1
ГБОУ ВПО Сам. ГМУ Минздрава России Кафедра медицинской Сам. ГМУ 95 лет биологии, генетики и экологии тема: «Наследственный характер генетической информации. Воспроизведение на молекулярном и клеточном уровнях. » Заведующая кафедрой доктор биологических наук профессор Лидия Николаевна Самыкина лекция № 2 2
Актуальность темы лекции для будущих врачей определяется прежде всего тем, что современные данные по структуре ДНК необходимы для понимания всех главных особенностей феномена наследственности на молекулярном уровне. 3
В настоящее время большинство ученых убеждены в том, что почти все свойства живых организмов, например такие как: активный перенос через клеточные мембраны, мышечное сокращение, передача нервного импульса и многое другое могут быть поняты на молекулярном уровне. 4
После установления химического строения и пространственной структуры ДНК дальнейшие усилия исследователей были направлены на выяснение особенностей кодирования генетической информации. 5
В результате этого в 1953 году родилась молекулярная генетика – раздел науки, который занимается детальным изучением процессов работы ДНК в клетке на молекулярном уровне. 6
Одним из первых в этом пытался разобраться русский физик Георгий Гамов, эмигрировавший в то время в Америку. Наслушавшись многочисленных разговоров о ДНК и узнав, что она содержит – как и карты – всего четыре «масти» , Гамов решил «разложить пасьянс» с целью понять устройство генетического кода. 7
Георгий Антонович Гамов (20 февраля (4 марта) 1904, Одесса — 19 августа 1968, Боулдер)— советский и американский физик-теоретик, астрофизик и популяризатор науки. В 1933 году покинул СССР, став «невозвращенцем» . В 1940 году получил гражданство США. Член -корреспондент АН СССР (с 1932 по 1938 год, восстановлен посмертно в 1990 году). Член Национальной академии наук США (1953). 8
Генетический код – это способ записи генетической информации о структуре белков (полипептидов) посредством последовательности нуклеотидов в нуклеиновых кислотах (ДНК и РНК). Генетический код диктует состав и последовательность аминокислот в белке. 9
Генетический код: • состоит из 64 триплетных кодонов, включающих A, G, C, U. • все кодоны используются в белковом синтезе: 64 кодона кодируют 20 аминокислот; • 3 кодона являются терминирующими: (стоп-кодоны, или нонсенс-кодоны): UAA, UAG, UGA. 10
В клетке ДНК служит в качестве матрицы, на которой первоначально происходит синтез разных РНК. Процесс перезаписи генетической информации из ДНК в РНКовый текст получил название транскрипции. 11
Этот процесс, как и репликация ДНК, осуществляется в ядрах клеток. Первоначально на генах, кодирующих белки, образуются про-и. РНК, которые после ряда модификаций превращаются в так называемые матричные РНК (м. РНК). 12
Они-то непосредственно и служат матрицей для синтеза белков, т. е. их кодируют. Установлено, что м. РНК служат не только носителями ДНКовой информации, но и переносчиками этой информации из ядра в цитоплазму клетки. 13
В цитоплазме на специфических «машинах» рибосомах- осуществляется при трансляции м. РНК синтез молекулы белка, т. е. происходит перевод информации с четырехбуквенного языка м. РНК на двадцатибуквенный язык белка. 14
Рибосома состоит из субъединиц: большой (50 S) и малой (30 S). После присоединения к м. РНК рибосома двигается по ней, добавляя новую аминокислоту к полипептидной цепи. 15
• Каждая аминокислота приносится к рибосоме своей т. РНК. • Первый кодон всегда имеет вид AUG, поэтому все полипептидные цепи начинаются с метионина. 16
• Рядом с началом / (5 конца) м. РНК существует особая последовательность – участок присоединения рибосомы. Его называют последовательностью Шайна-Далгарно в честь её первоооткрывателей (S-D). 17
Между последовательностью нуклеотидов и кодируемой последовательностью аминокислот существует линейное соответствие (колинеарность). 18
незагруженная 19
Постепенно в рибосоме создается полипептидная цепь. Окончание синтеза регулируется стоп-кодонами: UGA, UAG, UAA. Поскольку не существует т. РНК для чтения этих трёх кодонов, цепь больше расти не может. Это событие настолько расслабляет рибосому, что она распадается на отдельные субъединицы. 20
• У высших организмов несколько рибосом могут взаимодействовать с одной м. РНК. Эта структура называется полисомой. 21
22
Джеймс Уотсон в середине 60 -х годов сформулировал основной постулат (центральная догма) новой науки молекулярной биологии, который в современном варианте выглядит следующим образом: 23
ЦЕНТРАЛЬНАЯ ДОГМА МОЛЕКУЛЯРНОЙ БИОЛОГИИ ДНК (ген) ДНК про-и. РНК м. РНК белок-фермент полипептид признак варианты признака 24
Используя термины молекулярной биологии, это означает, что ДНК исходной клетки, или клетки-матери, делится на две идентичные копии. Этот процесс называется репликацией. 25
Для осуществления ауторепродукции необходимы синтетические процессы в цитоплазме, ведущие к образованию четырех типов нуклеотидов, необходимы ферменты для полимеризации полинуклеотидной цепи, необходимы источники энергии и наличие других внутриклеточных условий. 26
Синтез молекул ДНК связан с затратой энергии, поэтому он не идет при использовании простых нуклеозидов. Эти нуклеозиды должны быть обогащены энергией, полученной ими путем фосфорилирования, присоединения к ним пирофосфата аденозинтрифосорной кислоты (АТФ). 27
Этот удивительный аккумулятор и переносчик энергии в основе своей структуры имеет знакомую нам адениловую кислоту, входящую в состав молекул нуклеиновых кислот. От АТФ отрывается фосфорный остаток, который переносится на молекулу другого вещества. Именно эта реакция и лежит в основе активирования нуклеозидов, содержащих основания А, Г, Ц, Т. 28
ДНК не только кодирует генетическую информацию, но и самовоспроизводится при каждом клеточном делении. Экспериментально было доказано, что одновременно с делением клетки ДНК снимает с самой себя точные копии в процессе редупликации (репликации). 29
Согласно модели ДНК Уотсона и Крика, предложенной ими в 1953 году, разрыв по водородным связям между комплементарными основаниями ведет к освобождению одноцепочечных полинуклеотидов ДНК. 30
Пять принципов репликации ДНК: 1. 2. 3. 4. 5. комплементарность; антипараллельность; полуконсервативность; двунаправленность от одной специфической точки начала репликации (в большинстве случаев); согласованность репликации и клеточного деления. 31
Репликация ДНК совершается в 2 этапа: 1. сначала цепи полностью раскручиваются и разделяются; 2. затем каждая цепь по отдельности действует как матрица, в результате чего образуются 2 новые двуспиральные молекулы ДНК. 32
Репликация ДНК лежит в основе: • воспроизведения генетической информации при размножении живых организмов; • передачи наследственных свойств из поколения в поколение; • развития многоклеточного организма из зиготы. 33
Общие принципы репликации ДНК применимы, с небольшими модификациями, ко всем организмам. 34
Фрагмент ДНК от одной точки начала репликации до другой точки образует единицу репликации – репликон. 35
Согласованность репликации и клеточного деления у эукариот: • Каждый репликон должен реплицироваться один – и только один раз за клеточный цикл. • Группы репликонов эукариот (т. н. репликационные единицы, содержащие 20 -80 репликонов) инициируются и проходят репликацию упорядоченно, примерно в течение 1 часа. • репликация всей ДНК происходит в синтетический период интерфазы клеточного цикла. 36
Спираль родительской ДНК раскручивается и комплементарные цепи отделяются друг от друга. 37
Область расхождения полинуклеотидных цепей в зонах репликации называют репликационными вилками. Поскольку две цепи, образующие молекулу ДНК, соединены водородной связью и переплетены, образуя двойную спираль, их не так-то просто разделить. 38
Более того, ДНК внутри клетки также свернуты плотной сверхспиралью для компактности. Прежде чем разделить цепи, нужно расплести как сверхспираль ДНК внутри клетки, так и двойную спираль ДНК. 39
Это происходит в два этапа. Сначала расплетается сверхспираль ДНК внутри клетки при помощи фермента, известного под названием ДНК-гираза. 40
Как только сверхспираль ДНК внутри клетки расплетена, фермент ДНК-хеликаза раскручивает двойную спираль ДНК. Хеликаза не разрывает цепи ДНК, а просто разрушает водородные связи, которые соединяют цепи молекулы ДНК. 41
42
Репликационная вилка включает в себя вращающуюся часть, где ДНК раскручивается ДНК-гиразой, затем сразу действует хеликаза, а отрезки одноцепочечной ДНК разъединяются. 43
Для удержания на расстоянии новых цепей имеется специальный «разводящий» белок, который крепится к каждой непарной одноцепочечной ДНК. Этот белок называется SSB-белок. 44
45
Очень важным моментом в процессе репликации является образование пар оснований: A и T пары и G и C пары. Каждая из разделенных родительских цепей ДНК служит цепью-образцом для синтеза новой комплементарной цепи. Нуклеотиды, пребывающие для формирования новой цепи, определяют своих партнеров, подбирают пару, и таким образом выстраиваются на цепи-образце. 46
Фермент, который связывает нуклеотиды, известный как ДНК-полимераза также может распознать, правильно ли подобраны пары основаниям. Если неправильно, то неподходящее основание отвергается. 47
ДНК-полимераза состоит из двух субъединиц. Одна из них называется синтетической субъединицей и отвечает за построение новой ДНК. 48
Другая субъединица имеет форму бублика и перемещается вверх или вниз на цепи-образце ДНК, как кольцо на карнизе для штор. Эта субъединица, напоминающая скользящий зажим, скрепляет синтетическую единицу фермента с ДНК. Синтез всегда происходит от 5/ -конца к 3/-концу: нуклеотид добавляется к 3/-OH растущей цепи. 49
Одна из этих дочерних молекул берет родительскую левую цепь, а другая дочерняя молекула берет родительскую правую цепь. Такой способ синтеза молекул ДНК называется полуконсервативной репликацией, так каждая из вновь созданных молекул сохраняет половину исходной материнской молекулы ДНК. 50
Поскольку ДНК всегда строится лишь в одном направлении – от 5’-конца к 3’-концу, это означает, что во время репликации ДНК две новые цепи должны синтезироваться в противоположных направлениях. 51
В результате, одна нить создается непрерывно и называется ведущей, или лидирующей, нитью. Другая же собирается из коротких сегментов и называется ведомой, или отстающей нитью. 52
53
Хотя ведущая цепь все увеличивается и увеличивается, отстающая цепь сильно запаздывает. После прохождения через репликационную вилку, отстающая цепь представляет собой короткие отрезки с пустотами между ними. 54
Эти короткие, только что созданные отрезки ДНК, названы фрагментами Оказаки (200 -400 нуклеотидов) в честь открывшего их ученого. Синтезирует запаздывающую цепь ДНК-полимераза-III малыми фрагментами. 55
Но эти фрагменты нужно соединить, чтобы получить сплошную цепь ДНК. Это соединение берут на себя два фермента, выполняющие свои функции один за другим: ДНК-полимераза I и ДНК-лигаза. 56
Моносахарид 57
ДНК-полимераза-I заполняет собой пустоты, а ДНК-лигаза зашивает одноцепочечный разрыв. 58
Удивительно, что ДНК-полимераза сама не способна индуцировать синтез новых цепей, а может только добавлять звенья к уже имеющейся цепи. Еще более удивительно то, что новые цепи начинают синтез с короткого отрезка, но не ДНК, а РНК! 59
Эти короткие участки РНК называются затравкой, или праймером, а фермент, который начинает синтез новых звеньев построением РНК-затравки называется праймазой. Праймаза индуцирует репликацию всей лидерной цепи, а в отстающей - в каждом фрагменте Оказаки праймаза инициирует репликацию праймера. 60
При каждом строительстве нового фрагмента ДНК, праймаза внедряется и выделяет короткую РНК затравку, чтобы начать процесс синтеза. И только после этого ДНК-полимераза-I начинает наращивать цепь. 61
РНК-затравка-праймер удаляется / - 3/ экзонуклеазой. РНКазой H и 5 После прохождения через репликационную вилку, двуцепочечная молекула ДНК автоматически сворачивается в спираль. 62
63
Репликация ядерной ДНК происходит в определенный период жизненного цикла клетки – синтетический период интерфазы. Ауторепродукция хромосом и последующее за ней деление клетки направлены на то, чтобы дочерние клетки получили всю полноту генетической информации, имеющуюся в исходной родительской клетке. 64
В 2001 году американский микробиолог Леланд Хартвелл и два англичанина: биохимик Тимоти Хант и молекулярный биолог Пол Нерс получили Нобелевскую премию в области медицины и физиологии за «ОТКРЫТИЕ КЛЮЧЕВЫХ РЕГУЛЯТОРОВ КЛЕТОЧНОГО ЦИКЛА» . 65
Леланд Хартвелл Lela Hartwell Дата рождения: 30 октября 1939 (74 года) Место рождения: Лос-Анджелес, Калифорния Страна: США Научная сфера: биология Альма-матер: Калифорнийский технологически институт, Массачусетский технологический институт Награды и премии Премия Ласкера (1988), Нобелевская премия по физиологии или медицине (2001 66
• Ричард Тимоти Хант • англ. Sir Richard Timothy (Tim) Hunt • Дата рождения: • 19 февраля 1943 (71 год) • Место рождения: • Нестон, Чешир, Англия • Страна: • Великобритания • Научная сфера: • биохимия • Награды и премии • Нобелевская премия по физиологии и Медицине. 67
• Пол Нерс • англ. Sir Paul M. Nurse • британский биохимик, лауреат Нобелевской премии в области медицины и физиологии 2001 года, награждённый за открытие регуляции клеточного цикла эукариот циклином и циклинзависимыми киназами. Президент Королевского общества. Википедия • Родился: 25 января 1949 г. (65 лет), Норидж, Великобритания • Образование: Университет Ист. Англии (1973 г. ), Бирмингемский университет (1970 г. ) • Награды: Нобелевская премия по физиологии или медицине 68
Они заслужили столь высокую оценку своих трудов тем, что независимо друг от друга, используя разные подходы и методы, изучили механизмы размножения, которые присущи каждой из ста тысяч миллиардов клеток. 69
Эти ученые открыли гены, индуцирующие первые стадии клеточного деления. Выявлен и идентифицирован белок, кодируемый этими генами, и, наконец, обнаружены и изучены биологические регуляторы активности этого белка. 70
Специфический белок, кодируемый этим геном, активные биомолекулы – циклины, строение и свойства которых впервые изучены и описаны. 71
Воздействуя на эти цели, можно добиться предотвращения бесконтрольного клеточного деления или даже восстановления нормального ритма клеточного деления, то есть излечения рака. 72
Прекрасным примером такого рода является рождение на свет и внедрение в лечебную практику первого препарата для лечения хронической миеловидной лейкемии – «STI-571» (другое название «Гилмек» ). 73
«Гилмек» блокирует сигналы, которые несет патогенный белок, и тем самым предотвращает возникновение, созревание и рост злокачественных лейкоцитов. Препарат не препятствует синтезу самого этого белка, а лишь блокирует его сигналы, но этого оказывается достаточным для того, чтобы оказать выраженный лечебный эффект при таком тяжелом заболевании, каким является хроническая миелоидная лейкемия. 74
В принципах самовоспроизведения молекул ДНК заложена основа устойчивого сохранения всей специфики генетической информации данного вида и данной особи. 75
У некоторых вирусов, генетический аппарат которых представлен РНК, а не ДНК, как у других живых организмов, имеется специальный фермент, который позволяет осуществлять такой обратный процесс, как синтез ДНК на РНК. Этот фермент получил название обратная транскриптаза, или ревертаза. 76
В 1997 году Нобелевская премия 28. 05. 1942 была вручена Стэнли Прузинеру за открытие белковых инфекционных частиц, вызывающих такое заболевание, как, например, болезни «коровьего бешенства» , или почесухи. Эти частицы были названы прионами. Проникая в клетку- хозяина, прионы «навязывают» свою болезнетворую конформацию (измененную пространственную структуру) нормальным белкам – аналогам, содержащимся в клетках. При этом ни РНК, ни ДНК никак не участвуют в развитии заболевания. 77
Иными словам, прионовых заболеваниях информация передается не от одной нуклеиновой кислоты к другой нуклеиновой кислоте, а от белка к белку, что в исходном варианте центральной догмы не предусматривалось. Однако все эти дополнения в «центральную догму» молекулярной биологии не повлияли принципиально на ее общую закономерность. 78
Благодарю за внимание! 79
80
Скачать презентацию 1 ГБОУ ВПО Сам ГМУ Минздрава России
2. Наследственный характер генетической информации. Воспроизведение на молекулярном и клеточном уровнях.pptx