Молекулярные основы наледовательности

 

 

Тезисы лекции

Тема лекции: МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ОСНОВЫ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ. РЕАЛИЗАЦИЯ НАСЛЕДСТВЕННОЙ ИНФОРМАЦИИ.

Что такое наследственная информация?

Под наследственной информацией мы понимаем информацию о строении белков и характере синтеза белков в организме человека.  Синоним – генетическая информация.

В  хранении и реализации наследственной информации ведущую роль играют нуклеиновые кислоты.  Нуклеиновые кислоты – это полимеры, мономерами которых являются нуклеотиды. Впервые нуклеиновые кислоты были открыты Ф. Мишером в 1869 г в ядрах лейкоцитов из гноя. Название происходит от латинского nucleus –ядро. Различают два вида нуклеиновых кислот: ДНК и РНК

Функции нуклеиновых кислот

ДНК хранит генетическую информацию. В ДНК находятся гены. РНК принимают участие в биосинтезе белка (т.е. в реализации наследственной информации)

Открытие роли ДНК в хранении наследственной информации. В 1944 г. Oswald Avery, Macklin McCarty, and Colin MacLeod представили доказательства того, что гены находятся в ДНК. Они работали с пневмококками, у которых есть два штамма: патогенный (S-штамм) и непатогенный (R- штамм). Заражение S-штаммом мышей приводит к их гибели

Если вводят  R- штамм, то мыши выживают. Из убитых бактерий S-штамма выделили ДНК, белки и полисахариды и добавляли к R- штамму. Добавление ДНК вызывает трансформацию непатогенного штамма в патогенный.

История открытия строения ДНК.

Строение ДНК открыли в 1953 г  Дж.Уотсон и Ф.Крик. В своей работе они использовали данные, которые получили биохимик Е.Чаргафф  и биофизики Р.Франклин, М.Уилкинс.

Работа Е.Чаргаффа: В 1950 г. биохимик Ервин Чаргафф установил, что в молекуле ДНК:

1)   А=Т            и            Г=Ц      

2)    Сумма пуриновых оснований (А и Г) равна сумме пиримидиновых оснований (Т и Ц):          А+Г=Т+Ц  

Или А+Г/Т+Ц=1

Работа Р.Франклин и М.Улкинс: В начале 50-х г.г. биофизики Р.Франклин и М.Уилкинс получили рентгенограммы ДНК, которые показали, что ДНК имеет форму двойной спирали. В 1962     г. Ф.Крик, Дж.Уотсон и Морис Уилкинс получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине за расшифровку строения ДНК

Строение ДНК

ДНК – это полимер, который состоит из мономеров – нуклеотидов. Строение нуклеотида ДНК:  нуклеотид ДНК состоит из остатков трех соединений:

1) Моносахарида дезоксирибозы

2) Фосфата - остатка фосфорной кислоты

3) Одного из четырех азотистых  оснований – аденина (А), тимина (Т), гуанина (Г) и цитозина (Ц). 

Азотистые основания: А и Г – производные пурина (два кольца), Т и Ц- производные пиримидина (одно кольцо).

А комплементарен Т

Г комплементарен Ц

Между А и Т образуется 2 водородные связи, между Г и Ц - 3

В нуклеотиде атомы карбона в дезоксирибозе пронумерованы от 1’ до 5’. 
К 1’-карбону присоединяется азотистое основание, а к 5’-карбону – фосфат. Нуклеотиды соединяются между собой  фосфодиэфирными связями. В результате образуется полинуклеотидная цепьСкелет цепи состоит из чередующихся молекул фосфата и сахара дезоксирибозы.

Азотистые основания расположены сбоку молекулы. Один из концов цепи обозначают 5’, а другой - 3’ (по обозначению соответствующих атомов карбона). На 5’ – конце находится свободный фосфат, это начало молекулы. На 3’- конеце находится ОН-группа. Это хвост молекулы. Новые нуклеотиды могут присоединяться к 3’- концу.

Строение ДНК:

• Согласно модели Крика –Уотсона,  ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей, которые свернуты в спираль. Спираль правая (В-форма)
• Цепи в ДНК расположены антипараллельно. 5’-конец одной полинуклеотидной цепи соединяется с 3’-концом другой.
• В молекуле ДНК видны маленькая и большая борозды.

К ним присоединяются разные регуляторные белки.

• В двух цепях азотистые основания расположены по принципу комплементарности и соединены водородными связями
• А и Т – двумя водородными связями
• Г и Ц - тремя

Размеры ДНК: толщина молекулы ДНК составляет 2 нм, расстояние между двумя витками спирали – 3,4 нм, в одном полном витке - 10 пар нуклеотидов. Средняя длина одной пары нуклеотидов 0,34 нм. Длина молекулы варьирует. В бактерии кишечная палочка кольцевидная ДНК имеет длину 1,2 мм. У человека суммарная длина 46 ДНК, выделенных из 46 хромосом составляет около 190 см. Следовательно, средняя длина 1 молекулы ДНК человека более 4 см.

Линейное изображение ДНК. Если цепи ДНК изображают в виде линии, то принято вверху изображать цепь в направлении от 5‘ к 3‘.

5‘ АТТГТЦЦГАГТА  3‘

3‘ ТААЦАГГЦТЦАТ 5'

Локализация ДНК в клетках эукариот:

1. Ядро – входит в состав хромосом;
2. Митохондрии;
3. У растений – пластиды.

Функция ДНК: хранит наследственную (генетическую) информацию. В ДНК находятся гены. У человека в клетке менее 30 000 генов.

Свойства ДНК

• Способность к самоудвоению (редупликации) Редупликация – синтез ДНК.
• Способность к репарации – восстановлению повреждений ДНК.
• Способность к денатурации и ренатурации. Денатурация – под действием высокой температуры и щелочей разрываются водородные связи между цепями ДНК и ДНК становится однонитевой. Ренатурация – обратный процесс. Это свойство используется в ДНК-диагностике.

Редупликация – это синтез ДНК.

Процесс идет перед делением клетки в синтетическом периоде интерфазы.

Суть процесса: Фермент геликаза разрывает водородные связи между двумя цепями ДНК и раскручивает ДНК. На каждой материнской цепи по принципу комплементарности  синтезируется дочерняя цепь. Процесс катализирует фермент ДНК-полимераза.

В результате редупликации образуется две дочерние ДНК, которые имеют такое же строение как и  материнская молекула ДНК.

Рассмотрим процесс редупликации более подробно

1) Редупликация – полуконсервативный  процесс, т.к. дочерняя молекула получает  одну нить от материнской ДНК, а вторую синтезирует вновь

2) ДНК синтезируется из нуклеотидов  с тремя фосфатами – АТФ, ТТФ,ГТФ,ЦТФ. При образовании фосфодиэфирной  связи два фосфата выщепляются.

3) Синтез ДНК начинается в  определенных точках – точках  инициации репликации. В этих  участках много А-Т пар. Специальные белки присоединяются к точке инициации.

Фермент геликаза начинает раскручивать материнскую  ДНК. Нити ДНК расходятся.

Редупликацию катализирует фермент ДНК-полимераза.  
От точки инициации фермент ДНК-полимераза движется в двух противоположных направлениях. Между расходящимися цепями образуется угол- репликационная вилка.

3) Цепи материнской ДНК антипараллельны. Дочерние цепи синтезируются антипараллельно материнским, поэтому синтез дочерних цепей в области репликационной вилки идет в двух противоположных направлениях. Синтез одной цепи идет в направлении движения фермента. Эта цепь синтезируется быстро и непрерывно (лидирующая). Вторая синтезируется в противоположном направлении маленькими фрагментами – фрагментами Оказаки (отстающая цепь).

4) Фермент ДНК-полимераза  не может сам начать синтез дочерней цепи ДНК.

Синтез лидирующей цепи и любого фрагмента Оказаки начинается с синтеза праймера. Праймер - кусочек РНК длиной 10-15 нуклеотидов. Праймер синтезирует фермент праймаза из нуклеотидов РНК. К праймеру ДНК-полимераза присоединяет нуклеотиды ДНК.

В последующем праймеры вырезаются, брешь застраивается нуклеотидами ДНК.

Фрагменты сшиваются ферментами - лигазами

5) Ферменты, участвующие в редупликации: геликаза, топоизомераза, дестабилизирующие белки, ДНК-полимераза, лигаза.

6) Молекула ДНК длинная. В ней  образуется большое число точек  начала репликации. 
ДНК синтезируется фрагментами – репликонами. Репликон – участок между двумя точками инициации репликации. В соматической клетке человека в 46 хромосомах более 50000 репликонов. Синтез ДНК 1 соматической клетки человека  длится более 10 часов.

Самокоррекция ДНК (ДНК-редактирование)

В процессе редупликации ДНК полимераза иногда делает ошибки (неправильно включает нуклеотиды). Она проверяет свою работу. Если обнаруживает ошибку, то вырезает последние нуклеотиды и включает в ДНК новые.

Это процесс называется самокоррекция ДНК. Она уменьшает частоту ошибок при редупликации (неправильно включенные нуклеотиды) в 10 раз – с 1/100000 нуклеотидов до 10/1000000

  Значение редупликации: в результате редупликации образуется две дочерние ДНК, которые как две капли воды похожи на материнскую молекулу ДНК. При делении клеток дочерние ДНК расходятся в дочерние клетки. Таким образом, редупликация обеспечивает передачу наследственной информации в дочерние клетки.

Строение РНК

РНК – это полимер, состоящий из мономеров – нуклеотидов. Главные отличия РНК от ДНК:

1. ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей, РНК -  из одной;
2. ДНК содержит моносахарид дезоксирибозу, РНК - рибозу;
3. ДНК содержит Тимин, РНК - Урацил

Виды РНК и функции

иРНК	Переносит информацию о строении белка из ядра в цитоплазму
рРНК	Структурная функция. Входит в состав рибосом. Синтезируется в ядрышках.
тРНК	Транспортирует аминокислоты в рибосомы для синтеза белка. Играет важную роль в переводе последовательности нуклеотидов в иРНК в последовательность аминокислот в белке
Малые ядерные РНК	Принимают участие в процессинге (созревание иРНК)
Малые ядрышко-вые РНК	Принимают участие в созревании рРНК

 

 

Все перечисленные РНК закодированы в ДНК и синтезируются в ядре клетки. Общая функция всех РНК – обеспечивают синтез белка.

Что такое ген?

Термин «ген» предложил В. Йогансен в 1909 г. Ген ( в узком смысле слова) – это участок ДНК, в котором закодирована информация о строении одного белка.

Однако, в ДНК закодированы не только белки, но и строение всех видов РНК. В ДНК также находятся регуляторные участки, которые регулируют процессы транскрипции: ускоряют или замедляют транскрипцию, блокируют транскрипцию или, наоборот, активируют.

Ген  в более широком смысле слова – это участок ДНК, который кодирует первичную структуру белка, рРНК, тРНК, или регулирует транскрипцию другого гена.

Классификация генов. В зависимости от выполняемых функций выделяют две группы генов:

1. Структурные гены – это гены, которые кодируют белок или РНК (рРНК, тРНК или др. вид РНК).

2. Регуляторные гены – гены, которые регулируют процессы  биосинтеза белка (у эукариот – это промоторы –место присоединения РНК-полимеразы, энхансеры – ускоряют транскрипцию, сайленсеры - тормозят)

Что такое ген?

Строение гена эукариот, кодирующего белок:

1. Промотор –участок гена, к которому присоединяется фермент РНК-полимераза. Определенные участки промотора (ГЦ-мотивы, ЦААТ-бокс) нужны для присоединения регуляторных белков. ТАТА-бокс – участок, где много АТ-пар. Здесь ДНК начинает раскручиваться.
2. Транскриптон – транскрибируемый участок гена. Он включает :
• лидер- нужен для соединения иРНК с рибосомой,
• участок гена, кодирующий полипептид начинается с инициального триплета и заканчивается стоп-кодоном. У эукариот он состоит из экзонов и интронов. Экзоны кодируют белки, а интроны – нет. Интроны в последующем вырезаются из иРНК.
• трейлер- необходим для отсоединения иРНК от рибосомы,
3. Терминатор – место окончания транскрипции.

Типичный ген человека состоит примерно из 28 000 оснований и имеет 8 экзонов. Он кодирует полипептид, состоящий в среднем из 447 аминокислот.

Самый длинный ген, найденный в геноме человека, это ген мышечного белка дистрофина, содержащий 2,4 · 106 п.н.

Что такое генетический код?

Генетический код – система записи генетической информации о строении белков в ДНК в виде определенной последовательности нуклеотидов

Основные свойства генетического кода:

1. Триплетность
2. Вырожденность (избыточность)
3. Специфичность
4. Неперекрываемость
5. Однонаправленность
6. Наличие инициирующего кодона (АУГ) и нонсенс-кодонов
7. Колинеарность
8. Универсальность

Экспрессия гена

Под экспрессией гена понимают реализацию записанной в нем наследственной информации. Синтез белка – это процесс, который обеспечивает реализацию наследственной информации в клетке. Согласно центральной догме молекулярной биологии он идет в следующем направлении: