Организация наследственного материала I
реклама
Медицинская биология и общая генетика Лекция №3 Лектор: кандидат биологических наук, доцент Давыдов Владимир Витольдович Эволюция понятия "ген". Доказательства роли ДНК в передаче наследственной информации. Строение и функции нуклеиновых кислот. Центральная догма молекулярной биологии. Репликация ДНК. Генетический код и его свойства. Реализация генетической информации в клетке. Биосинтез белка. 1865г. Г.Мендель – наследственные задатки организма. 1869г. Ф.Мишер – нуклеиновые кислоты. 1900г. К. Корренс, Э. Чермак, Г. де Фриз переоткрыли законы Г. Менделя. 1901г. де Фриз – самопроизвольность изменений наследственных задатков. 1902г. Бовери и Сеттон - связь наследственных факторов с хромосомами. 1906 г. У. Бэтсоном предложил термин «генетика» 1909г. В.Иогансен – понятие "ген". 1911г. Т. Морган «Ген – это локус хромосомы». 1913г. А. Стертевант – первая генетическая карта хромосомы. 1925г. Г. Надсон и Г. Филиппов – индуцированный мутагенез. 1928 г. Н. К. Кольцов – принцип матричного синтеза. 1928 г. Гриффит – опыты по трансформации бактерий. 1941 г. Бидл и Татум – гипотеза "один ген – один фермент". 1944г. – Эйвери, МакЛеод, МакКарти – трансформация обусловлена ДНК. 1952г. А. Херши и М. Чейз – ДНК – это генетический материал. 1952г. Циндер и Ледерберг – опыты по трансдукции вирусов. 1953г. Уотсон и Крик – модель строения ДНК. 1958г. Ф.Крик – центральная догма молекулярной биологии. 1961г. Ф.Жакоб и Я.Моно – оперон. 1965г. Ниренберг, Очоа, Корана – расшифровка генетического кода. 1972г. Впервые определена нуклеотидная последовательность гена Coat_BPMS2. 1977г. Ф.Шарп и Р.Робертс – мозаичная структура гена. 2001г. – в рамках программы «Human Genome Project» (Геном человека) расшифрована последовательность генома человека. 2003г. – проект «Encode» (Encyclopedia of DNA Elements – Энциклопедия элементов ДНК). 1860 – 1900: «Ген – это дискретная единица наследственности» 1910е: «Ген – это отдельный локус хромосомы» 1940е: «Ген – это схема белка» 1950е: «Ген – это физическая молекула» 1960е: «Ген – это транскрибируемый код» 1970-1980: «Ген – это открытая рамка считывания части последовательности ДНК» 1990-2000: «Ген – структурная единица генома, зарегистрированная в одной из баз данных» 2007 «Ген – это подпрограмма в операционной системе генома» 2009 «Ген – это объединение геномных последовательностей, кодирующих связный набор потенциально перекрывающихся функциональных продуктов» 1928 г. Гриффит – опыты по трансформации бактерий Трансформация - способность штамма бактерий встраивать участки ДНК другого штамма и приобретать при этом его свойства 1944г. Эйвери установил химическую природу вещества, трансформирующего наследственные свойства бактерий. Свойство вирулентности от одного штамма пневмококков к другому передается фрагментами ДНК. 1952г. Циндер и Ледерберг – опыты по трансдукции бактерий Триптофансинтезирующий штамм бактериофаг (лизогенный) Триптофаннесинтезирующий штамм Трансдукция способность бактериофагов переносить фрагменты ДНК от одного штамма бактерий к Триптофан несинтезирующие бактерии приобрели способность синтезировать триптофан другому и передавать соответствующие свойства. Бактериальный фильтр Нуклеиновые кислоты их строение и функции Нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК) - фосфорсодержащие биополимеры (Ф. Мишер, 1868 ) ДНК - это крупные биологические молекулы, количество мономеров до 2х108 Мономерами цепочек ДНК являются нуклеотиды Нуклеотид ДНК: 1. Азотистое основание (аденин, гуанин, цитозин и тимин) 2. Дезоксирибоза 3. Фосфат Модель строения ДНК 3 5 (Дж. Уотсон, Ф. Крик, 1953) 2 полинуклеотидные цепи, закрученные в спираль вокруг общей оси и соединенные друг с другом водородными связями 3 5 Цепи антипараллельны, т. е. конец одной цепочки заканчивающейся группой OH, присоединенной к C3 дезоксирибозы, расположен напротив второй цепи, заканчивающийся остатком фосфорной кислоты, присоединенной к C5 дезоксирибозы Сахаро-фосфатный остов (каркас) полинуклеотидной цепи поддерживается ковалентными (фосфодиэфирными) связями, расположенными между С3 дезоксирибозы одного нуклеотида и С5 другого 5 1 4 3 2 Правила Чаргаффа: число адениловых нуклеотидов равно числу тимидиловых, а число гуаниловых - числу цитидиловых А=Т и Г=Ц Сумма пуриновых азотистых оснований равна сумме пиримидиновых А+Г=Т+Ц Нуклеотиды противоположных цепей образуют пары: А=Т Г≡Ц Строгое соответствие (взаимодополнение) нуклеотидов друг другу в ДНК - принцип комплементарности Функции ДНК: хранение, воспроизведение и передача генетической информации. РНК – рибонуклеиновая кислота РНК содержится в клетке в ядре, гиалоплазме, рибосомах, митохондриях и хлоропластах. Отличия РНК от ДНК: 1. В состав нуклеотида РНК вместо дезокcирибозы входит пятиуглеродный сахар рибоза. 2. Вместо азотистого основания тимин, в РНК — урацил, остальные основания те же: аденин, гуанин, цитозин. 3. В РНК входит меньше нуклеотидов, она значительно короче. 4. Молекула РНК чаще всего одноцепочечная. Виды РНК: Информационная (иРНК, мРНК) – 300-30000 нуклеотидов, 1-5% от всей РНК. Это комплементарная копия участка кодирующей цепи ДНК, переносит генетическую информацию к рибосомам и непосредственно участвует в сборке его молекул (является матрицей). Рибосомная (рРНК) – 3000-5000 нуклеотидов, 80-90 % от всей РНК клетки, входит в состав рибосом, обеспечивает определенное пространственное взаиморасположение иРНК и тРНК в рибосоме в процессе трансляции. Транспортная (тРНК) составляет 10-15% всей РНК клетки, состоит из 7595 нуклеотидов. Осуществляет транспорт аминокислот из цитоплазмы в рибосомы. Вторичная структура (клеверный лист): короткие двухцепочечные фрагменты (“стебли”), одноцепочечные – “петли”. Антикодоновая петля имеет триплет нуклеотидов (антикодон). Акцепторный стебель – место прикрепления аминокислоты. Путь передачи информации от ДНК к РНК и белку, Крик (1958) назвал "центральной догмой молекулярной биологии": ДНК РНК белок В 1960 г. Жакоб и Моно – такая гипотеза не совсем точна, р-РНК не может служить матрицей для сборки белка, и только и-РНК является посредником между ДНК и рибосомой. Открытие механизма репликации ДНК и обнаружение ДНК-зависимой РНК-полимеразы изменили формулу догмы: ДНК Репликация Транскрипция и-РНК Трансляция белок В 1975 г. Дульбеко, Темин и Балтимор – явление обратной транскрипции (передачи информации от и-РНК к ДНК с помощью обратной транскриптазы (ревертазы)), открытой у РНК-содержащих вирусов и эукариотических клеток. ДНК Транскрипция Репликация Обратная транскрипция и-РНК Трансляция белок ДНК способна к репликации (самоудвоению) Репликация происходит: 1. В ядре, в S период интерфазы. 2. На основе реакций матричного синтеза (порядок нуклеотидов в "материнской" цепочке ДНК определяет порядок нуклеотидов в "дочерней", т.е. "материнская" цепочка ДНК является матрицей для синтеза "дочерней"). 3. По принципу комплементарности. 4. Полуконсервативным способом (в состав дочерней молекулы ДНК входит одна цепочка материнской молекулы «старая», а другая синтезирована вновь «новая»). Репликация одновременно начинается в нескольких местах Репликон молекулы ДНК. Участок ДНК от Материнская молекула ДНК точки начала одной репликации 3 5 до точки начала другой, “Ori” называется репликоном. Дочерние молекулы ДНК Репликон имеет контролирующие Репликативный элементы: “Ori” – точка начала пузырь (инициируется репликация), точка Репликативная окончания (репликация вилка останавливается). Точка, в которой 5 3 Материнская происходит репликация – молекула ДНК репликационная вилка. В каждой репликационной вилке синтез новых цепей ДНК ведут одновременно несколько ДНК-полимераз, движущихся в противоположных направлениях. Это антипараллельный и прерывистый принцип синтеза. Механизм репликации на примере прокариот: Раскручивание. ДНК-геликаза и топоизомераза разделяют и стабилизируют цепи молекулы ДНК. Непрерывный синтез. Праймаза синтезирует затравку (праймер РНК). Начиная с праймера, ДНКполимераза III присоединяет нуклеотиды к свободному 3` концу "лидирующей" цепи (направление синтеза 5` 3`). Синтез "лидирующей" цепи идет без остановок до конца репликона. Прерывистый синтез. Образование второй цепи осуществляется небольшими участками по 100-200 нуклеотидов (фрагменты Оказаки). Этот процесс идет медленнее, поэтому цепь называется "отстающей". Отдельные фрагменты второй цепи образуются также в направлении 5` 3`, в целом же эта цепь нарастает в направлении 3`5`: - Праймаза синтезирует затравку (праймер РНК). - Начиная от праймера ДНК-полимераза III синтезирует последовательность ДНК. - ДНК-полимераза I разрушает РНК-праймер и заменяет его нуклеотидами ДНК. - ДНК-лигаза образует фосфодиэфируэю связь между двумя фрагментами Оказаки. Ген – участок молекулы ДНК, определяющий расположение нуклеотидов в молекуле иРНК, последовательность аминокислот в полипептиде и, в конечном итоге, определенный признак организма. Генетическая информация о структуре белка записана в ДНК в виде определенной последовательности нуклеотидов. Молекула ДНК имеет очень большие размеры и поэтому не способна выйти через поровые комплексы ядерной оболочки в цитоплазму к рибосоме. Необходим посредник между ДНК и рибосомой, роль которого выполняет иРНК, которая образуется в результате транскрипции. Генетический код – способ записи генетической информации в виде последовательности нуклеотидов в ДНК или иРНК. Свойства генетического кода: Триплетность кодоном является триплет нуклеотидов Однозначность один триплет кодирует только одну аминокислоту Избыточность одна аминокислота может кодироваться разными триплетами Однонаправленность код читается только в одном направлении – 3' 5' (с ДНК) и 5' 3' (с иРНК) Неперекрываемость нуклеотид не может одновременно входить в разные кодоны, триплеты не перекрывают друг друга Универсальность большинство живых организмов имеют одинаковый генкод Наличие нонсенс (стоп) - кодонов (УАА, УГА, УАГ) Непрерывность (без знаков препинания) Третье азотистое основание Первое азотистое основание Соответствие кодонов и-РНК аминокислотам. Второе азотистое основание У Ц А Г фен сер тир цис У фен сер тир цис Ц У лей сер non non А лей сер non три Г лей про гис арг У лей про гис арг Ц Ц лей про глн арг А лей про глн арг Г иле тре асн сер У иле тре асн сер Ц А иле тре лиз арг А мет тре лиз арг Г вал ала асп гли У вал ала асп гли Ц Г вал ала глу гли А вал ала глу гли Г Транскрипция – переписывание генетической информации с ДНК на РНК РНК-полимераза прикрепляется к промотору и начинает разрывать водородные связи, вследствие чего молекула ДНК раскручивается на два одноцепочечных фрагмента. РНК-полимераза считывает информацию с кодирующей цепи ДНК и синтезирует молекулу РНК путем присоединения свободных нуклеотидов к 3` концу ее растущей цепи. Когда РНК-полимераза достигает терминатора транскрипции, синтезированная молекула РНК освобождается от кодирующей цепи ДНК Во время синтеза РНК происходит модификация концов этой молекулы — кэпирование на 5 -конце и полиаденилирование на 3 -конце. Кэп («шапочка» из трифосфометилгуанозина) и полиадениловый «хвост» защищают иРНК от действия нуклеаз. Рекогниция – узнавание тРНК своих аминокислот и присоединение их к акцепторному стеблю Активацию аминокислот осуществляют ферменты аминоацил-тРНКсинтетазы (для каждой аминокислоты - свой фермент) Фермент одновременно взаимодействует с соответствующей аминокислотой и с АТФ, которая теряет при этом 2 фосфата Тройной комплекс из фермента, аминокислоты и АМФ называется активированной (богатой энергией) аминокислотой, которая способна спонтанно образовать в процессе последующей трансляции пептидную связь Тройной комплекс соединяется с тРНК Аминоацил-тРНК высвобождается от фермента Образуется аминоацил-тРНК Трансляция – перевод генетической информации с языка последовательности нуклеотидов на язык последовательности аминокислот, (расшифровка генетического года). Происходит в цитоплазме на рибосомах , Малая субъединица Большая субъединица PA Пептидильный центр рибосомы Рибосома состоит из двух субъединиц: большой и малой. В рибосоме есть 2 активных центра: Пептидильный (образуются пептидные связи между аминокислотами) Аминоацильный (фиксация т-РНК с аминокислотой) Аминоацильный центр рибосомы Инициация – объединение малой субъединицы рибосом, инициирующего триплета иРНК (АУГ), аминоацил-тРНК и большой субъединицы рибосомы После инициации тРНК1 с метионином расположена в пептидильном центре, аминоацильный центр свободен. P A АУ А У ГГ У У У А Ц У Г У У Г Ц У У АЦ Т РНК 1 АК 1 мет и-РНК Элонгация – наращивание полипептида. Эта фаза включает все реакции с момента образования первой пептидной связи до присоединения последней аминокислоты P A А У Г У У У А Ц У Г У У Г Ц У Она состоит из трех повторяющихся процессов: связывания новой аминоацил-тРНК, транспепдтидации и транслокации К аминоацильному центру подходит тРНК2 с АК2 и устанавливается там, если антикодон тРНК2 комплементарен кодону иРНК – происходит связывание и-РНК У АЦ ААА ТРНК 1 АК 1 ТРНК 2 мет фен АК 2 Элонгация Транспептидация - когда оба активных центра заняты, между АК1 и АК2, находящимися в рибосоме, устанавливается пептидная связь, одновременно с этим рвется связь между АК1 и тРНК 1 P A А У Г У У У А Ц У Г У У Г Ц У и-РНК У АЦ ААА ТРНК 1 ТРНК 2 фен АК 2 АК 1 Пептидная связь мет Элонгация Транслокация - рибосома перепрыгивает на 1 триплет по ходу иРНК. тРНК1 уходит из рибосомы. Вследствие этого тРНК2 с АК2 и АК1 переходят в пептидильный центр рибосомы. Аминаацильный центр освобождается, и процесс повторяется P A А У Г У У У А Ц У Г У У Г Ц У и-РНК ААА У АЦ ТРНК 2 ТРНК 1 Для быстрого протекания элонгации необходимы фен специальные факторы: EF1, EF2 и ГТФ Пептидная связь АК 2 мет АК 1 Терминация (окончание синтеза) - происходит, когда в аминоацильном центре появляется терминирующий кодон (УАА, УГА, УАГ) P A А У Г У У У А Ц У Г У У УУ А А ГГ и-РНК ЦАА RF К аминоацильному центру присоединяется специфический белок release factor, фактор освобождения. ТРНК вал мет фен тре мет А У Г У У У А Ц У Г У У У А Г и-РНК ЦАА ТРНК Рибосома диссоциирует на две субъединицы, иРНК высвобождается , тРНК отсоединяется от белка мет фен RF тре мет вал
