Будова і властивості РНК.
Структура і хімічні властивості ДНК.
Опорний конспект лекції № 2
Тема: Молекулярні основи спадковості.
ДНК - носій спадкової інформації.
Основні поняття і ключові слова до теми:
Нуклеїнова кислота Нуклеотид
Азотисті основи Реплікація
Генетична інформація Ген
Транскрипція Генетичний код
Кодон, генетичний антикодон Трансляція
Амінокислота Біосинтез білка
ДНК - дезоксирибонуклеїнової кислоти - біологічна макромолекула, носій генетичної інформації у НД ?? ех еукаріотичних і прокаріотичних клітинах і в багатьох віруси.
У 1928 ᴦ. Ф. Гріффіт виявив у пневмококів явище трансформації (перетворення властивостей бактерій). Природа трансформує агента була встановлена Евері, Мак-Леода і Мак-карти в 1944 ᴦ. ним виявилася ДНК. Так відкриття і вивчення трансформації довело роль ДНК як матеріального носія спадкової інформації.
Тривимірна модель просторової будови двухцепочечной ДНК була описана в аперльском журналі Nature в 1953 ᴦ. Дж. Уотсоном, Френсісом Криком і Морісом Вілкінсом. Ці дослідження лягли в основу молекулярної біології, що вивчає основні властивості і прояви життя на молекулярному рівні.
Структура ДНК - полімер, структурною одиницею якого є нуклеотид.
Нуклеотид складається з азотистої основи пуринового: аденін (А) або гуанін (Г) або піримідинового: цітонін (Ц) або тимін (Т), вуглеводу дезоксирибози (пятиуглеродного цукрове кільце) і залишку фосфорної кислоти (НРО - 3). Подвійна спіраль ДНК правобічна. 10 пар основ складають повний оборот 360 о. отже, кожна пара підстав повернута на 36 градусів навколо спіралі относітльно наступної пари. Фосфатні угруповання перебувають зовні спіралей, а підстави - всередині і розташовані з інтервалом 34нм. Ланцюги утримуються разом водневими зв'язками між основами і закручені одна навколо іншої і навколо загальної осі.
А = Т; Г = Ц або А + Г / Ц + Т = 1
Нуклеотиди з'єдн ?? єни в полінуклеотидних ланцюг зв'язками між 5 'положення одного пентозного кінця і 3' положення наступного пентозного кільця через фосфатну групу з утворенням фосфодіефірних містків, ᴛ.ᴇ. цукрово-фосфатний кістяк ДНК складається з 5 '- 3' язків. Генетична інформація записана в послідовності нуклеотидів в напрямку від 5 'кінця до 3' кінця - така нитка прийнято називати смисловий ДНК, тут розташовані гени. Друга нитка напрямки 3'-5 'вважається антисмислової, але є необхідним''еталоном'' зберігання генетичної інформації. Антисмислового нитка грає велику роль в процесах реплікації і репарації (відновлення структури пошкодженої ДНК). Підстави в антипаралельних нитках утворюють за рахунок водневих зв'язків комплементарні пари: А + Т; Г + Ц. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, структура однієї нитки визначає послідовність нуклеотидів інший нитки. Отже, послідовності підстав в нитках ДНК нд ?? егда антіпараллельни і комплементарні.
Принцип комплементарності універсальний для процесів реплікації і транскрипції.
Сьогодні описані кілька модифікацій молекули ДНК. Поліморфізм ДНК - ϶ᴛᴏ здатність молекули приймати різні конфігурації.
Знання структури і функції ДНК вкрай важливо для розуміння суті деяких генетичних процесів, які є матричними. Було ясно, що сама ДНК не може грати роль матриці при синтезі білків з амінокислот, тому що майже вся вона знаходиться в хромосомах, розташованих в ядрі, в той час як більшість, в разі якщо не вс ?? е, клітинні білки синтезуються в цитоплазмі. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, генетична інформація, ув'язнена в ДНК, повинна віддаватися якійсь проміжній молекулі, яка транспортувалася б в цитоплазму і брала участь в синтезі поліпептидних ланцюгів. Припущення про те, що такий проміжної молекулою повинна бути РНК, стало нд ?? ерьез розглядатися відразу, як тільки була відкрита структура подвійної спіралі ДНК. В першу чергу, клітини, які синтезують велику кількість білка, містили багато РНК. По-друге, ще більш важливим здавалося те, що сахарофосфатнимі''скел ?? ети'' ДНК і РНК надзвичайно схожі й було б легко уявити собі, як відбувається синтез одиночних ланцюгів РНК на одноцепочной ДНК з утворенням нестабільних гібридних молекул, одна ланцюг яких представлена ДНК, а інша РНК. Взаємовідносини ДНК, РНК і білка в 1953 ᴦ. були представлені у вигляді такої схеми:
Реплікація ДНК --------- → РНК --------- → білок,
де поодинокі ланцюга ДНК служать матрицями при синтезі комплементарних молекул ДНК (реплікація). У свою чергу, молекули РНК служать матрицями для послідовного з'єдн ?? ення амінокислот з утворенням поліпептидних ланцюгів білків в процесі, названому так тому, що''текст'', написаний на''язике'' нуклеотидів, перекладається (транслюється) на''язик'' амінокислот. Група нуклеотидів, що кодує одну амінокислоту, прийнято називати кодоном.
РНК - рибонуклеїнова кіслота͵ має багато спільного зі структурою ДНК, але відрізняється від неї рядом ознак:
q углеводом РНК, до якого приєднуються пуринові або піримідинові підстави і фосфатні групи, є рибоза;
q до складу РНК, як і до складу ДНК, входять азотисті основи аденін, гуанін і цитозин. Але РНК не містить тиміну, його місце в молекулі РНК займає урацил;
q РНК - одноцепочечная молекула;
q так як молекула РНК одноцепочечная, то правило Чаргаффа, встановлене для ДНК, може не виконуватися по рівності змісту підстав.
РНК (РНК), присутні в клітинах як про- так і еукаріот, бувають трьох базових видів: матричні РНК (мРНК), Хвороби (рРНК) і транспортні РНК (тРНК).
В ядрі клітин еукаріот міститься РНК четвертого типу гетерогенна ядерна РНК (гяРНК), яка є точною копією (транскриптом) відповідної ДНК.
Молекули тРНК дізнаються в цитоплазмі відповідний триплет (кодон в мРНК) і переносять потрібну амінокислоту до зростаючої поліпептидного ланцюга. Впізнавання кодону в мРНК здійснюється за допомогою трьох послідовних підстав в тРНК, званих антикодон. Вважають, що для кожної амінокислоти є, принаймні, одна тРНК.
Генетичний код - єдина система запису спадкової інформації в молекулах нуклеїнових кислот у вигляді послідовності нуклеотидів. Генетичний код заснований на використанні алфавіта͵ складається нд ?? його з чотирьох букв -нуклеотидів, що відрізняються азотистими підставами: А, Т, Ц, Г. Спроби розшифровки генетичного коду були зроблені в 1954 ᴦ. Г.Гамовим. основні властивості коду триплетність і вирожденність виявили в 1961 ᴦ. Ф. Крик і С. Бреннер.
У 1961 ᴦ. була вперше дешифрована перша триплетна послідовність. Система, яка містить штучну мРНК, що складається тільки з урацілових нуклеотидів, синтезувала поліпептидний ланцюг, що складається тільки з фенілаланіну (в ДНК кодом для неї повинен бути комплементарний триплет нуклеотидів - ААА). До 1965 ᴦ. був розшифрований повністю весь генетичний код. З 64 кодонів три кодону УАГ, УАА, УГА не кодують амінокислот, вони були названі нонсенс-кодонами. Пізніше було показано, що вони є термінують кодонами.
Сьогодні определ ?? ення нуклеотидних послідовностей ДНК і РНК проводиться за допомогою спеціального методу - секвенування.
Властивості генетичного коду.
1. Генетичний код триплетів. Триплет (кодон) - послідовність трьох нуклеотидів, що кодує одну амінокислоту.
2. Виродженість генетичного коду обумовлена тим, що одна амінокислота може кодуватися кількома триплету (амінокислот - 20, а триплетів - 64), виняток становлять метіонін і триптофан, які кодуються тільки одним кодоном. Три триплета УАА, УАГ, УГА - ϶ᴛᴏ стоп-сигнали (терминирующего кодони), припиняють синтез поліпептидного ланцюга. Триплет, відповідний метионину (АУГ), виконує функцію ініціювання (збудження) зчитування і не кодує амінокислоту, в разі якщо стоїть на початку ланцюга ДНК.
3. Однозначність - кожному даному кодону відповідає одна і тільки одна определ ?? енная амінокислота.
4. Генетичний код не перекриваємо - процес зчитування генетичного коду не допускає можливості перекривання кодонів. Розпочавшись на определ ?? енном кодоні, зчитування наступних йде без пропусків аж до нонсенс-кодонів.
5. Генетичний код універсальний, ᴛ.ᴇ. вся інформація в ядерних генах для вс ?? ех організмів, що володіють різним рівнем організації кодується однаково.
Матричні процеси в клітці.
Існують три типи матричних процесів в клітинах: реплікація, транскрипція і трансляція.
Основне функціональне значення процесу реплікації ДНК складається в постачанні потомства генетичною інформацією, яка повинна передаватися повністю і з дуже високою точністю.
Реплікація - подвоєння ДНК, що відбувається в синтетичну (S) стадію інтерфази перед кожним справ ?? еніем клітини.
Консервативна реплікація. Вихідна двухцепочная молекула ДНК служить матрицею для утворення абсолютно нової дволанцюгової молекули, без остачі добудовується на вихідної.
Напівконсервативним реплікація. Дві нитки ДНК розплітаються (як застібка - блискавка). Кожна ланцюг служить матрицею для утворення нової. При реплікації молекула ДНК поступово розділяється спеціальним ферментом на дві половини в поздовжньому напрямку. У міру того, як відкриваються нуклеотиди розділяється молекули, до них тут же приєднуються вільні нуклеотиди, раннє синтезовані в цитоплазмі. В результаті кожна половинна спіраль знову ставати цілої, і замість однієї молекули виходять дві, завдяки чому хромосома стає двухроматідной.
Дисперсійна реплікація. Вихідна ДНК розпадається на короткі різної довжини фрагменти, використовувані в якості матриць для постоенія фрагментів двох нових подвійних спіралей, які потім відтворюються в єдину структуру молекули. Освічені молекули ДНК містять старі і нові фрагменти.
У 1955 ᴦ. А. Корнберг і його колеги зі Стенфордського університету відкрили фермент, який забезпечує реплікацію ДНК, і назвали його полимеразой.
На сучасному етапі серед ферментів, які беруть участь в синтезі ДНК, виділ ?? єни ДНК-полімерази I, II, III. володіють 5 '→ 3' полімеразної активністю.
Оскільки ДНК-полімерази каталізують реплікацію тільки в напрямку 5 '→ 3', а ланцюга батьківської ДНК антіпараллельни, тільки одна з нових ланцюгів синтезується безперервно. Цей ланцюг прийнято називати лідируючої. Друга ланцюг, звана відстає, синтезується у вигляді фрагментів ДНК - фрагменти Окадзакі. які у еукаріот мають послідовність 100-200 нуклеотидів. Ці фрагменти лігуються (зшиваються) полінуклеотідлігази, і утворюється безперервний ланцюг. Цей процес прийнято називати дозріванням. Синтез кожного фрагмента Окадзакі (3 '→ 5') починається на маленькому фрагменті РНК (близько 10-60 нуклеотидів), який видаляється ще до закінчення зчитування фрагмента. Це так звана запал, або праймер.
У будь-якій клітині людини під впливом різних факторів в ДНК щодня відбуваються тисячі випадкових змін, а за рік в кожній клітині накопичується лише дуже невелике число стабільних змін нуклеотидної послідовності ДНК. Серед множинних випадкових замін підстав в ДНК лише одна на тисячу призводить до виникнення мутації. Всі інші пошкодження дуже ефективно ліквідуються в процесі репарації ДНК. Механізм репарації (''залечіваніе'' пошкоджень ДНК) заснований на тому, що молекула ДНК має дві копії генетичної інформації - по одній в кожній з ниток молекули. Основний шлях репарації включає три етапи:
1. Змінений ділянку пошкодженої ланцюга ДНК розпізнається і видаляється за допомогою ДНК-репаруючу нуклеаз. У спіралі ДНК в даному місці виникає пролом;
2. ДНК -полімераза і глікозілази заповнюють цю прогалину, приєднуючи нуклеотиди один за іншим, копіюючи інформацію з цілісної нитки;
3. ДНК - лігаза''сшівает'' розриви і завершує відновлення молекули.
Транскрипція (переписування) - синтез на ДНК-матриці мРНК (первинного продукту гена), який наразі триває в ядрі на смисловий нитки ДНК, що знаходиться в релаксувати стані. Це перший етап білкового синтезу. Матрична РНК (мРНК) містить генетичну інструкцію по синтез определ ?? енного поліпептиду і переносить її до білоксинтезуюча апарату клітини, що знаходиться в рибосомах цитоплазми клітин.
Для ініціації транскрипції вкрай важлива наявність спеціальної дільниці в ДНК, званого промотором. Коли РНК-полімераза зв'язується з промотором, відбувається локальне розплітання подвійної спіралі ДНК і утворюється відкритий промоторних ділянку.
Елонгація (удлин ?? ення) ланцюга РНК - ϶ᴛᴏ стадія транскрипції, яка настає після приєднатися ?? ення 8 рибонуклеотидов. При цьому рухома РНК-полімераза вздовж ланцюга ДНК діє подібно застібці блискавки, розкриваючи подвійну спіраль, яка замикається позаду ферменту в міру того, як відповідні підстави РНК спаровуються з основами ДНК.
Терминация (припинення росту) ланцюга мРНК відбувається на специфічних ділянках ДНК, які називаються терминаторами.
Процес формування зрілих молекул РНК з попередників прийнято називати процессингом. в результаті якого молекули піддаються модифікації по 5 '→ 3' кінців і сплайсингу. Сплайсинг гетерогенної ядерної РНК це видалення послідовностей РНК, відповідних Інтрони ДНК, і з'єдн ?? ення ділянок з транскрібіруемих послідовностями екзонів.
Трансляція (переклад) - процес втілення генетичної інформації мРНК в структуру поліпептиду. Це другий етап білкового синтезу, здійснюваний послідовної поликонденсацией окремих амінокислотних залишків, починаючи з аміноконца поліпептидного ланцюга до карбоксильної кінця.
Зріла матрична РНК виходить в цитоплазму, де здійснюється процес трансляції - декодування мРНК в амінокислотну послідовність білка. Процес декодування здійснюється від 5 '→ 3' і відбувається в рибосомах. Комплекс мРНК і рибосом прийнято називати полисомой.
Трансляція починається зі старого кодону АУГ, який при локалізації в змістовної частини структурного гена кодує амінокислоту метіонін. Кожну амінокислоту доставляє до полисомой транспортна РНК (тРНК), специфічна до даної амінокислоті. тРНК виконує роль посередника між кодоном мРНК і амінокислотою. Молекули тРНК дізнаються в цитоплазмі відповідний триплет (кодон в мРНК) за принципом спарювання комплементарних азотистих основ. тРНК, яка підходить до малої субчастиц, утворює зв'язок кодон - антикодон, при цьому одночасно передає свою амінокислоту в аміноацільний ділянку (А-ділянка) великий субодиниці. До кодону АУГ''подходіт'' антикодон тільки тієї тРНК, яка преноса метіонін. З цієї причини перш нд ?? його до рибосоми доставляється метіонін. Далі кодон АУГ переходить на пептідільний ділянку великої субодиниці (Р-ділянка). В результаті цих процесів утворюється транслює рибосома - ініціює комплекс.
Терминация (закінчення синтезу) відбувається по команді кодонів УАА, УАГ, УГА. У природі не існує таких молекул тРНК, Антикодон яких відповідали б цим кодонам.
Полімеразна ланцюгова реакція (ПЛР) була відкрита в 1984 ᴦ. Кері
Б. Мюлліса. Вона заснована на тому, що новосінтезіруемие ланцюга нуклеїнових кислот можуть служити матрицями в наступних циклах реплікації:
q двухспіральная ДНК при нагріванні розділяється на состовляющие одноцепочной ланцюга і в такому стані може служити матрицею для реплікації;
q одноцепочной нитки ДНК инкубируются в присутності ДНК-полімерази і розчину, що містить суміш нд ?? ех 4 нуклеотидів, а також специфічні послідовності ДНК (праймери), що призводить до синтезу копій двох молекул ДНК.
Метод ПЛР відрізняється дуже високою чутливістю: він дозволяє виявити в пробі нд ?? його одну присутню в ній молекулу ДНК. Метод набув широкого використання в пренатальної діагностики спадкових хвороб, виявленні вірусних інфекцій, а також у судовій медичні ?? е, оскільки дає можливість проводити генетичну''дактілоскопію'' навіть по одній єдиній клітині.
Читайте також
Молекулярно-генетичний метод Біохімічний метод Біохімічні методи засновані на вивченні активності ферментних систем (або по активності самого ферменту, або за кількістю кінцевих продуктів реакції, що каталізується цим. [Читати далі].
Модулярних метод діагностики. Суть методу полягає в багаторазовому копіюванні фрагментів ДНК (РНК) збудника ферменную ДНК-полімеразою. Реакція проходить кілька циклів, в результаті яких кількість точних копій фрагментів ДНК (РНК) збільшується, і. [Читати далі].
Принцип методу: Досліджуваний матеріал піддається спеціальній обробці, при якій від-ходить лізис клітин збудника з виходом ДНК. Частина матеріалу переноситься в пробірку, що містить суміш мононуклеотидів, ДНК-полімеразу та праймер -Унікальна послідовність. [Читати далі].