МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ОСНОВЫ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ Что такое

МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ОСНОВЫ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ

Что такое наследственная информация? Это информация о строении белков и характере синтеза белков в организме. Синоним: генетическая информация. У вирусов генетическая информация хранится в ДНК или РНК, у эукариот и прокариот – в ДНК.

Строение нуклеотида • Азотистое основание • Пентоза (5 - углеродный сахар) • Фосфат

НУКЛЕОТИДЫ ДНК И РНК • В РНК сахар рибоза (рибонуклеиновая кислота), в ДНК сахар дезоксирибоза (дезоксирибонуклеиновая кислота) РИБОЗА 2΄-ДЕЗОКСИРИБОЗА

АЗОТИСТЫЕ ОСНОВАНИЯ Производные пурина Производные пиримидина В ДНК Aденин - A Цитозин – Ц Гуанин - Г Tимин – T В РНК Aденин - A Цитозин - Ц Гуанин - Г Урацил – У

Строение ДНК – полимер, который состоит из мономеров – нуклеотидов

В 1953 г. американский генетик Дж. Уотсон и английский генетик Ф. Крик расшифровали строение ДНК. В 1962 г. они получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине за это открытие.

В начале 50 -х гг. биофизики Р. Франклин и М. Уилкинс получили рентгенограммы ДНК, которые показали, что ДНК имеет форму двойной спирали В 1950 г. британский химик Эрвин Чаргафф определил, что: 1) А=Т and G=C; 2) Сумма пуриновых оснований (А and G) равна сумме пиримидиновых А+G=Т+C; А+G/Т+C=1 3) А+T/G+C= k (является видовым показателем)

Диаметр ДНК составляет 2 нм. Расстояние между двумя витками спирали – 3, 4 нм. В одном полном витке – 10 пар нуклеотидов. Средняя длина одной пары нуклеотидов (п. н. ) – 0, 34 нм. 2 нм

Атомы карбона в кольце дезоксирибозы пронумерованы от 1' до 5'. К 1' -карбону присоединяется азотистое основание, а к 5' -карбону – фосфат.

Нуклеотиды соединяются между собой фосфодиэфирными связями между остатком дезоксирибозы одного нуклеотида (3΄) и фосфатом – другого (5΄)

Две цепи ДНК соединяются водородными связями между азотистыми основаниями по принципу комплементарности. Между A и T – 2 водородные связи; между Г и Ц – 3 водородные связи

• Цепи в ДНК расположены В молекуле ДНК видны маленькая и антипараллельно. 5’-конец большая борозды. К ним одной полинуклеотидной цепи соединяется с 3’-концом другой. присоединяются разные регуляторные белки.

Существует несколько конформаций ДНК • A – 75 % относительная влажность, ионы Na, K, Cs • B – 95 % относительная влажность, низкая концентрация ионов • Z – левозакручена

У человека суммарная длина 46 ДНК, выделенных из 46 хромосом составляет около 190 см. Следовательно, средняя длина 1 молекулы ДНК человека более 4 см.

Если цепи ДНК изображают в виде линии, то принято вверху изображать цепь в направлении от 5′ к 3′ 5′ АТТГТЦЦГАГТА 3′ -кодирующая 3′ ТААЦАГГЦТЦАТ 5′-матричная

Локализация ДНК в клетках эукариот: 1) Ядро – входит в состав хромосом; 2) Митохондрии; 3) Пластиды. Функция ДНК: хранит наследственную (генетическую) информацию. В ДНК находятся гены. В каждой соматической клетке человека менее 25 000 пар генов

Свойства ДНК • Способность к самоудвоению – редупликации. • Способность к репарации – восстановлению структуры ДНК после повреждения • Способность к денатурации и ренатурации. Денатурация – под действием высокой температуры и щелочей разрываются водородные связи между цепями ДНК становится однонитевой. Ренатурация – обратный процесс. Это используется в методах ДНК-диагностики.

• Редупликация – процесс синтеза дочерней молекулы ДНК, обеспечивает передачу наследственной информации дочерним клеткам. • Происходит с помощью фермента ДНК- полимеразы по принципу комплементарности. • Происходит в синтетический период интерфазы (S-период).

Репликация – полуконсервативный процесс. Каждая дочерняя молекула получает одну нить от материнской ДНК, а вторую синтезирует вновь.

Общая схема работы ферментов при редупликации

Репарация ДНК – исправление ошибок ДНК, которые возникают при неправильной редупликации или под действием мутагенных факторов. Самый распространенный способ репарации у прокариот и эукариот – эксцизионная репарация. Ферменты нуклеазы вырезают ошибочное нуклеотиды или участок поврежденной цепи ДНК, фермент ДНК-полимера I типа встраивает нормальные нуклеотиды, ферменты лигазы сшивают фрагменты. При нарушении репарации ДНК в клетках накапливаются мутации, что со временем приводит к развитию опухолей, преждевременному старению.

Photorepair Excision repair

Болезни репарации ДНК • Пигментная ксеродерма: веснушки, пигментные пятна, фотофобия, 100 % вероятность развития рака.

РНК ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей, РНК – из одной. ДНК содержит моносахарид дезоксирибозу, РНК – рибозу. ДНК содержит Тимин, РНК – Урацил.

РНК принимает участие в реализации наследственной информации Переносит информацию о строении и. РНК 300 -30000 белка от ДНК к рибосоме, нуклеотидов является матрицей для синтеза белка р. РНК Формирует каркас рибосомы, До 5000 обеспечивает взаимодействие т. РНК и нуклеотидов и. РНК. Синтезируется в ядрышках. Переносят аминокислоты в т. РНК 75 -95 рибосомы для синтеза белка, нуклеотидов адаптерные молекулы мя. РНК 100 -220 Созревание (сплайсинг) и. РНК нуклеотидов Созревание р. РНК микро 21 -23 РНК Подавляют трансляцию нуклеотидов (РНК-интерференция)

Что такое ген? Термин «ген» предложил В. Йогансен в 1909 г. Ген (в узком смысле слова) – участок ДНК, в котором закодирована информация о строении одного белка. Ген (в широком смысле слова) – участок ДНК, который кодирует первичную структуру белка, р. РНК, т. РНК или регулирует транскрипцию другого гена.

Классификация генов. В зависимости от выполняемых функций выделяют две группы генов 1. Структурные гены – 2. Регуляторные гены, которые кодируют регулируют процессы белок или РНК. биосинтеза белка. У эукариот: Промотор – место присоединения РНК -полимеразы Энхансер – ускоряет транскрипцию Сайленсер – тормозит транскрипцию

Строение гена эукариот, кодирующего белок Интрон 1 Интрон 2 Интрон 3 Промотор Экзон 1 Экзон 2 Экзон 4 5’ 3’ Экзон 3 ЦААТ- ТАТА- бокс Терминатор Участок, кодирующий полипептид ГЦ- мотив Транскриптон – участок гена, который транскрибируется

Промотор – участок гена, к которому присоединяется фермент РНК-полимераза, осуществляющий транскрипцию. Транскриптон - участок гена, который транскрибируется. В нём выделяют участок, кодирующий белок и терминатор – участок гена, на котором заканчивается транскрипция Участок, кодирующий белок, состоит из экзонов и интронов. Экзоны кодируют белок, интроны – некодирующие участки. Экзоны и интроны выявлены только у эукариот. У прокариот интроны отсутствуют.

Типичный ген человека состоит примерно из 28000 пар нуклеотидов (п. н. ) и имеет 8 экзонов. Он кодирует полипептид, состоящий в среднем из 447 аминокислот. Самый длинный ген, найденный в геноме человека, – ген мышечного белка дистрофина, он содержит 2, 4· 106 п. н.

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 (УАА, УАГ, УГА) 7. Колинеарность 8. Универсальность

Экспрессия гена • Экспрессия гена – реализация наследственной информации. Общая схема реализации наследственной информации ДНК транскрипция и. РНК трансляция белок

Основные этапы синтеза белка 1. Транскрипция – синтез и. РНК. Происходит в ядре. 2. Активация аминокислот и соединение их с т. РНК. Происходит в цитоплазме. 3. Трансляция – синтез полипептидной цепи. Происходит на рибосомах. 4. Посттрансляционная модификация – образование пространственных структур белка (фолдинг) и его химическая модификация. Происходит в ЭПС, комплексе Гольджи, цитоплазме.

ЭТАПЫ СИНТЕЗА БЕЛКА Ген 3. ТРАНСЛЯЦИЯ 1. ТРАНСКРИПЦИЯ 2. СОЕДИНЕНИЕ АМИНОКИСЛОТ С т. РНК 4. ОБРАЗОВАНИЕ ВТОРИЧНОЙ, ТРЕТИЧНОЙ И ЧЕТВЕРТИЧНОЙ СТРУКТУРЫ БЕЛКА

Транскрипция – процесс считывания наследственной информации путём синтеза комплементарной и. РНК. Для реакции нужен фермент РНК-полимераза (I, III). РНК синтезируется в направлении от 5′-конца к 3′-концу, антипараллельно. Кодирующая или смысловая цепь ДНК 5' T A C G T T C G A T C C 3' A T G C A A G C T A G G Матричная цепь Транскрипция идёт по матричной цепи и. РНК 5' U A C G U U C G A U C C 3'

У прокариот сразу синтезируется зрелая и. РНК. У эукариот синтезируется про-и. РНК (незрелая), которая проходит процессинг. Процессинг – созревание и. РНК. Происходит в ядре. Включает в себя: 1. Сплайсинг – вырезание интронов и сшивание экзонов. 2. Кэпирование – модификация 5’-конца и. РНК (присоединение метилгуанина). 3. Полиаденилирование – модификация 3’ -конца и. РНК (присоединение 150 -200 Аденинов).

Синтез и. РНК у эукариот Экзон 1 Интрон Экзон 2 1 этап – синтез про- и РНК, которая полностью комплементарна Синтез про-и. РНК ДНК (гену) Про-и. РНК Сплайсинг - 2 этап – вырезание Экзон 1 Экзон 2 процессинг интронов и соединение (созревание экзонов и. РНК) Зрелая и. РНК Кэп ААААА 7 -Метилгуанозин- Поли –А-хвост трифосфат

2. Активация аминокислот и соединение с т. РНК. Каждая т. РНК имеет 2 активных центра: 1) антикодон – для взаимодействия с кодоном и. РНК 2) акцепторный участок – для соединения с аминокислотой

Трансляция – синтез первичной структуры белка в цитоплазме в рибосоме Рибосома имеет В рибосоме – два большую и малую активных центра: Р – пептидильный субъединицы А – аминоацильный Р А

Этапы трансляции

Инициация Рибосома соединяется с и. РНК и захватывает два кодона (первый – инициальный оказывается в пептидильном центре). К инициальному кодону подходит т. РНК с инициальной аминокислотой Мет (метионин).

Элонгация - удлинение полипептидной цепи Ко второму кодону и. РНК подходит вторая т. РНК с аминокислотой. Если антикодон т. РНК комплементарен кодону и. РНК, две аминокислоты соединяются пептидной связью – образуется дипептид.

Затем первая т. РНК выходит из рибосомы, рибосома перемещается на один триплет вперед. К этому триплету подходит новая т. РНК с аминокислотой. Если антикодон т. РНК комплементарен кодону и. РНК, то между двумя последними аминокислотами вновь образуется пептидная связь и процесс повторяется.

Терминация – окончание трансляции. Рибосома доходит до стоп-кодона. Синтез полипептида останавливается. Рибосома отсоединяется от и. РНК, полипептид формирует пространственные структуры.

Схема полисомы

Микрофотография полисомы

Регуляция экспрессии генов у прокариот У прокариот кольцевидная ДНК, которая кодирует небольшое количество белков (у кишечной палочки – более 4000). Для многих генов характерна оперонная регуляция активности. Оперон – группа структурных генов, которые кодируют белки-ферменты одного метаболического процесса и находятся под контролем общих регуляторных генов. В 1961 г. французскими учеными Фр. Жакобом и Ж. Моно открыт лактозный оперон (у E. coli – кишечной палочки).

Оперон обеспечивает синтез трёх ферментов, участвующих в метаболизме лактозы: • lac. Z – галактозидаза (расщепляет лактозу на глюкозу и галактозу). • Lac Y – пермеаза (обеспечивает поступление лактозы в клетку). • lac. A – трансацетилаза (участвует в удалении из клетки токсичных продуктов расщепления лактозы).

Лактозный оперон состоит из: 1) Трёх структурных генов, кодирующих три белка- фермента. 2) Четырёх регуляторных генов, которые обеспечивают работу структурных генов: • Ген-регулятор – кодирует белок-репрессор. • Ген-промотор – место присоединения РНК -полимеразы для начала транскрипции. • Ген-оператор. Если к нему присоединен белок- репрессор, то он блокирует транскрипцию. • Терминатор – место окончания транскрипции.

Схема строения лактозного оперона кишечной палочки. Открыли Фр. Жакоб и Ж. Моно в 1961 г. (Удостоены Нобелевской премии в 1965 г. ) Терминатор

Оперон инактивирован

Оперон в активном состоянии, если в клетку попадает лактоза. Она соединяется с белком-репрессором и инактивирует его. Начинается синтез трёх ферментов.

Регуляция экспрессии генов у эукариот • 7 -10 % генов экспрессируются. Остальные гены неактивны. • Таким образом, преобладает позитивный генетический контроль, при котором большая часть генома репрессирована и регуляция происходит путём активации необходимых генов.

Амплификация генов Метилирование ДНК Ацетилирпование белков гистонов Факторы транскрипции процессинг Транспорт из ядра

Метилирование ДНК по Цитозину – универсальный механизм выключения генной активности

Ацетилирование гистонов делает ДНК доступным для транскрипции

Контроль трансляции с помощью микроцитплазматических РНК Фолдинг Деградация Транспорт в орагеллы

Отличия организации генома и экспрессии генов у прокариот и эукариот Прокариоты Эукариоты ДНК кольцевидной формы, не ДНК линейная, соединяется с соединена с белками, расположена в гистоновыми и негистоновыми цитоплазме белками, находится в ядре клетки Нет интронов Есть интроны Мало генов Много генов (у кишечной палочки около 4000) (у человека около 25 000) Есть опероны Нет оперонов Каждый ген окружен группой регуляторных генов Оперонная регуляция активности Сложная регуляция на уровне генов транскрипции, трансляции и посттрансляционных процессов

ХОРОШЕГО ДНЯ !