Методическая разработка теоретического материала для студентов II курса специальности «Лабораторная диагностика» Тема: Биологическое значение нуклеиновых кислот

Департамент здравоохранения города Москвы  Государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение Департамента здравоохранения города Москвы «Медицинский колледж № 1» (ГБПОУ ДЗМ «МК № 1»)

Методическая разработка теоретического материала для студентов II курса специальности «Лабораторная диагностика»

Тема: Биологическое значение нуклеиновых кислот

Преподаватель специальности «Лабораторная диагностика»

ПМ 03.01 Проведение лабораторных биохимических исследований:

Диденко Изабелла Владимировна

Москва, 2020

Раздел 2. ПМ.03

Химия биоорганических соединений. Тема 2.4.

Химия нуклеиновых кислот

Теоретические занятия – 4 часов

• Лекция 9. Биологическое значение нуклеиновых кислот.
• Лекция 10. Строение, функции нуклеиновых кислот.

Цели и задачи

• Цели :
• Образовательные :

• Обобщить, систематизировать, углубить и закрепить теоретические знания, полученные студентами на лекциях и в процессе самостоятельной работы над предложенной темой.
• Проконтролировать и оценить степень усвоения студентами материала изучаемых тем.

• Развивающие:

• Развивать логическое мышление и творческую активность студентов, умение анализировать, сравнивать,
• Развивать делать выводы относительно однотипных заданий.

• Воспитательные:
• 1.Воспитывать познавательный интерес к изучаемой дисциплине
• 2.Воспитывать профессиональные навыки при выполнении заданий, имеющих непосредственное отношение к выбранной профессии.
• Задачи:

• Изучить биологическую роль белков.
• Обмен нуклеиновых кислот.
• Биосинтез ДНК.
• Биосинтез РНК.
• Процессинг РНК.
• Биосинтез белков.
• Значение нуклеиновых кислот.

План лекции № 10 Биологическое значение нуклеиновых кислот

• Биологическая роль белков
• Обмен нуклеиновых кислот
• Биосинтез ДНК
• Биосинтез РНК
• Процессинг РНК
• Биосинтез белков
• Значение нуклеиновых кислот.

Биологическая роль белков

Биологическая роль белков В количественном отношении белки образуют самую важную группу макромолекул. Белкам присущ ряд уникальных функций:

– биокаталитическая, все ферменты – вещества белковой природы;

– пластическая, белки входят в состав важнейших структур клеток и тканей;

– регуляторная, большинство гормонов имеют белково-пептидную природу;

– защитная, белки – иммуноглобулины – обеспечивают защиту организма от действия чужеродных антигенов;

– дыхательная, белок гемоглобин в составе эритроцитов обеспечивает транспорт кислорода в ткани и СО2 в легкие;

– транспортная, перенос многих важных для организма веществ по крови происходит в комплексе с белками.

В организме человека массой 70 кг содержится примерно 10 кг белка, суточная норма белков в питании составляет примерно 100 г. Доля других азотсодержащих соединений в организме невелика, поэтому и баланс азота в организме определяется прежде всего метаболизмом белков. В отличие от углеводов и липидов белки и составляющие их аминокислоты не способны резервироваться в организме.

Обмен нуклеиновых кислот

Переваривание нуклеиновых кислот

Нуклеиновыми кислотами богаты мясо, икра, дрожжи. Поджелудочная железа выделяет ферменты РНК - азу (рибонуклеазу) и ДНК – азу (дезоксорибонуклеазу), которые деполимеризуют нуклеиновые кислоты до нуклеотидов. В кишечном соке содержатся ферменты фосфатазы, нуклеотидазы, нуклезидазы, эстеразы, осуществляющие распад нуклеотидов. Всасыванию подвергаются нуклеозиды, азотистые основания, пентозы и фосфорная кислота.

Распад нуклеиновых кислот в тканях  

Распад нуклеиновых кислот в тканях идентичен процессу их переваривания.  Углеводы и фосфорная кислота используются стандартно, а азотистые основания подвергаются распаду до конечных продуктов: мочевой кислоты (пуриновые основания) и мочевины (пиримидиновые основания).

Распад пуриновых нуклеотидов

Распад пуриновых оснований происходит путём их гидролитического дезаминирования без разрыва пуринового кольца с образованием мочевой кислоты.

Распад пуриновых оснований происходит путём их гидролитического дезаминирования без разрыва пуринового кольца с образованием мочевой кислоты.

Распад пуриновых оснований происходит не в свободном виде, а в составе нуклеозидов.

• У взрослого человека экскретируется 0,5-1,5 г мочевой кислоты в сутки, азот которой составляет  3,5% всего выводимого азота.

• У детей относительная доля мочевой кислоты выше, чем у взрослых, на её азот приходится до 8,5%. В крови взрослых людей содержание мочевой кислоты равно 0,1-0,3(0,4) ммоль/л, у детей - до 0,47 ммоль/л.

• Мочевая кислота является антиоксидантом,  в детском возрасте стимулирует развитие головного мозга, может присутствовать в тканях и в крови как в свободной форме (плохо растворимой в воде), так  и в виде солей (более растворимых в воде).

• Повышение концентрации мочевой кислоты в крови - гиперурекимия. На её фоне могут развиваться подагра и почечнокаменная болезнь. При подагре кристаллы мочевой кислоты откладываются в околосуставных тканях в виде подагрических узлов. При почечнокаменной болезни кристаллы мочевой кислоты формируют камни в мочевыводящих путях.

• К нарушениям распада пуриновых оснований относят некоторые иммунодефициты. При отсутствии аденозиндезаминазы развивается Т- и В – иммунодефицит, а отсутствии нуклеозидфосфорилазы  возможен В - иммунодефицит.
• Для уменьшения гиперурекемии используют препараты – аналоги пуриновых оснований (например, аллопуринол),  которые угнетают фермент ксантиноксидазу и блокируют образование мочевой кислоты.

Биосинтез ДНК

• Возможны 2 пути биосинтеза ДНК в организме: репликация, репарация
• Репликация - самовоспроизведение молекулы ДНК с целью передачи генетической информации. В репликации ДНК участвует сложный репликационный комплекс, который включает в себя:
•   нуклеотиды в виде трифосфатов (АТФ, ГТФ, ТТФ, ЦТФ). Они являются одновременно и структурным материалом  и источником  энергии;
•   ДНК-матрица – программа,  по которой будет синтезироваться ДНК;
•   праймер (затравка) - короткая молекула РНК, к которой присоединяется первый нуклеотид ДНК;
•   ферменты:

•    ДНК-полимеразы  соединяют нуклеотиды в полинуклеотидную цепь,    ДНК-рестриктазы разрывают полинуклеатидную цепь ДНК.    ДНК-лигазы  соединяют фрагменты ДНК,    хеликазы  раскручивают молекулу ДНК,    топоизомеразы осуществляют кратковременные разрывы ДНК в процессе синтеза и контролируют конформацию вновь синтезированной ДНК,    праймазы – осуществляют синтез затравки;
•    ДНК-полимеразы  соединяют нуклеотиды в полинуклеотидную цепь,
•    ДНК-рестриктазы разрывают полинуклеатидную цепь ДНК.
•    ДНК-лигазы  соединяют фрагменты ДНК,
•    хеликазы  раскручивают молекулу ДНК,
•    топоизомеразы осуществляют кратковременные разрывы ДНК в процессе синтеза и контролируют конформацию вновь синтезированной ДНК,
•    праймазы – осуществляют синтез затравки;
•   белковые факторы;
•   ионы металлов.

Репликация ДНК происходит в S-фазу клеточного цикла. Важную роль в чередовании циклов выполняют белки - циклины.

Сущность репликации сводится к соединению нуклеотидов в комплементарную антипараллельную дочернюю цепь ДНК. В репликации выделяют 3 стадии: инициация (начало синтеза), элонгация (удлинение цепи), терминация (окончание синтеза).

• Матрицей для синтеза ДНК являются обе полинуклеотидные цепи материнской ДНК.  Репликация начинается в нескольких участках материнской ДНК (точки репликации, точки Ориджины). В них происходит частичный разрыв водородных связей с формированием репликационных утолщений (узелков).
• При участии ферментов ДНК-рестриктаз происходит разрезание молекулы ДНК. Под действием ферментов хеликаз возникает расплетание (раскручивание)  двух цепей, и при участии топоизомераз формируется репликационная вилка, в которой одна цепь имеет направление 5→3, а вторая 3→5.
• На каждой из ПНЦ синтезируются дочерние нити ДНК по принципу комплементарности. Поскольку ДНК- полимераза замыкает связь только в направлении 5’→3’, то  на одной цепи ДНК происходит синтез непрерывной (лидирующей) нити ДНК в направлении 5→3.
• При синтезе лидирующей цепи праймазы синтезируют праймер, затем ДНК- полимераза присоединяет к праймеру первый  ДНК-овый нуклеотид и по принципу комплементарности  происходит удлинение молекулы ДНК.
• На второй материнской нити ДНК синхронно синтезируется отстающая нить ДНК, которая синтезируется в виде небольших фрагментов в направлении 5→3.

В последующем эти фрагменты (фрагменты Оказаки) соединяются между собой ДНК-лигазами. Праймеры при этом расщепляются. Биосинтез ДНК проходит по полуконсервативному типу,  при котором в новой ДНК одна цепь материнская, а другая- дочерняя.

Репарация ДНК происходит при появлении в её молекуле повреждений, искажений.  При репарации вначале распознаётся место повреждения, затем ферменты рестриктазы вырезают дефектный участок, ДНК-полимеразы по принципу комплементарности синтезируют отсутствующий участок, а ДНК-лигазы прикрепляют его к сохранившимся участкам неповреждённой ДНК.

Биосинтез РНК (транскрипция)

• Транскрипция – синтез молекулы РНК по матрице ДНК. Биологическая роль: перенос генетической информации с ДНК на РНК. Для транскрипции необходимы:
•   матрица (программа) – кодирующая нить ДНК,
•   субстраты – АТФ, ГТФ, УТФ, ЦТФ,
•   ферменты – РНК-полимеразы,
•   белковые факторы,
•   ионы магния, марганца.
• Выделяют 3 стадии транскрипции: инициация, элонгация, терминация
• На молекуле ДНК имеется особый участок промотор, с которым связывается РНК-полимераза. Промотор иногда называют ТАТА участком (преобладает тимин, аденин,  между которыми 2 Н-связи). Рядом с промотором расположены сигнальные участки,  определяющие скорость транскрипции.  Далее в молекуле ДНК располагаются кодирующие (экзоны) и некодирующие (интроны) участки гена. Участок (сайт) терминации определяет окончание синтеза РНК.
• Инициация заключается во взаимодействии иницирующих белков с промотором и расхождении нитей ДНК, их раскручивании и формировании транскрипционной вилки. РНК-полимераза связывается с промоторным участком и по принципу комплементарности соединяет нуклеотиды цепи РНК в направлении от 5 конца к 3.

РНК-полимераза  - это олигомерный фермент, состоящий из нескольких субъединиц, не требующий затравки. При достижении РНК – полимеразой участка терминации  происходит его связывание с белками терминации, что сопровождается отсоединением РНК-полимеразы от ДНК, диссоциацией её  и окончанием транскрипции.

Процессинг РНК

Синтезированная РНК переписывает с кодирующей нити ДНК, как кодирующие участки,  так и некодирующие участки гена и является про-РНК (незрелой РНК). Про-РНК в последующем подвергается созреванию (процессингу). Существует несколько механизмов процессинга:

•   сплайсинг – вырезание копий интронов и соединение копий экзонов;
•   присоединение к про-РНК добавочных нуклеотидов;
•   модификация азотистых оснований  в составе про-РНК

Особенности процессинга для рРНК, тРНК, иРНК.

Процессинг иРНК  заключается в добавлении КЭП - участка и полиаденилового хвоста в сочетании со  сплайсингом.

Процессинтг тРНК  происходит путём метилирования азотистых оснований и добавления  акцепторного участка ЦЦА  в сочетании со  сплайсингом.

Процессинг  рРНК заключается:

• в вырезании  из большого предшественника фрагментов всех видов РНК: 18S; 5S; 5,8S; 28S;
• Возможен альтернативный сплайсинг, который состоит в том, что для разных белков интроны могут играть роль экзонов.
• Возможен и безматричный синтез РНК; он происходит из нуклеозиддифосфатов при  участии фермента полинуклеотидфосфорилазы. В этом варианте синтезируются стандартные, небольшие молекулы РНК, необходимые для синтеза стандартных белков.
• Передача генетической информации происходит  в следующем направлении: ДНК→ РНК→ белок.
• В некоторых фагах, эмбриональных тканях возможен синтез ДНК по матрице РНК (РНК→ДНК).  Этот вариант синтеза катализирует фермент РНК-зависимая ДНК-полимераза (обратная транскриптаза, ревертаза). В вирусах возможен также вариант синтеза РНК→РНК при участии РНК-репликазы.

Биосинтез белков – трансляция

Основной структурой синтезируемых белков является первичная структура (последовательность аминокислот в полипептидной цепи), которая заложена в генетическом коде ДНК.

Генетический код имеет ряд характеристик.

•   Триплетность –1 аминокислота кодируется тремя нуклеотидами. Из 4 видов нуклеотидов ДНК при триплетности кода возможно 64 различных сочетания, что достаточно для кодирования 20 аминокислот.
•   Однозначность – 1 триплет кодирует только 1 аминокислоту.
•   Вырожденность – для кодирования 1 аминокислоты имеется несколько триплетов
•   Непрерывность – между триплетами отсутствуют нуклеотиды,  не принадлежащие соседним триплетам.
•   Неперекрываемость – один нуклеотид не может одновременно принадлежать 2-м триплетам.
•   Универсальность – код в разных организмах одинаков,  отвечает за одни и те же аминокислоты.

Таким образом,  код ДНК является линейным непрерывным и однонаправленным. Последовательность нуклеотидов строго соответствует последовательности аминокислот в синтезируемом белке – принцип коллинеарности.

Трансляция Для трансляции необходимы следующие факторы:

•   все виды РНК (тРНК, иРНК, рРНК),
•   аминокислоты в активной форме,
•   макроэрги (донаторы энергии),
•   ферменты,
•   добавочные белковые факторы,
•   ионы Mg2+

На первой подготовительной стадии происходит активация аминокислот и связывание их со своей транспортной РНК. В этой стадии участвуют ферменты аминоацил-тРНК-синтетазы. Это специфичные ферменты,  обеспечивающие соединение аминокислоты с соответствующей тРНК.

Инициация синтеза белка происходит:

• при образовании инициирующего комплекса, который включает в себя инициирующий кодон (АУГ, АГУ) иРНК, аминоацил - тРНК, рибосому.
• Информационная РНК своим КЭП-участком соединяется с малой субъединицей рибосомы.
• К инициирующему кодону присоединяется тРНК со своей первой аминокислотой (чаще всего метионином).
• К малой субъединице присоединяется большая субъединица рибосомы, и на рибосоме  формируется два функциональных участка: пептидильный (Р-участок) и аминоацильный (А-участок).
• Первая тРНК с первой аминокислотой присоединяется к Р-участку, а А-участок оказывается свободным.
• Элонгация включает в себя замыкание пептидной связи, транслокацию рибосомы по иРНК с использованием энергии ГТФ и АТФ.

Терминация происходит:

• при приближении белоксинтезирующего комплекса к терминирующему кодону иРНК (УАГ, УГА). Этому кодону не соответствует ни одна из тРНК, поэтому не приносится новая аминокислота, и синтез белка обрывается.

Посттрансляционная модификация белков

Многие синтезированные белки в последующем подвергаются посттрансляционной модификации. Существует несколько её вариантов. Наиболее часто встречается:

1. Частичный протеолиз – отщепление «ненужных» участков (профермент→фермент; прогормон→гормон);

• модификация отдельных аминокислот:
• окисление (пролин→гидроксипролин в коллагене);
• фосфолирирование (присоединение фосфата);
• гликозилирование (присоединение углевода);
• карбоксилирование (присоединение группы СООН в некоторых факторах свёртывания крови);

2. присоединение простетической группы;

• замыкание дисульфидных мостиков;
• изменение олигомерности белка (объединение нескольких мономеров)

В посттрансляционной модификации белков играют важную роль белки - шапероны (они «следят» за правильностью модификации).

Значение нуклеиновых кислот

• Значение нуклеиновых кислот очень велико. Особенности их химического строения обеспечивают возможность хранения, переноса в цитоплазму и передачи по наследству дочерним клеткам информации о структуре белковых молекул, которые синтезируются в каждой клетке. Белки обусловливают большинство свойств и признаков клеток. Понятно поэтому, что стабильность структуры нуклеиновых кислот - важнейшее условие нормальной жизнедеятельности клеток и организма в целом. Любые изменения строения нуклеиновых кислот влекут за собой изменения структуры клеток или активности физиологических процессов в них, влияя таким образом на жизнеспособность.
• Существует два типа нуклеиновых кислот: ДНК и РНК.
• РНК (рибонуклеиновая кислота),  так же как ДНК, представляет собой полимер мономерами которого служат нуклеотиды. Азотистые основания те же самые, что входят в состав ДНК (аденин, гуанин, цетозин); четвертое - урацил - присутствует в молекуле РНК вместо тимина. Нуклеотиды РНК содержат вместо дизоксирибозы другую пентозу - рибозу.

Тест для самоконтроля:

1. К какой группе соединений относятся нуклеиновые кислоты?

4. Из остатков каких молекул состоит нуклеотид?

А) биополимеры;

В) α- аминокислоты;

А) аланин, глюкоза, серная кислота;

С) мономеры;

В) аденин, рибоза, фосфорная кислота;

D) низкомолекулярные вещества;

С) урацил, дезоксирибоза, азотная кислота;

D) валин, фруктоза, угольная кислота;

Е) углеводы.

Е) глицерин, жирная кислота, фосфорная кислота.

2. Мономер нуклеиновых кислот:

5. Из остатков каких молекул состоит нуклеозид?

А) нуклеотид;

А) α- аминокислота, амин;

В) моносахарид;

В) пиримидиновое основание, фосфорная кислота;

С) α- аминокислота;

С) жирная кислота, глицерин;

D) первичный амин;

D) кетокислота, глюкоза;

Е) карбоновая кислота.

Е) пуриновое основание, рибоза.

3. Мононуклеотиды – составная часть молекул:

А) нуклеиновой кислоты, кофермента;

В) гликопротеина, фосфолипида;

С) гемоглобина, лецитина;

D) липопротеина, кефалина;

Е) гомополисахарида, гепарина.

6. Чем отличается нуклеозид от нуклеотида?

8. Укажите пуриновое основание нуклеиновых кислот:

А) отсутствием остатка молекулы фосфорной кислоты;

А) аденин;

В) наличием остатка молекулы глюкозы;

В) тимин;

С) отсутствием остатка молекулы пентозы;

С) цитозин;

D) наличием остатка молекулы α- аминокислоты;

Е) наличием остатка молекулы глицерина.

D) урацин;

Е) этиламин.

7. Какие элементы обязательны для молекул нуклеиновых кислот?

А) сера, хлор;

9. Какое пиримидиновое основание является составной частью РНК?

В) кислород, натрий;

А) урацил;

В) аденин;

С) фосфор, азот;

D) барий, стронций;

С) гуанин;

D) тимин;

Е) мышьяк, водород.

Е) диметиламин.

10. Какое пиримидиновое основание не входит в состав ДНК?

А) урацин;

В) тимин;

С) цитазин;

D) аденин;

Е) гуанин.

Что такое глоссарий?

• Глоссарий представляет собой своего рода сборник научных терминов и «профессионализмов», разъяснение которых требуется для понимания сути работы. Таким образом, глоссарий является толковым словарем специальных терминов. В него входят термины, которые чаще других упоминаются в работе.
• Глоссарий является структурной частью работы. Как правило, он приводится в конце работы после списка литературы или перед ним.
• Поэтому целесообразно сначала ознакомиться с методическими рекомендациями по выполнению конкретной работы, в которых будут приведены и требования к оформлению глоссария.
• В некоторых случаях глоссарий оформляют в отдельной папке и используют титульный лист.

Правила составления глоссария

• Чтобы глоссарий подчеркивал положительные стороны работы, его следует составлять по основным правилам:
• использование в словаре только тех терминов, которые отражают суть работы и подходят к профилю дисциплины;
• указание ссылки на источник, из которого заимствовано определение;
• использование исключительно новых для студента терминов для исключения дублирования материала (это правило не касается диссертации – там должны быть собраны, в первую очередь, новые для членов комиссии определения;
• рекомендуемое количество терминов – обычно по рекомендации преподавателя;
• расположение терминов в алфавитном порядке (если не предусмотрено иное).

Внеаудиторная самостоятельная работа

• Составить глоссарий терминов.
• Учебник «Теория и практика лабораторных биохимических исследований» Н.В.Любимова, И.В.Бабкина, Ю.С.Тимофеев,

Список литературы

Основные источники:

• Учебник «Теория и практика лабораторных биохимических исследований» Н.В.Любимова, И.В.Бабкина, Ю.С.Тимофеев, учебное пособие.- М.: Гэотар-медиа, 2019.
• Л.М. Пустовалова Теория лабораторных биохимических исследований, Ростов н/Д; Феникс, 2016 г. (Среднее медицинское образование)
• Кишкун А.А. Клиническая лабораторная диагностика: учебное пособие.- М.: Гэотар-медиа, 2013.
• Клиническая лабораторная диагностика : Т. 1, 2 / под ред. профессора В. В.Долгова. — М. : ООО «Лабдиаг», 2018.

Интернет-ресурсы:

https://himija-online.ru-kisloty/nukleinovye-kisloty.html

http://refleader.ru/poljgemerujgaty.html

https://biohimist.ru/podborka-lektsij-po-biokhimii