Молекулярная биология область науки занимающаяся исследованием биополимеров

Молекулярная биология – область науки, занимающаяся исследованием биополимеров, их компонентов и комплексов, структуры и функции генов и геномов.

В 1869 году Мишер выделил ядра из белых кровяных клеток и продемонстрировал, что они содержат новое фосфорорганическое соединение ( «нуклеин» ) К концу 19 века нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК) были очищены и началось их изучение В 30 годы 20 века было показано, что нуклеиновые кислоты состоят из сахара (рибоза или дезоксирибозы и четырех (пяти) типов азотсодержащих оснований. Было также показано, что основания кофалентно связаны с остатком сахара

Пуриновое или пиримидиновое основание Фосфат Пентоза Рибоза OH ribose H deoxyribose Дезоксирибоза Нуклеозид Нуклеотид

ПУРИНЫ Пурин Аденин Гуанин ПИРИМИДИНЫ Пиримидин Цитозин Урацил Тимин

Цепь ДНК имеет направление

В доказательстве генетической роли ДНК ключевую роль сыграли две группы экспериментов: 1. Демонстрация того, что при трансформация бактерий носителем информации является ДНК Griffits (1928) трансформация бактерий Avery, Mac. Leod, Mc. Carty (1944) Демонстрация того, что трансформирующим агентом является ДНК 2. Демонстрация того, что при фаговой инфекции в клетку вводится ДНК (Hershey and Chase, 1952)

Заражение мышей смесью невирулентного штамма пневмококка и инактиктивированного вирулентного штамма приводит к гибели мышей (Гриффитс, 1928) Вместо инактивированного вирулентного штамма с тем же эффектом может быть использован препарат очищенной ДНК из этого штамма (Эйвери, 1944) Вирулентный штамм S (smooth) Вирулентный штамм S, инактивированный нагреванием Невирулентный штамм R (rough)

Hershey-Chase Experiment 1952 Бактериофаги состоят из ДНК и белка. Для выяснения того, какой из этих компонетнов представляет собой генетический материал, белки были помечены 35 S а ДНК – 32 P. Оказалось, что в клетку проникает только 32 P (ДНК). Меченая 32 P ДНК присутствует и в новообразованных вирусных частицах Bacteria cell DNA Protein Coat

Созданию модели молекулы ДНК предшествовал ряд важных наблюдений Правила Чаргаффа: А=Т Г=С Открытие альфа-спиральных структур в белках Получение дифракционных рентгеновских снимков ДНК

Rosalind Franklin Толщина спирали позволяла предположить, что она состоит из двух или трех Крестообразное расположение дифракционных пятен служило прямым цепей ДНК на структуру в виде спирали, построенной из однотипных блоков указанием Анализ данной рентгенограммы позволяет рассчитать шаг спирали (0. 34 нм) Совершенно не ясным (10 блоков вопрос о происхождении однотипных блоков и её периодичность оставался на виток)

Возможны и другие типы спаривания азотистых оснований, но при этом не получается единообразных блоков

Модель Уотсона – Крика (B форма ДНК) 5’-P 3’-OH большая бороздка малая бороздка 3’-OH 5’-P цепи антипараллельны

1962: Нобелевская премия по физиологии и медицине James D. Watson Francis H. Crick Maurice H. F. Wilkins

В форма шаг 33, 2 Å ~10 п. н. на виток А форма шаг 24, 6 Å 10, 7 п. н. на виток Двунитевая РНК и ДНК-РНК гибриды находятся в растворе в А форме отклонение плоскости оснований от горизонтальной правозакрученная спираль -1. 2 +19 ! правозакрученная спираль

Z форма шаг 45, 6 Å ; ~12 п. н. на виток Z форму при определенных условиях принимают поли d. G/d. C последовательности GCGCGCG Последовательности, способные образовывать Z форму, присутствуют в промоторах некоторых генов. В одном случае доказана их значимость Можно получить антитела к Z ДНК. С использованием этих антител было продемонстрировано, что Z ДНК может существовать в живой клетке. Однако, существуют опасения, что сами по себе антитела стабилизируют короткоживущуюоснования В Z ДНК Z форму левозакрученная спираль перевернуты

А форма В форма Z форма

ДНК с параллельными цепями

Вращение одной пары относительно другой Twist Z 3’ X 5’ Tilt Roll Y 5’ 3’

Смещение одной пары относительно другой Rise Shift Slide 3’ Z X 5’ Y 5’ 3’

смещения оснований внутри одной пары

Разные атомы экспонированы в большой и малой бороздках ДНК бол бор ьша озд я ка мал бор ая озд ка

Разные атомы экспонированы в большой и малой бороздках ДНК сахар T T тимин аденин A A G C C G сахар гуанин цитозин сахар

Специфические комбинации донорных и акцепторных сайтов в большой и малой бороздках ДНК узнаются различными белками большая бороздка

Взаимодействия с основаниями (l репрессор)

Hoogsteen pairs stabilize triplex DNA structures N C O H C C C +N H H C N N H N H H C C-H N C C N H O H H N H C N N H N C A protonated cytidine can form two Hbonds to the guanosine of a G-C pair. A CH 3 C C N N O C C O C T C H C N H C CH 3 C N C C O H O C G protonated C H N C C-H H N C C H N O T A thymidine can form two H-bonds to the adenosine of an A-T pair.

Triple helix DNA

Guanine Hoogsteen pairing Base tetraplex

Quadruplex DNA часто присутствует в теломерах, в том числе у человека

Обращенные повторы могут образовывать петли

Крестообразные структуры в ДНК Holliday junction

Суперспирализация ДНК

DNA supercoiling L = linking number = число перекрещивания цепей T = twist = число витков двойной спирали W = writhe = число супервитков L=T+W s = supercoiling density = (L – L 0) / L 0 = DL / L 0 typically s ~ -0. 06 (меньше одного супервитка на 17 витков ДНК)

Для замкнутых кольцевых ДНК «L» (Linking number) постоянен (является топологической константой)

Локальное плавление

Бромид этидия интеркалирует в ДНК, уменьшая спирализацию ~ на 26° (разворачивает двойную спираль)

Эффект обработки повышающимися концентрациями интеркалирующего агента на отрицательно суперспирализованную плазмиду скорость седиментации ДНК W<0 концентрация бромида этидия W>0

Топоизомеразы регулируют топологию ДНК Топоизомераза I (eukaryotes, prokaryotes) Topoisomerase II (eukaryotes) Гираза - вносит временные однонитевые разрывы - релаксирует супервитки - вносит временные двунитевые разрывы - релаксирует супервитки, разделяет катенаны - генерирует негативные супервитки, используя энергию АТФ (prokaryotes) Обратная гираза (thermophiles) - генерирует позитивные супервитки

Топоизомераза I – однонитевые разрывы

Топоизомераза II – двунитевые разрывы

Topo II (gyrase) DNA wrapping