощью ДНК-полимеразы III синтезируется ДНК. После этого РНК-затравка вырезается и замещается комплементарной ДНК, которая затем сшивается с отстающей цепью при помощи ДНК-лигазы. Для репликации необходимы также хеликаза и ДНК-связывающие белки, которые расплетают матрицу и удерживают цепи ДНК в разведенном состоянии, помогая ДНК-полимеразе начать работу. Кроме того, расплетанию цепей способствует вращение молекулы ДНК, осуществляемое ДНК-гиразой. После репликации ДНК-гираза необходима также для образования сверхспиральных молекул ДНК. ДНК-полимераза I обладает как 3’→5′-, так и 5’→3′-экзонуклеазной активностью. Первая из них служит для исправления ошибок — с ее помощью выщепляются неспаренные нуклеотиды, тогда как вторая активность обеспечивает удаление РНК-затравок из фрагментов Оказаки и репарацию ДНК. ДНК-полимераза III тоже обладает этими экзонуклеазными активностями.
Процесс транскрипции катализируется ДНК-зависимой РНК-полимеразой — сложным ферментом, который синтезирует из рибонуклеозид-5′-трифосфатов цепь РНК, комплементарную одной из цепей двухцепочечной ДНК. Для узнавания промоторной области ДНК, т. е. сигнала инициации синтеза РНК, прокариотической РНК-полимеразе необходима особая субъединица о (сигма). С одного гена одновременно может транскрибироваться много цепей РНК. рРНК и тРНК образуются из более длинных РНК-предшественников, которые укорачиваются с помощью нуклеаз и далее ферментативным путем модифицируются, превращаясь в зрелые молекулы. Эукариотические мРНК образуются из предшественников большего размера, которые известны под названием гетерогенных ядерных РНК (гяРНК). Впоследствии они модифицируются путем присоединения длинного poly (А)-хвоста к 3′-концу и остатка метилгуанозина (“кэпа”) к 5′-концу. Интроны удаляются с помощью малых ядерных РНК (мяРНК).
В животных клетках, зараженных онкогенными РНК-содержащими вирусами, образуются РНК-зависимые ДНК-полимеразы, называемые также обратными транскриптазами. Эти ферменты транскрибируют вирусную РНК-хромосому с образованием комплементарной ДНК. Таким путем гены, обусловливающие рак (онкогены), могут включаться в геном животных клеток.
В бактериальных клетках, зараженных некоторыми РНК-содержащими вирусами, были найдены РНК-зависимые РНК-репликазы. Они обладают специфичностью по отношению к вирусной РНК-матрице. Выделенная из бактерий полинуклеотидфосфорилаза может обратимо синтезировать РНК-подобные полимеры из рибонуклеозид-5′-дифосфатов. Хотя этот фермент способен добавлять рибонуклеотиды к 3′-гидроксильному концу полимера и удалять их оттуда, обычно он выполняет функцию деградации РНК.
ЛИТЕРАТУРА
Репликация
Alberts В., Sternglanz R. Recent Excitement in the DNA Replication Problem, Nature, 269, 655-661 (1977). Прекрасный обзор сложных проблем, касающихся репликации и сверх- спиральности молекул ДНК, а также расплетания и точности воспроизведения цепей ДНК.
Komberg A. Aspects of DNA Replication, Cold Spring Harbor Symp. Quant. Biol., 43, 1-9 (1979). Обзор современного состояния проблемы репликации ДНК и постановка новых вопросов. Указанный том содержит множество ценных статей.
Komberg A. DNA Replication, Freeman, San Francisco, Calif., 1980. Самая последняя монография по репликации, ДНК, содержащая полный перечень ссылок по данной проблеме.
ДНК-лигаза
Lehman I.R. DNA Ligase: Structure,
Mechanism, Function, Science, 186, 790-797 (1974).
Транскрипция
Chamberlin M.J. RNA Polymerase: An Overview. In: Losick R. and Chamberlin M.J. (eds.), RNA Polymerase, pp. 17-67, Cold Spring Harbor Laboratory, New York, 1976.
Miller O. L, Jr. The Visualization of Genes in Action, Sci. Am., 228, 34-42, March 1973.
Pederson T. Messenger RNA Biosynthesis and Nuclear Structure, Am. Sci., 69 (1), 76-84 (1981).
Обратная транскрипция
Temin Н. RNA-Directed DNA Synthesis, Sci. Am., 226, 24-33, January 1972.
Процессинг РНК
Abelson J. RNA Processing and the Intervening Sequence Problem, Annu. Rev. Biochem., 48, 1035-1069 (1979).
Вопросы и задачи
1. Выводы из эксперимента Мезельсона-Сталя. Результаты эксперимента Мезельсона-Сталя доказали, что репликация ДНК в Е. coli протекает по полуконсервативному механизму. Согласно так называемой “дисперсивной” модели, цепи родительской ДНК расщепляются при репликации на фрагменты произвольного размера, а затем соединяются с фрагментами новосин тезированной ДНК, образуя дочерние дуплексы, в которых обе цепи содержат в случайном порядке как родительскую (“тяжелую”), так и дочернюю (“легкую”) ДНК. Объясните, почему эксперимент Мезельсона-Сталя исключил эту модель.
2. Эксперимент Кэрнса.
а) Почему Кэрнс при изучении хода репликации ДНК использовал радиоактивный тимидин?
б) Можно ли было с тем же успехом использовать радиоактивный аденозин или гуанозин?
в) Покажите ферментативный путь, по которому радиоактивный тимидин включается в ДНК E.coli.
3. Число оборотов хромосомы Е. coli. Сколько оборотов вокруг своей оси должна совершить хромосома Е. coli при раскручивании в процессе репликации?
4. Время репликации у E.coli.
а) Исходя из данных, приведенных в этой главе, рассчитайте, сколько времени занимает репликация хромосомы E.coli при 37°С, если две репликативные вилки движутся из точки начала репликации?
б) При определенных условиях клетки Е. coli могут расти и делиться с интервалами в 20 мин. Объясните, каким образом это происходит?
5. Репликативные вилки в Е. coli и в клетках человека.
а) Какое время необходимо для репликации гена рибонуклеазы E.coli (104 аминокислотных остатка), если репликативная вилка движется со скоростью 750 пар оснований в секунду?
б) Репликативная вилка в клетке человека движется всего лишь в 10 раз медленнее, чем в E.coli. Какая дополнительная информация потребуется вам, чтобы рассчитать минимальную скорость репликации гена человека, кодирующего белок из 104 аминокислотных остатков?
6. Спаривание оснований при репликации и транскрипции.
а) Напишите нуклеотидную последовательность участка ДНК, синтезируемого ДНК-полимеразой, на указанной ниже матрице ДНК, имея в виду, что нуклеотидные последовательности принято писать в направлении 5’→3′.
(5) AGCTTGCAACGTTGCATTAG (3)
б) Теперь напишите нуклеотидную последовательность участка матричной РНК, транскрибируемой РНК-полимеразой при использовании в качестве матрицы новосинтезированной цепи ДНК, полученной в п. а) этой задачи.
7. Состав оснований транскрипта РНК. Цепь ДНК, содержащая 105 нуклеотидных остатков в соотношении А-21%, G-29%, С-29% и Т-21%, реплицируется при помощи ДНК- полимеразы с образованием комплементарной цепи. Полученную двухцепочечную ДНК затем используют в качестве матрицы для РНК-полимеразы, которая транскрибирует новую цепь ДНК. В результате синтезируется РНК такого же размера, как матрица.
а) Определите нуклеотидный состав образующейся РНК.
б) Предположим, что РНК-полимераза остановилась, пройдя только 2000 остатков новой цепи ДНК. Каким будет нуклеотидный состав новой короткой РНК?
8. Нуклеотидный состав ДНК, синтезированных на одноцепочечных матрицах. Определите нуклеотидный состав ДНК, синтезированной на матрице, представляющей собой двухцепочечную кольцевую ДНК фага фХ174 (т. е. репликативную форму ДНК этого фага), если нуклеотидный состав одной из цепей таков: А-24,7%, G-24,1%, С-18,5% и Т-32,7%. Какое допущение необходимо сделать, чтобы решить эту задачу?
9. Гибридизация ДНК с мРНК. ДНК гибридизуется с мРНК, транскрибированными с этой ДНК. Как вы объясните тот факт, что со всеми известными мРНК может гибридизоваться не более 50% всей ДНК Е. colil
10. Фрагменты Оказаки.
а) Сколько приблизительно фрагментов Оказаки образуется при репликации хромосомы E.coli?
б) Какие факторы гарантируют сборку большого числа фрагментов Оказаки в новую ДНК в правильном порядке?
11. Ведущая и отстающая цепи. Составьте список предшественников и ферментов, необходимых для синтеза ведущей и отстающей цепей при репликации ДНК.
12. Точность репликации ДНК.
а) Какие факторы обеспечивают точность репликации в ходе синтеза ведущей цепи новой ДНК?
б) Можно ли ожидать, что отстающая цепь синтезируется с той же точностью, что и ведущая? Поясните ваш ответ.
13. Инициация репликации. ДНК-репликазная система для своего функционирования нуждается в матрице и затравке; более того, она не способна реплицировать интактную кольцевую ДНК, за исключением особых обстоятельств.
а) Каков биологический смысл этого свойства репликазной системы?
б) Каковы могут быть особые обстоятельства, при которых ДНК-репликазная система способна реплицировать интактную кольцевую ДНК?
14. Различия между РНК-полимеразой и полинуклеотидфосфорилазой. РНК-полимераза требует для транскрипции в качестве предшественников нуклеозид-5′-трифосфаты, а с нуклеозид-5′-дифосфатами она не работает. Полинуклеотидфосфорилаза, наоборот, требует нуклеозид-5′-дифосфаты, а с 5′-трифосфатами она не работает.
а) Какова причина указанных различий между этими двумя ферментами в требовании к предшественникам?
б) В связи с вашим ответом на вопрос п. “а” укажите, какие другие различия между данными ферментами имеют отношение к затронутому вопросу.
15. Исправление ошибок. ДНК-полимеразы могут выявлять и исправлять ошибки, тогда как РНК-полимеразы такой способностью, по-видимому, не обладают. Поскольку ошибка даже в одном основании как при репликации, так и при транскрипции может привести к ошибке в синтезе белка, можете ли вы дать биологическое объяснение этому поразительному различию?
Механизмы исправления ошибок во время репликации ДНК и ее репарация вследствие повреждений на протяжении всего жизненного цикла клетки.
Основные моменты:
-
Клетки имеют различные механизмы предотвращения возникновения мутаций – необратимых изменений в ДНК
-
В процессе синтеза ДНК, большинство ДНК-полимераз «проверяют свою работу» и проводят замену бо́льшей части ошибочно вставленных нуклеотидов. Этот процесс можно назвать исправлением ошибок.
-
Сразу после синтеза ДНК любые оставшиеся ошибочные нуклеотиды обнаруживаются и заменяются в так называемом процессе репарации ошибочно спаренных нуклеотидов.
-
Если ДНК повреждена, она может быть восстановлена с помощью различных механизмов, например, путём прямой репарации, эксцизионной репарации или путём восстановления двухцепочечных разрывов
- пострепликативной репарации.
Введение
Как ДНК связана с раком? Рак возникает при неконтролируемом делении клеток, когда игнорируются клеточные «стоп»-сигналы, что приводит к образованию опухоли. Это неправильное поведение клеток вызвано накопившимися мутациями — необратимыми изменениями последовательности ДНК клетки.
На самом деле, ошибки в процессе репликации и повреждения ДНК возникают в клетках нашего тела постоянно. Однако в большинстве случаев они не приводят к раку и даже не вызывают мутаций, такие ошибки обычно обнаруживаются и исправляются в процессе репарации ДНК. Если же повреждение исправить не удаётся, то в клетке включается механизм самоуничтожения — (апоптоз), который предотвращает передачу поврежденной ДНК дочерним клеткам.
Мутации возникают и передаются дочерним клеткам только тогда, когда эти механизмы не справляются. В частности, рак возникает в случае накопившихся в одной клетке мутаций генов, связанных с делением.
В этой статье мы подробно рассмотрим механизмы, используемые клетками для исправления ошибок, которые возникают в процессе репликации. К ним относятся:
-
Исправление ошибок – процесс, который возникает во время репликации ДНК.
-
Репарация ошибочно спаренных нуклеотидов, которая происходит сразу же после репликации ДНК.
-
Механизмы репарации, которые выявляют и исправляют повреждения ДНК на протяжении всего клеточного цикла
Исправление ошибок
ДНК-полимеразы — это ферменты, участвующие в репликации ДНК. Во время копирования ДНК большинство ДНК-полимераз «проверяют», корректный ли нуклеотид они добавляют. Этот процесс называется исправлением ошибок. Если полимераза обнаружит, что был добавлен неправильный нуклеотид, она сразу же удалит и заменит его и только после этого продолжит синтез ДНКstart superscript, 1, end superscript.
Репарация ошибочно спаренных нуклеотидов
Процесс исправления избавляет от основной массы ошибок, но не от всех. После создания новой ДНК запускается механизм репарации ошибочно спаренных нуклеотидов — удаления и замены ошибочно спаренных нуклеотидов, оставшихся в результате репликации. Исправление несоответствий между парами оснований также может включать в себя исправление небольших вставок и делеций, возникающих вследствие «соскальзывания» полимеразы с исходной цепи squared.
Как происходит восстановление неправильно спаренных нуклеотидов? Во-первых, белковый комплекс распознаёт неправильно спаренный нуклеотид и связывается с ним. Другой комплекс разрезает ДНК в области несовпадения, а ещё одна группа ферментов отщепляет некорректный нуклеотид вместе с небольшим участком вокруг него. Затем ДНК-полимераза заполняет этот пробел правильными нуклеотидами, а фермент ДНК-лигаза сшивает разрывы в цепиsquared.
Удивительно: как белки, участвующие в восстановлении ДНК, определяют, «кто прав» во время репарации ошибочно спаренных нуклеотидов? То есть, когда два основания неправильно соединены (как G (гуанин) и T (тимин) на рисунке выше), какое из этих двух оснований должно быть удалено и заменено?
У бактерий можно отличить исходную и дочернюю цепи ДНК по метилированным основаниям. На исходной цепи ДНК есть метильные (minus, start text, C, H, end text, start subscript, 3, end subscript) группы, присоединенные к некоторым из ее оснований, а у дочерней цепи таких групп еще нетcubed.
У эукариот процессы, позволяющие идентифицировать исходную цепь при устранении несоответствий, включают распознавание одноцепочечных разрывов, которые обнаруживаются только у дочерней цепи cubed.
Механизмы репарации ДНК
С ДНК может что-нибудь случиться практически в любой момент жизни клетки, а не только во время репликации. Фактически, ДНК постоянно повреждается из-за воздействия внешних факторов: ультрафиолетового излучения и радиации, химических веществ, не говоря уже о спонтанных процессах, которые протекают даже без вмешательства окружающей среды!start superscript, 4, end superscript
К счастью, наши клетки имеют механизмы восстановления, с помощью которых они находят и исправляют большинство повреждений ДНК. Можно выделить несколько типов репарации:
-
Прямая репарация. Некоторые повреждения ДНК, вызванные химическими реакциями, могут быть «исправлены» находящимися в клетке ферментами.
-
Эксцизионная репарация. Повреждение одного или нескольких нуклеотидов ДНК часто исправляется удалением и заменой поврежденного участка. При эксцизионной репарации оснований удаляется только поврежденное основание. В случае эксцизионной репарации нуклеотидов, как и в случае репарации ошибочно спаренных нуклеотидов, которое мы рассмотрели выше, удаляются целиком нуклеотиды.
-
Репарация двухцепочечных разрывов: Существуют два основных способа: негомологичное соединение концов и гомологичная рекомбинация. Они используются для восстановления двухцепочечных разрывов ДНК (когда вся хромосома разделяется на две части).
Прямая репарация
В некоторых случаях клетка может исправить повреждение ДНК, обратив вызвавшую его реакцию. Дело в том, что «повреждение ДНК» — это, как правило, присоединение к ней лишней группы в результате химической реакции.
Например, гуанин (G) может подвергаться реакции с присоединением метильной (minus, start text, C, H, end text, start subscript, 3, end subscript) группы к атому кислорода в азотистом основании. Если это не исправить, метил-содержащий гуанин будет связываться с тимином (Т), а не с цитозином (С) во время репликации ДНК. К счастью, у людей и многих других организмов есть фермент, который может удалить метильную группу, обратив реакцию, и тем самым вернуть азотистое основание в нормальное состояниеstart superscript, 5, end superscript.
Эксцизионная репарация оснований
Эксцизионная репарация оснований — это механизм, используемый для обнаружения и удаления определенных типов поврежденных азотистых оснований. Ключевую роль в нем играет группа ферментов, называемых гликозилазами. Каждая гликозилаза обнаруживает и удаляет определенный вид поврежденных оснований.
Например, в процессе реакции дезаминирования цитозин может превратиться в урацил — основание, обычно встречающееся только в РНК. Во время репликации ДНК урацил будет соединяться с аденином, а не с гуанином (в отличие от цитозина), поэтому такое превращение может привести к возникновению мутацииstart superscript, 5, end superscript.
Для предотвращения подобных изменений гликозилаза, являющаяся частью сигнального пути эксцизионной репарации, обнаруживает и удаляет дезаминированные цитозины. После того, как основание было удалено, удаляется и оставшаяся часть нуклеотида, а другие ферменты заполняют пробелstart superscript, 6, end superscript.
Эксцизионная репарация нуклеотидов
Эксцизионная репарация нуклеотидов — это еще один способ удаления и замены поврежденных оснований. В результате нее обнаруживаются и корректируются повреждения, которые искажают форму двойной спирали ДНК. Например, азотистые основания могут измениться, присоединив к себе громоздкие группы атомов, в частности, в результате воздействия химических веществ, содержащихся в сигаретном дымеstart superscript, 7, end superscript.
Эксцизионная репарация нуклеотидов также используется для устранения повреждений, вызванных ультрафиолетовым излучением, например, при получении солнечного ожога. Под воздействием УФ-излучения цитозин и тимин могут вступать в реакцию с соседними основаниями, которые также являются цитозином или тимином, образуя при этом связи, изменяющие форму двойной спирали и вызывающие ошибки в процессе репликации ДНК. Наиболее распространенный тип таких связей — тиминовый димер — он состоит из двух тиминовых оснований, вступающих в реакцию друг с другом и образующих химическую связьstart superscript, 8, end superscript.
При эксцизионной репарации нуклеотидов поврежденные нуклеотиды удаляются вместе с соседними нуклеотидами. В этом процессе хеликаза (фермент, раскручивающий ДНК) раскрывает ДНК, образуя пузырь, а ферменты, разрезающие ДНК, отсекают поврежденную часть пузыря. Полимераза заполняет пробел, а лигаза сшивает разрыв в цепиstart superscript, 9, end superscript.
Репарация двухцепочечных разрывов
Некоторые факторы окружающей среды, например, радиация, могут вызывать разрывы обеих цепочек ДНК (разделение хромосомы на две части). Такие повреждения ДНК, если верить комиксам, ведут к появлению супергероев, но могут встречаться и после реальных катастроф, например, Чернобыльской.
Двухцепочечные разрывы опасны, потому что большие сегменты хромосом и сотни содержащихся в них генов могут быть потеряны, если разрыв не будет восстановлен. Существует два способа восстановления двухцепочечных разрывов ДНК: негомологичное соединение концов и гомологичная рекомбинация.
При негомологичном соединении концов два разорванных конца хромосомы просто склеиваются обратно. Этот механизм восстановления является «грубым» и неточным, в результате в месте разрыва, как правило, либо теряются нуклеотиды, либо добавляются лишние, что может привести к мутациям. Но это в любом случае лучше потери целого фрагмента хромосомыstart superscript, 10, end superscript.
При гомологичной рекомбинации для восстановления разрыва используется фрагмент из гомологичной хромосомы, который соответствует поврежденной хромосоме (или из сестринской хроматиды, если ДНК была реплицирована). В этом процессе две хромосомы объединяются, и неповрежденная область гомологичной хромосомы или хроматиды используется в качестве матрицы для замены поврежденной области. Гомологичная рекомбинация работает «чище», точнее, чем негомологичное соединение концов, и обычно не приводит к образованию мутацийstart superscript, 11, end superscript.
Репарация ДНК и заболевания человека
Доказательства важности механизмов репарации получены на основе генетических заболеваний человека. Во многих случаях мутации в генах, которые кодируют белки, участвующие в репарации, связаны с наследственным раком. Например:
-
Наследственный неполипозный колоректальный рак (также называемый синдромом Линча) вызван мутациями в генах, кодирующих белки, которые участвуют в репарации ошибочно спаренных нуклеотидовstart superscript, 12, comma, 13, end superscript. Поскольку такие нуклеотиды не восстанавливаются, у людей, страдающих этим синдромом, мутации накапливаются гораздо быстрее, чем у здоровых. Это может привести к развитию опухолей толстой кишки.
-
Люди с пигментной ксеродермой очень чувствительны к ультрафиолетовому излучению. Это вызвано мутациями в белках, участвующих в эксцизионной репарации нуклеотидов. Когда они не функционируют, димеры тимина и другие виды повреждений, вызванные ультрафиолетовым излучением, перестают восстанавливаться. У людей с пигментной ксеродермой после нескольких минут пребывания на солнце могут возникнуть сильные солнечные ожоги, и около половины из них заболевают раком кожи в возрасте до 10 лет, если только они не избегают солнечных лучейstart superscript, 14, end superscript.
Question
Instant Answer
Step 1/2
First, we need to understand the basic differences between DNA and RNA polymerases. DNA polymerases are responsible for replicating DNA during cell division, while RNA polymerases are responsible for transcribing DNA into RNA.
One possible explanation for the difference in error correction capacity between DNA and RNA polymerases is the nature of the molecules they work with. DNA is a double-stranded molecule, which provides a template for error correction. During replication, the DNA polymerase can use the complementary strand as a reference to correct any errors that may have occurred during replication.
On the other hand, RNA is a single-stranded molecule, which makes it more prone to errors during transcription. RNA polymerases do not have a complementary strand to use as a reference for error correction, which may explain why their error correction capacity is limited.
Another possible explanation is the importance of accuracy in DNA replication compared to RNA transcription. DNA replication is a critical process that must be highly accurate to ensure the fidelity of genetic information. Any errors in DNA replication can lead to mutations that may have serious consequences for the organism.
In contrast, RNA transcription is a more flexible process that can tolerate some errors without significant consequences. RNA molecules are often subject to post-transcriptional modifications that can correct errors or remove defective molecules.
Step 2/2
Additionally, RNA molecules are often produced in large quantities, which can compensate for errors in individual transcripts.
Overall, the difference in error correction capacity between DNA and RNA polymerases may be due to the nature of the molecules they work with and the importance of accuracy in DNA replication compared to RNA transcription.
Video Answer
This problem has been solved!
Try Numerade free for 7 days
Created on Dec. 19, 2022, 5:49 p.m.
Тема «обмен нуклеопротеинов. Синтез белка»
Задача
1.
Пациент
жалуется на повторяющиеся приступы
острого воспаления суставов (чаще всего
мелких). Под кожей у больного выявлены
образования в виде подагрических узлов
и образование камней в мочевыводящей
системе.
а)
Укажите возможную причину вызываемых
симптомов, название болезни. б) Какие
биохимические показатели нужно определить
для уточнения дигноза?
в)
Назовите причины данного заболевания
и пути его коррекции.
Ответ:а)
накопление
мочевой кислоты и уменьшение её
выделения почками,
болезнь подагра
б)концентрацию
мочевой кислоты в плазме крови, общий
анализ крови ( повышаная СОЭ, повышенное
содержание нейтрофилов, сдвиг лейкоцетарной
формулы влево)
в)гиперурикимия,
из-за почечной недостаточности или
повышенной концентрации фруктозы.
Следует назначить диету, исключающую
содержание пуриновых оснований.
Задача
2.
В
печени крысы есть фермент, в полипептидную
цепь которого входит 192 аминокислотных
остатка. Этот фермент кодируется геном,
включающим 1440 пар оснований. Объясните
взаимосвязь между числом пар оснований
в соответствующем гене и числом
аминокислот в белке-ферменте.
экзоны
эт. гена сост. из 3*192=576 пар оснований.
Оставшиеся 864 нуклеотид. пары (1440-576) вх.
в состав интронов, и возмож-но, в состав
сигнальной последовательности
Задача
4.
ДНК-полимеразы
могут выявлять и исправлять ошибки,
тогда как РНК-полимеразы такой
способностью, по-видимому, не обладают.
Поскольку ошибка даже в одном основании
как при репликации, так и транскрипции
может привести к ошибке в синтезе белка,
можете ли Вы дать биологическое объяснение
этому поразительному различию?
ошибка
в одном основании при реплика-ции ДНК,
если она не исправлена, приведет к тому,
что 1 из 2-х дочерних кл., а также все ее
потомки будут содержать измененную хро
мосому. Ошибка в 1 основании, совершенная
РНК-полимеразой, повлечет за собой
синтез некот. кол-ва неправильных копий
1 бел., при этом, поскольку мРНК в кл.
быстро обнов-ляется, большинство мол.
эт. бел. будет норм. Потомство такой кл.
тоже будет норм.
Задача
6.
В
эксперименте была проведена модификация
гистонов путем ферментативного
присоединения фосфатных групп. При
фосфорилировании гистонов наблюдали
увеличение скорости ДНК-зависимого
синтеза РНК. Объясните причины данного
повышения скорости процесса.
Ответ:
Гистоны имея положительый заряд
связываются с отрицательными заряженными
фосфатами ДНК и блокируют транскрипцию.
Модификация гистонов, например, путем
фофорилирования ослабляет связь гистонов
с ДНК при этом облегчается транскрипция.
Тема
«Биологическое окислени. Цикл Кребса»
№№ 2, 4, 8,
9, 10, 13, 14, 16, 17, 18, 21
Тема «биологическое окисление. Цикл кребса»
Задача
2.
Непосредственно
в реакциях цикла Кребса кислород не
участвует. Тем не менее цитратный цикл
— аэробный процесс. Объясните, почему
он ингибируется в отсутствии кислорода.
Ответ:аэробный
процесс, тк О2 определяет и регулирует
V
р-ции в цикле. Без него:
C6H12O6=2C3H6O3
+ 65кДж\моль (образование молочной к-ты)
О2
дает более сильное окисление субстратов.
В аэробных условия пробукты бекислородного
окисления становятся субстратами ЦТК.
В отсутствии О2 скапливается Н2, образуется
NADH2,
ФАДН2, который тормозит ЦТК.
Задача
4.
После
перенесенного тяжелого заболевания у
больного возникло гипоэнергетическое
состояние. Врач порекомендовал больному
витамины группы В. Обоснуйте назначение
врача.
Ответ:
Клетка должна получать питательные
вещества и О2 для поддержания синтеза
АТФ. При голодании в качестве источников
энергии используются собственные в-ва
тканей, энергитический обмен уменьшеется,
уменьшается потребление О2- это состояние
называется гипоэнергетическим. Витамины
группы В входят в состав ферментов,
которые работают на всех этапах
энергетического обмена. Например:
В1-дегидролипоилдегидрогеназа, В2-ФАД,
В3-КоАSH,
В5-НАД, В2-сукцинатдегидрогеназа.
Задача
8.
При
изучении тканевого дыхания мышц in
vitro,
исследователи использовали в качестве
субстрата окисления сукцинат.
Дополнительное добавление в эту среду
малоновой кислоты прекращало поглощение
кислорода и в среде накапливался
промежуточный метаболит цикла Кребса.
Ответьте на вопрос:
а)
какова причина остановки дыхания?
б)
возможно ли снять вызванное малонатом
ингибирование?
в)
если Да,
то каким образом?
Задача
9.
На
экспериментальных животных изучалось
влияние антимицина А и ротенона. Показано,
что оба эти вещества токсичны для
организма. Зная точки приложения действия
антимицина А и ротенона на ферменты
электронпереносящей цепи, объясните:
а)
чем объясняется их токсичность?
б)
решите, какое из этих 2-х соединений
более токсично.
Дайте
объяснение.
ротенон
– ing
НАДН-ДГ – 1 комп. ДЦ. Окис. сукцината
возможно ч/з 2 функ. комп. Антимицин А
явл. ing
3 функ. комп. ДЦ, блокирует транспорт ē
на участие после убихинона. В резул.
стан. невозмож. исполь-зов. субстратов,
окисляемых как пиридино-выми (АТД-дегидр.),
так и фловиновыми дегидрогеназами.
Задача
10.
В
физиологических условиях температура
тела человека выше температуры окружающей
среды (36.6оС
против 20оС).
Объясните, чем обусловлена эта разница?
Какую
роль в этом играют митохондрии? Ответ
обоснуйте.
Задача
13.
При
увеличении концентрации АДФ в клетке
скорость цикла трикарбоновых кислот
быстро увеличивается.
Увеличение
активности какого фермента (ферментов)
приводит к ускорению реакций всего
цикла? Каков механизм активирующего
эффекта избытка АДФ?
Задача
14.
Увеличение
концентрации АТФ и НАДН2
приводит к уменьшению скорости цикла
трикарбоновых кислот. Активность каких
ферментов снижается при увеличении
концентрации АТФ и НАДН2
в клетке? Каков механизм ингибирующего
эффекта избытка АТФ
и НАДН2?
.
при ↑у С АТФ в кл. ↓у активность
регу-ляторных фер. цикла трикарб. к-т:
цитратсин-таза, изоцитратдегидрогеназа,
кетоглутарат-дегидрогеназа за счет
ing-ия
фер.по ал. типу. ↑у С НАДН приводит к ↓у
V
тех же регуля-торных р-ий, а также
малатдегидрогеназы (НАДН2
сдвигает МДГ-р-ию в сторону → малата).
Задача
16.
Может
ли суспензия митохондрий в присутствии
ротенона окислять сукцинат? Почему?
Задача
17.
У
новорожденных детей в области шеи и
верхней части спины имеется особая
жировая ткань — так называемый «бурый
жир», который у взрослых отсутствует.
Бурая окраска зависит от высокого
содержания митохондрий. Бурый жир
имеется также у зимоспящих животных. В
митохондриях бурого жира на каждый атом
поглощенного кислорода образуется
менее одной молекулы АТФ.
Какой
физиологической функцией определяется
низкое значение Р/О в буром жире
новорожденных?
Ответ:
Единствееная функция бурой жировой
ткани-выработка тепла, необходимого
зимоспящим животным при пробуждении и
новорожденным с неразвитой еще
терморегуляторной системой. Необычная
для жира коричневая окраска объясняется
высоким содержанием митохондрий, имеющих
значительно больше ферментов дыхания,
чем фосфорилирования. Такие митохондрии
в меньшей степени настроены на производство
АТФ, чем на свободное дыхание. Внутренние
мембраны митохондрий бурого жира имеют
специальные поры для ионов Н, котрые
выносятся из матрикса в результате
переноса ионов по дыхательной цепи и
возвращаются в митохондрии минуя
АТФ-синтетазу. В результате этого АТФ
не синтезируется. Энергия переноса
электронов рассеивается в виде тепла.
Регуляция этого процесса осуществляется
с помощью специфического для бурой
жировой ткани белка, который локализован
на внешней поверхности внутренней
мембраны, способен связываться с
пуриновыми нуклеотидами (АДФ и ГДФ)
Функция этого белка состоит в изменении
протонной проводимости внутренней
митохондриальной мембраны. Связывание
ГДФ с этим белком приводит к резкму
снижению протонной проводимости.
Содержание этого регуляторного белка
в тканях варьирует в зависимости от
стадии и развития холодового воздействия.
Задача
18.
У
больного с повышенной функцией щитовидной
железы наблюдается уменьшение веса,
субфебрильная температура, повышенная
раздражительность. Объясните причины
наблюдаемых симптомов заболевания.
Ответ:
Такие симптомы наблюдаются при болезни
Грейвса или базедовой болезни. Тк при
гиперфункции щитовидной железы
наблюдается повышенное выделение
гормона тироксина, который является
разобщитилем дыхания. Тк он тормозит
синтез белка и стимулирует каталитические
процессы, показателем служит «-» азатистый
баланс, увеличение поглощения клетками
О2. Он стимулирует работу Na-K-АТФ-азы
на которую тратится энергия. В печени
увеличивается скорость гликолиза,
синтез холестерола и желочных кислот,
которые являются детергентами мембран,
следовательно происходит остановка их
функций. В итоге он является ингибитором
для процесса окислительного
фосфорилирования.
Задача
21.
Во
время пожара из горящего дома вынесен
пострадавший, который не имел ожогов,
но находился в бессознательном состоянии.
С большим трудом удалось вернуть его к
жизни.
В
чем причина тяжелого состояния
пострадавшего и какие меры нужно принять
для спасения больного
Ответ:
Пострадавший вдохнул опрееленное
количество СО, которое быстро связывается
с гемоглобином образую прочную молекулу
– карбоксигемоглобин. Кроме того СО
является ингибитором для цитохромоксидазы,
что ведет к отключению всей дыхательной
цепи, электороны не поступают на
окончательный акцептор О2.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
Исправление ошибок. ДНК-полимеразы могут выявлять и исправлять ошибки, тогда как РНК-полимеразы такой способностью, по-видимому, не обладают. Поскольку ошибка даже в одном основании как при репликации, так и при транскрипции может привести к ошибке в синтезе белка, можете ли вы дать биологическое объяснение этому поразительному различию [c.925]
Очень важно отметить, что процесс репликации протекает со значительно более высокой степенью точности, чем процессы транскрипции и трансляции. Частые ошибки в репликации подвергли бы большому риску сохранность видов [c.908]
События, влияющие на транскрипцию и трансляцию. Могут происходить ошибки как на уровне транскрипции, так и на уровне трансляции. [c.42]
Спонтанные генные мутации определяются ошибками при репликации ДНК, возникающими вследствие теплового движе-иия атомов и молекул. Очевидно, что ошибки транскрипции и трансляции не наследуются. [c.283]
ВЫВОД, ЧТО, по-видимому, код действительно является триплет-ным, причем кодирование начинается от определенной точки нуклеиновой кислоты. При этом большая часть трехбуквенных комбинаций соответствует определенным аминокислотам и лишь небольшая часть триплетов относится к бессмысленным. Число триплетов равно 4-4-4 = 64, т. е. значительно больше числа аминокислот. Некоторые из них, по-видимому, кодируют одну и ту же аминокислоту, т. е. код является вырожденным. Этот вывод согласуется с обнаружением в настоящее время двух и более типов растворимых РНК, специфичных к одной и той же аминокислоте. Вырожденность генетического кода может способствовать выживанию организма. Действительно, в случае невырожденного кода ошибка при репликации ДНК или при транскрипции должна скорее приводить к появлению бессмысленного триплета, чем в случае вырожденного кода. Следовательно, при невырожденном коде ошибки чаще вызывали бы прекращение синтеза соответствующего белка или образование незаконченных белковых цепей. Напротив, в случае вырожденного кода ошибки должны чаще приводить просто к замене одной аминокислоты на другую, что, как правило, не имеет серьезных последствий. [c.376]
Спонтанные генные мутации определяются ошибками, возникающими вследствие теплового движения атомов и молекул при редупликации ДНК. Очевидно, что ошибки при транскрипции и трансляции не наследуются. [c.600]
Процесс транскрипции находится в клетке под строгим контролем, поэтому имеет место как неодинаковое транскрибирование во времени разных участков ДНК (генов), так и неодинаковая скорость, с которой гены могут транскрибироваться. В результате количество молекул иРНК в клетке, комплементарных разным генам, сильно различается. Хотя в целом механизмы синтеза ДНК и РНК сходны, процесс транскрипции не обладает той степенью точности, которая характерна для репликации ДНК. Однако поскольку иРНК не способна к самовоспроизведению, возникающие при ее синтезе ошибки в последующих клеточных генерациях не воспроизводятся и, следовательно, не могут наследоваться. [c.142]
Если же программа ошибется, выбрав слишком удаленное от старта транскрипции положение блоков, вектор Г изменяется и становится равным У(,, +х , где у — вектор, соответствующий выбранному положению структуры, ах — оптимальный из всех правильных векторов. Тем самым программа не только наказывается за ошибки, но и стимулируется к распознаванию правильных положений. [c.140]
Потребность в гц)авильно спаренном конце как раз и наделяет ДНК полимеразу способностью исправлять свои собственные ошибки. Такой фермент, очевидно, мог бы начать синтез ДНК при полном отсутствии затравки только утратив способность различать спаренный и неспаренный концы В то же время РНК-полимеразы, участвующие в транскрипции генов (см. разд. 5.1.1) судя по всему не нуждаются в само коррекции, потому что ошибки транскрипции не передаются следующему поколению и случайно возникшие дефектные молекулы особой роли не играют. РНК-полимеразы могут начинать синтез новых полинуклеотидных цепей в отсутствие затравки, причем ошибки встречаются с частотой 10 как при синтезе РНК, так и при трансляции, т е. при переводе нуклеотидных последовательностей мРНК в аминокислотные последовательности белков. [c.290]
Процесс синтеза комплементарной ДНК по РНК-мап-рице ферментом обратная транскриптаза . Процесс, склонный к ошибкам, потому что нет редактирования вновь синтезируемой ДНК и, следовательно, могут накапливаться мутации. Обратная транскрипция противоположна нормальному движению генетической информации от ДНК к РНК. См. Центральная догма [c.16]
Идущее различными путями умножение копий гена в хромосоме представляет материал для усиления функций изменения генов. Первое понятно сразу. А вот второе… тут есть два соображения. Во-первых, когда экземпляров гена несколько, то часть из них может меняться, а жизнеспособность организма при этом практически сохранится — функцию выполнят другие. Во-вторых, сам процесс удвоения может вносить ошибки. Так, например, если повтор получен в результате обратной транскрипции РНК ДНК, то вероятность ошибки примерно в миллион раз больше, чем при обычном удвоении ДНК ДНК [34. [c.147]
На специфическом подавлении отдельных стадий биосинтеза белка основано действие ряда антибиотиков (разд. 2.3.5). Так, актиномицин интер-коляцией и рифамицин селективным подавлением РНК-полимеразы нарушают процесс транскрипции. Хлорамфеникол нарушает трансляцию, блокируя реакцию переноса пептидила в рибосоме. Стрептомицин ассоциирует с 30 8-субъединицей рибосомы и ведет к ошибкам в переносе, а очень похожий на аминоацильный конец тРНК пуромицин вызывает преждевременный обрыв синтезируемой цепи. [c.398]
К счастью, с РНК-полимеразой такой ошибки не произошло. Она действительно оказалась тем самым ферментом, который ведает в клетке транскрипцией. Однако открытие этого фермента отвечало отнюдь не на все вопросы, связанные с синтезом мРНК. В самом деле, РНКовая копия снимается каждый раз не со всей ДНК, а с ее небольшого участка, содержащего один или несколько генов. Что же происходит с другими генами Если они молчат, то почему Может быть, есть не одна, а много РНК-полимераз, которым положено читать разные гены Или, может быть, существуют еще другие белки (назовем их репрессорами), которые не подпускают РНК-полимеразу к молчащим генам, не дают их считывать Какое объяснение предпочесть [c.50]
Идентификация антикодона в тРНК проведена весьма убедительными экспериментами. Получены мутанты, содержаш,ие мутационную ошибку в самом антикодоне определенной тРНК. Затем путем полного химич. анализа цепи тРНК показано, какой именно нуклеотид оказался замененным. Здесь и находился антикодон. Связь кодон — антикодон осуществляется тремя нуклеотидами, а не длинной цепочкой. Поэтому возможность ошибок, или уровень шумов , в процессе трансляции (так называют синтез белка) выше, чем при редупликации ДНК или транскрипции РНК. Вероятность ошибки при наборе белковой цепи достигает 10 (вместо 10 при матричном синтезе дезоксирибонуклеиновой кислоты). [c.196]
Синтез вирусной РНК начинается всегда на З -конце РНК-матрицы (т. е. с 5 -конца новой молекулы РНК) и вдет до тех пор, пока не будет достигнут 5 -конец матрицы. Никаких механизмов, которые корректировали бы синтез вирусной РНК, нет, и частота ошибок здесь примерно та же, что и при транскрипции ДНК (в среднем одна ошибка на Ю нуклеотвдов). Однако отсутствие корректирующих механизмов серьезным образом не сказывается на репликации из-за небольших размеров РНК-хромосомы вируса Геномы всех РНК-вирусов невелики в сравнении с геномами крупных ДНК-содержащих вирусов, и это является прямым следствием того, что у них механизм репликации более примитивен. [c.317]
Феномен старения и смерти живого организма предопределен биологически и обеспечивает общее эволюционное развитие живой природы. В соответствии с законом естественного отбора в ходе эволюции не только расширяются метаболические (трофические) связи живых систем с окружающей средой, но и увеличивается информационное содержание этих связей. Информационное обеспечение в свою очередь повышает надежность функционирования каждого живого организма и его соответствие окружающей среде на данном этапе эволюции (Шмальгаузен, 1961). Таким образом, изменчивость, вариабельность, накопление новых биологических свойств позволяют живым системам приспосабливаться к изменениям окружающей среды, однако трансляция этих изменений в последующие поколения строго Офаничена консерватизмом генетического аппарата. Старение организма определяется понижением информационной надежности генетического аппарата живых клеток в результате накопления ошибок при репликации ДНК и транскрипции генетической информации, что в свою очередь приводит к ошибкам при синтезе и процессинге полипептидов и белков (Бриллюэн, 1966 Сьяксте, Будылин, 1992). Стратегия биологической эволюции заключается в том, что организм, в котором накопление молекулярных дефектов генетического аппарата достигло критического уровня, изымается из популяции. Иными словами, наряду с этапами зачатия, роста и развития организма старение является эндогенно обусловленным, т. е. естественным, терминальным этапом. Оно начинается периодом стабилизации жизненных функций, угасанием репродуктивного потенциала, постепенным замедлением метаболизма и завершается периодом снижения активности и отмиранием отдельных клеточных систем и тканей. Отказ одних систем организма, как пра- [c.159]
Открытие ферментативных функций РНК и ее способности к саморепликации завершило 30—40-летний период попыток рационально объяснить первые шаги молекулярной эволюции жизни. Тот факт, что одноцепочечные молекулы РНК способны сами себя реплицировать и изменять, представлялся с функциональной точки зрения существенным. Сейчас известно, что все матричные процессы копирования, затрагивающие РНК (транскрипция, репликация и обратная транскрипция — рис. 2.4 А, В), склонны к ошибкам. [c.60]
Мы описали протекающий в В-лимфоцитах процесс обратной связи V(D)J-reHOB, основанный на склонной к ошибкам обратной транскрипции. Он составляет основу определяемого антигеном мутирования генов антител. Все экспериментальные данные согласуются с этой теорией. Это приводит нас ко второй неола-маркистской концепции направленной обратной связи генов. [c.147]