ОСНОВЫ МОЛЕКУЛЯРНОЙ БИОЛОГИИ Структурно-функциональная организация передачи генетической информации

ОСНОВЫ МОЛЕКУЛЯРНОЙ БИОЛОГИИ Структурно-функциональная организация передачи генетической информации

Mолекулярная биология — наука о механизмах : • хранения, • воспроизведения, • передачи, • реализации генетической информации, о структуре и функциях нерегулярных биополимеров — нуклеиновых кислот и белков.

• Датой рождения молекулярной биологии принято считать апрель 1953 года, когда в английском журнале « Nature » появилась статья Джеймса Уотсона и Фрэнсиса Крика с предложением пространственной модели молекулы ДНК.

ЦЕНТРАЛЬНАЯ ДОГМА МОЛЕКУЛЯРНОЙ БИОЛОГИИ обобщающее наблюдаемое в природе правило реализации генетической информации 1958 : ДНК → РНК → БЕЛОК 1960; 1975:

ЦЕНТРАЛЬНАЯ догма молекулярной биологии

Генетические манипуляции на уровне ДНК: Репликация; Репарация; Рекомбинация; Геномные перестройки

Структурно-функциональная организация передачи генетической информации: МАТРИЧНЫЙ СИНТЕЗ В основе лежит принцип комплементарности Репликация: Порядок нуклеотидов в «материнской» цепочке ДНК определяет порядок нуклеотидов в «дочерней» , т. е. «материнская» цепочка ДНК является матрицей для синтеза «дочерней»). Стадия реализации генетической информации : Транскрипция: y уклеотидная последовательность ДНК считывается в виде нуклеотидной последовательности РНК. Трансляция: нуклеотидной последовательности РНК переводится в аминокислотную последовательность белка

В ДНК закодирована информация о механизме ее удвоения. «Материнская» цепочка ДНК является матрицей для синтеза «дочерней» : во время деления клеток генетическая информация должна перейти в «дочерние» клетки. Вся ДНК клетки копируется, при этом каждая ее цепь служит матрицей для синтеза комплементарной последовательности. Репликация происходит в ядре. 1. РЕПЛИКАЦИЯ. ДНК способна к репликации (самоудвоению).

Биологический смысл репликации ДНК: копирование генетической информации для переноса ее следующему поколению Репликация происходит с помощью полуконсервативного синтеза: 1. Двойная спираль раскручивается; 2. Каждая родительская цепь служит в качестве матрицы для синтеза новой дочерней цепи; 3. В ходе синтеза дочерних цепей возникают новые комплементарные пары; 4. В результате репликации образуются две новые одинаковые дочерние цепи.

Артур Корнберг Нобелевская премия по физиологии и медицине за открытие механизмов биосинтеза ДНК 1959 год Репликация (от лат. replicatio – повторение) – это самовоспроизведение нуклеиновых кислот, обеспечивающее точное копирование генетической информации и передачу ее от поколения к поколению.

Молекулы ДНК приобретают способность к автономной репликации в том случае, если в них имеется ориджин ( ori ) — сайт начала репликации и, как правило, набор генов, необходимых для ее осуществления. Такие молекулы получили название репликонов. Репликон — единица генома, способная к автономной репликации ДНК; содержит точку инициации репликации

Инициация синтеза ДНК — репликации происходит в нескольких сайтах хромосомы, которые называют сайтами инициации репликации, или ориджинами (от англ. origin — происхождение) репликации (сайт ori ) Ориджины репликации имеют определённую нуклеотидную последовательность. Последовательность ДНК, ограниченную двумя ориджинами репликации, называют репликоном.

ориджин ( ori – сайт) включает в себя участки ДНК со специфическими консервативными фрагментами

Принципы репликации: 1. Комплементарность; 2. Антипараллельность; 3. Потребность в затравке (праймере); 4. Полуконсервативность. Первые два принципа можно сформулировать в одной фразе: Синтез каждой дочерней цепи ДНК идет комплементарно и антипараллельно матричной цепи и всегда в направлении 5′ 3′

Комплементарность A = T (U) G ≡

Анти — параллельность Две комплементарные цепи в молекуле ДНК расположены в противоположных направлениях — антипараллельно : одна нить имеет направление от 5′ к 3′, другая — от 3′ к 5′

Потребность в затравке (праймере) Праймер — короткий фрагмент нуклеиновой кислоты (олигонуклеотид), комплементарный ДНК, служит затравкой для синтеза комплементарной цепи с помощью ДНК-полимеразы

Полуконсервативность Вновь образованная двойная спираль имеет одну исходную (родительскую) и одну вновь синтезированную (дочернюю) цепь. Такой механизм удвоения ДНК получил название «полуконсервативная репликация «:

Ферменты репликации (более 40, образуют комплекс — реплисому) 1. ДНК-полимераза – главный фермент – ведет синтез дочерней цепи по принципу комплементарности, антипараллельности и в одном направлении (5’® 3’). 2. Хеликаза — раскручивает двойную спираль 3. Топоизомераза — снимает напряжение в области репликативной вилки и предотвращает обратное скручивание 4. ДНК-лигаза — сшивает отдельные фрагменты Оказаки 5. Праймаза – катализирует синтез праймеров (разновидность РНК-полимеразы)

Механизм репликации на примере прокариот: Раскручивание. ДНК-геликаза и топоизомераза разделяют и специальные белки стабилизируют цепи ДНК.

В каждой репликативной вилке при участии фермента ДНК-полимеразы III синтезируется ДНК двух новых дочерних молекул. Процесс этот достаточно сложен: синтез идет только в направлении 5’→ 3’ для растущей цепи. В процессе синтеза ДНК репликационная вилка движется вдоль материнской спирали, захватывая все новые зоны.

Непрерывный синтез : ДНК-цепь 3` → 5`. Праймаза синтезирует затравку ( праймер РНК ). Начиная с праймера, ДНК-полимераза присоединяет нуклеотиды к свободному 3`-концу » лидирующей » цепи. Направление синтеза 5` → 3`. Синтез » лидирующей» цепи идет без остановок до конца репликона.

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 фосфодиэфирную связь между двумя фрагментами Оказаки. Прерывистый синтез : ДНК-цепь 5` → 3 ’

Расположение основных белков в репликационной вилке И. Ф. Жимулев, с.

Различие репликации у прокариот и эукариот • Скорость синтеза ДНК у бактерий в области репликационной вилки ( 5 00 нуклеотидов/сек) на порядок выше, чем у млекопитающих (около 5 0 нуклеотидов/сек) и растений (около 20 нуклеотидов/сек). • Меньшая скорость репликативного синтеза у эукариот объясняется большей степенью конденсации (упаковки) ДНК в хромосомах, а также более сложной и тщательной «проверкой» правильности синтезируемой дочерней цепи специальными репарирующими системами.

Метилирование ДНКМетильные группы присоединяются ко всем остаткам аденина в последовательности -GATC- , при этом образуется N 6 -метиладенин , возможны метилирование цитозина в последовательности — GC -и образование N 5 -метилцитозина. Количество метилированных оснований равно примерно 1 -8%.