Молекулярные основы наследственности Реализация генетической информации План

Молекулярные основы наследственности Реализация генетической информации

План: 1. 2. 3. 4. o o Доказательства химической природы гена Строение молекулы ДНК Механизм репликации ДНК Реализация генетической информации: биосинтез белка в клетке. а) механизм транскрипции Б) процессинг В)генетический код и его свойства Г) трансляция: этапы, механизм

Химическая природа гена: история вопроса o 1861 г – Мендель – за признаки организмов o o отвечают материальные структуры – наследственные факторы 1869 г. – Мишер – в клетках гноя открыл ДНК 1889 г. – Альтман – хромосомы состоят из нуклеиновых кислот и белков 1909 г. – Иогансен предложил понятие «ген» 1915 г. – Морган – гены находятся в хромосомах

Николай Константинович Кольцов Ген имеет химическую природу o Свойства: 1. Универсальность 2. Высокомолекулярность 3. Авторепродукция 4. Большое разнообразие o

Доказательства нуклеиновой природы гена Косвенные: o 1924 г. – реакция Фельгена – ДНК естьво всех живых организмах o Удвоение массы ДНК перед делением клетки и ее точное распределение при митозе Прямые: o Опыты по трансформации у пневмококков (Грифитс 1928 г. ) o Опыты по трансдукции (Ледерберг 1952 г. ) o Опыты по гибридизации вирусов

Строение ДНК o Нуклеиновые кислоты – высокомолекулярные органические вещества o Являются генетическим материалом у всех живых организмов. o Мономером является нуклеотид

Строение нуклеотида o Углевод (дезоксирибоза) o Азотистое основание o Остаток фосфорной кислоты

ДНК: А=Т, Г=Ц РНК: А=У, Г=Ц

Строение ДНК o Первичная структура –число и посдедовательность нуклеотидов. Нуклеотиды соединяются друг с другом за счет фосфодиэфирной связи. При этом фосфорная кислота одного нуклеотида взаимодействует с ОН-группой дезоксирибозы другого нуклеотида. Конец цепи, на котором находится фосфорная кислота называется 5‘ –конец, конец цепи, где находится реакционно способная ОН-группа у третьего атома углерода дезоксирибозы - 3‘конец.

Вторичная структура ДНК Молекула ДНК состоит из двух нуклеотидных цепей, образующих двойную правозакрученную спираль. Диаметр спирали 2 нм, на один виток спирали приходится 10 пар нуклеотидов, длина шага спирали 3, 4 нм. o Цепи удерживаются вместе благодаря образованию водородных связей между азотистыми основаниями. Между А и Т – две связи, между Г и Ц – три связи. o Цепи антипараллельны, т. е. напротив 5‘-конца одной цепи расположен 3‘ – конец другой цепи (голова к хвосту). o Вторичная структура ДНК была расшифрована в 1953 году Уотсоном и Криком. o

Вторичная структура ДНК

Реакции матричного синтеза o o o 1. 2. 3. 4. Это реакции, где синтез одной химической молекулы запрограммирован другой молекулой, которая выполняет функцию матрицы Относятся: репликация, транскрипция, трансляция Выделяют 4 этапа: Инициация – начало, запуск синтеза Элонгация – удлинение цепи полимера Терминация – окончание синтеза Модификация – изменение молекулы после синтеза

Репликация ДНК Механизм предсказан Уотсоном и Криком Принципы: o Полуконсервативность o Матричность o Комплементарность o Антипараллельность Этапы: 1. Инициация 2. Элонгация 3. Терминация 4. Модификация

Механизм репликации o Вилка репликации o ДНК-топоизомераза – o o надрезает одну из цепей ДНК Геликаза – разрезает водородные связи между нуклеотидами Гираза – раскручивает двойную спираль ДСБ (ДНК-связывающие белки)- препятствуют соединению нуклеотидных цепей ДНК-полимеразы –строят дочерние нуклеотидные цепи

Механизм репликации o Синтез идет в направлении 5‘→ 3‘ o Праймаза - синтезирует РНК-затравку (праймер) o Рибонуклеаза Н – вырезает праймеры после окончания синтеза

o Синтез идет в противоположных направлениях o Цепь, где направление 5‘→ 3‘ совпадает с движением геликазы называется лидирующая (синтез идет непрерывно) o Цепь, где направление 5‘→ 3‘ противоположно движению геликазы – запаздывающая (синтез идет фрагментарно – фрагменты Оказаки)

Репликон o Репликация начинается сразу в нескольких точках. o Участок ДНК от одной точки начала репликации до другой образует единицу репликации – репликон. o Хромосома прокариот образует один репликон, хромосома эукариот представляет собой большое число репликонов

Биосинтез белка o Последовательность расположения аминокислот в белке определяется последовательностью нуклеотидов в ДНК. o Ген - участок ДНК, содержащий информацию о первичной структуре одной белковой молекулы o Процесс биосинтеза белка можно назвать реализацией генетической информации

Этапы биосинтеза белка o Синтез белка осуществляется по схеме 1 2 ДНК → РНК→ белок o Биосинтез белка включает два этапа: транскрипцию (1) и трансляцию (2).

РНК o В биосинтезе белка принимает участие три вида РНК: o и-РНК - информационная. Содержит информацию о первичной структуре белка. o р-РНК – рибосомная. Входит в состав рибосом o т-РНК – транспортная. Транспортирует аминокислоты к рибосомам. o Все виды РНК синтезируются путем реакций матричного синтеза на ДНК по принципу комплементарности. Этот процесс переписывания информации с ДНК на РНК называется транскрипцией.

Транскрипция 1. 2. 3. 4. Этапы: Инициация Элонгация Терминация Процессинг (Модификация)

Механизм транскрипции сходен с механизмом репликации ДНК. Фермент РНК-полимераза узнает специальную последовательность нуклеотидов - промотор, взаимодействует с ним (этап инициации) и начинает синтез РНК по принципу комплементарности (этап элонгации). Синтез заканчивается, когда РНК-полимераза доходит до терминатора (этап терминации). Синтез РНК идет только на одной цепи ДНК. Она называется кодогенной. Вторая цепь называется антисмысловой

Транскрипция (фотография под трансмиссионным электронным микроскопом). Begin — начало транскрипции, End — конец транскрипции, DNA — ДНК.

Участок ДНК, участвующий в одном акте транскрипции называется транскриптон. Промотор Опера тор Структурный ген экзон интрон экзон терми натор

Созревание пре-и. РНК называется процессингом. • Пре-и. РНК кроме участков, несущих информацию о первичной структуре белка (экзоны), содержит участки, не несущие информации (интроны). В ходе процессинга происходит вырезание интронов и сшивание экзонов (сплайсинг). Кроме сплайсинга в ходе процессинга происходит защита концевых участков и. РНК. К «головному» (5 конец) концу присоединяется кэп-стуктура (ГТФ – гуанозинтрифосфат), а к «хвостовому» концу (3 концу) – поли-А (множество адениловых нуклеотидов). В таком виде зрелая и. РНК поступает из ядра в цитоплазму.

Транляция o это непосредственная сборка молекулы белка из аминокислот, или перевод информации с языка нуклеотидов и. РНК на язык аминокислот молекулы белка.

Генетический (биологический) код o Это система записи информации об аминокислотной последовательности белка с помощью нуклеотидной последовательности ДНК или РНК.

Свойства генетического кода: 1. Триплетность – одну АМК кодируют три последовательно 2. 3. 4. 5. 6. 7. расположенных нуклеотида – триплет (или кодон). Избыточность (вырожденность) – в состав белка входит 20 аминокислот, а число возможных триплетов из четырех разных нуклеотидов 43 = 64, то есть каждая АМК кодируется несколькими триплетами, которые обычно различаются по последнему нуклеотиду. Однозначность (специфичность) – каждому триплету соответствует только одна АМК. Неперекрываемость – информация начинает считываться с определенной точки, и каждый нуклеотид входит только в один триплет. Непрерывность - отсутствие запятых. Триплеты никак не отделены друг от друга. При выпадении нуклеотида его место занимает следующий. Происходит сдвиг рамки считывания. Универсальность – генетический код одинаковый у всех живых организмов, то есть одни и те же триплеты кодируют одни и те же аминокислты. Коллинеарность – точное соответствие последовательности расположения триплетов в ДНК и АМК в белке.

Трансляция o o 1. 2. В ней принимают участие: и-РНК, рибосомы, т-РНК, аминокислоты. Условно трансляцию делят на два этапа: цитозольный рибосомальный.

1. Цитозольный o заключается в активации аминокислот и их присоединении к т. РНК. o Молекула т_р. РНК имеет форму листа клевера. В ней два активных центра. Один из них – антикодон – Он отвечает за взаимодействие т. РНК с и-РНК и рибосомой. Второй активный центр – акцепторная ветвь – отвечает за взаимодействие с АМК. o Присоединение АМК к т-РНК осуществляется с помощью специального фермента – аминоацил-т-РНК-синтетазы. При этом затрачивается одна молекула АТФ. Образующийся комплекс называется аминоацил-т. РНК (а-а-т. РНК).

Рибосомальный этап – протекает на рибосомах. Схема РНК-связывающих участков рибосомы. o А — аминоацильный участок o Р — пептидильный участок, o Е — участок отсоединения т. РНК от рибосомы o Рибосомы – мелкие органоиды, состоящие из двух субъединиц – большой и малой. o В рибосоме выделяют два активных центра, связывающих т-РНК: 1. аминоацильный (А-центр) – отвечает за присоединение т-РНК с аминокислотой 2. пептидильный (П-центр) – в нем находится т-РНК с цепочкой аминокислот, связанных пептидной связью. o

Инициация o. Инициация – образование инициирующего комплекса. o. К 5‘ –концу И-РНК присоединяется малая субъединица рибосомы. o. При этом стартовый кодон АУГ располагается в пептидильном участке рибосомы. o. Со стартовым кодоном связывается инициирующая т. РНК, несущая аминокислоту метионин. o. Далее к образовавшемуся комплексу присоединяется большая субъединица рибосомы. Связыванию субъединиц способствуют ионы магния.

Элонгация o В аминоцильный центр рибосомы поступает т-РНК с аминокислотой. Между АМК образуется пептидная связь и обе АМК оказываются на второй т. РНК. Рибосома делает шаг вперед. При этом происходит выбрасывание свободной т. РНК. Транспортная РНК с цепочкой аминокислот переходит в пептидильный центр рибосомы, а в освободившийся аминоацильный центр приходит новая т-РНК с новой аминокислотой.

Терминация Элонгация продолжается до тех пор, пока в А-центр не попадет стоп-кодон, не кодирующий никакую АМК. Наступает терминация. Образовавшийся пептид отделяется от рибосомы.

Обобщенная схема синтеза белка

Схема биосинтеза белка

Регуляция активности генов o Гипотеза оперона – Ф. Жакоб и Р. Моно

Лактозный оперон

Работа лактозного оперона

Работа лактозного оперона