Синтез ДНК РНК и белков Синтез ДНК

Синтез ДНК, РНК и белков • Синтез ДНК называется репликацией или редупликацией (удвоением), • синтез РНК – транскрипцией (переписывание с ДНК), • синтез белка, проводимый рибосомой на матричной РНК называется трансляцией, то есть переводом с языка нуклеотидов на язык аминокислот.

Ученые открывшие строение ДНК Джеймс Уотсон (слева), Фрэнсис Крик (справа)

Репликация ДНК • Молекула ДНК, состоящая из двух спиралей, удваивается при делении клетки. Удвоение ДНК основано на том, что при расплетении нитей к каждой нити можно достроить комплементарную копию, таким образом получая две нити молекулы ДНК, копирующие исходную.

Указан один из параметров ДНК, это шаг спирали, на каждый полный виток приходится 10 пар оснований. Один шаг – это не между ближайшими выступами, а через один, так как у ДНК есть малая бороздка и большая. Через большую бороздку с ДНК взаимодействуют белки, которые распознают последовательность нуклеотидов

Репликацию ДНК осуществляет фермент ДНК-полимераза Молекула ДНК антипараллельна, разные ее концы называются 3΄конец и 5΄ – конец. ДНК - полимераза способна наращивать ДНК только на 3΄– конце. .

При синтезе новых копий на каждой нити одна новая нить удлиняется в направлении от 5΄ к 3΄ , а другая – в направлении от 3΄ к 5 -концу

Однако, 5΄ конец ДНК-полимераза наращивать не может. Поэтому синтез одной нити ДНК, той, которая растет в “удобном” для фермента направлении, идет непрерывно (она называется лидирующая или ведущая нить), а синтез другой нити осуществляется короткими фрагментами (они называются фрагментами Оказаки в честь ученого, который их описал). Потом эти фрагменты сшиваются, и такая нить называется запаздывающей, в целом репликация этой нити идет медленней. Структура, которая образуется во время репликации, называется репликативной вилкой

Репликативная вилка

Примечания Еще одной особенностью репликации ДНК (запаздывающей) является то, что ДНК-полимераза не может начать процесс синтеза сама, ей нужна «затравка» . Обычно в качестве такой затравки используется фрагмент РНК. Есть специальная точка называемая origin (исток, начало) репликации, в этой точке находится последовательность, которая распознается ферментом, синтезирующим РНК. Фермент относится к классу РНК-полимераз, и в данном случае называется праймазой.

ДНК-технологии • Показаны изображения ДНК, полученные путем самосборки ДНК (2006 г), Название - ДНК-оригами или ДНК-нанотехнологии

ДНК-технологии-секвенирование или чтения генома • Геномика- наука об исследовании генов организмов. Чтение последовательностей ДНК (секвенирование) и их нанесение на генетические карты. Изучение взаимодействий между генами и аллелями генов, закономерности в эволюции и устройства геномов.

Первый прочтенный ген оболочки бактериофага MS 2 – лаборатория Валтера Файерса 1972 г. Последовательность участка лактозного оперона длиной 24 буквы – Вальтер Гилберт и Аллен Макс 1973 г. Метод терминации цепи – Фредерик Сенгер 1975 г. С помощью этого метода был прочитан первый геном бактериофага длинной 5, 386 нуклеотидов

Основа метода-Сенгера Ф. Он брал терминирующие нуклеотиды, которые, присоединившись к растущей цепи молекулы ДНК, мешали присоединению последующих нуклеотидов, то есть “обрывали” цепь. Далее он брал 4 пробирки, в каждую из которых добавлял все 4 типа нуклеотидов и один тип терминирующих нуклеотидов. Таким образом, в пробирке, где находился терминирующий нуклеотид “А” синтез каждой но молекулы ДНК мог оборваться в любом месте, где должна была встать “А”, в пробирке с терминирующей “G” – в любом месте, г должна встать G и так далее. На гель наносились 4 дорожки из пробирок и по отличиям в полосах можно было сказать, какой нуклеотид следует за каким. Чтобы увидеть полосы, один четырех нуклеотидов (A, T, G или C) метился, с использованием радиоактивных изотопов

СЕНГЕР (Sanger), Фредерик • 1958 г. - премия «за установление структур белков, особенно инсулина» . В Нобелевской лекции Сенгер подчеркнул - «Установление структуры инсулина, безусловно, открывает путь к исследованию других белков, – сказал он. – Можно также надеяться, что изучение белков поможет выявить изменения, которые происходят в организме во время болезни, и что наши усилия могут принести человечеству большую 13 августа 1918 г. – 1997 г. практическую пользу» . Нобелевская премия по химии, 1958 г. Нобелевская премия по химии, 1980

Сенгер в 1973 разработал аналитический метод установления нуклеотидной последовательности • в В 1980 Сенгеру и ДНК. американцу У. Гилберту была присуждена половина Нобелевской премии «за вклад в определение последовательности оснований в нуклеиновых кислотах» . Другая половина премии была присуждена американцу П. Бергу.

Метод Сенгера был существенно улучшен в лаборатории Лероя Худа, где в 1985 -ом году радиоактивную метку смогли заменить светящейся, флюорисцентной меткой. Это дало возможность создать первый автоматический секвенатор: каждая молекула ДНК теперь была покрашена разным цветом в зависимости от того, какой была последняя буква (меченый цветом нуклеотид, обрывающий цепь). Фрагменты разделялись на геле по размерам и машина автоматически считывала спектр свечения поступающих полос, выдавая результаты на компьютер. В результате такой процедуры получается хроматограмма , по которой легко установить последовательность ДНК длинной до 1000 букв

Первым полным геномом клеточного организма стал геном бактерии, вызывающей некоторые формы пневмонии и менингита - Haemophilus influenzae в 1995 -ом году. Геном имел длину 1, 830, 137 нуклеотидов. В 1998 -ом году появляется первый геном многоклеточного животного, круглого червяка Caenorhabditis elegans , с 98 миллионами нуклеотидов

В 2000 -ом году появляется первый растительный геном – Arabidopsis thaliana , родственницы хрена и горчицы. Геном этого растения имеет длину 157 миллионов нуклеотидов.

Сама идея прочитать геном человека родилась в 1986 -ом году по инициативе Департамента Энергии США. Стоимость проекта была оценена в 3 миллиарда долларов, а сам проект был рассчитан на 15 лет при участии в проекте целого ряда стран: Китай, Германия, Франция, Великобритания и Япония. В 1990 -г. Джеймс Уотсон возглавил проект чтения полного генома человека в Институте Национального Здоровья.

Для чтения генома человека использовались так называемые “искусственные бактериальные хромосомы” (BAC – bacterial artificial chromosome). При этом геном разрезают на множество частей, длинной примерно в 150000 тысяч нуклеотидов. Эти фрагменты встраивают в искусственные кольцевые хромосомы, которые встраиваются в бактерии. С помощью бактерий эти хромосомы размножаются, и ученые получают множество копий одного и того же фрагмента молекулы ДНК. Каждый такой фрагмент затем читается отдельно, а прочитанные куски по 150000 нуклеотидов наносятся на карту хромосомы. Данный метод позволяет довольно точно секвенировать геном, однако требует очень больших затрат времени.

Многие полагали, что сложность устройства человеческого организма указывает на наличие у него сотен тысяч генов, а может и несколько миллионов, а, следовательно, разобраться в таком количестве генов, даже если их последовательности удастся прочитать, будет непосильной задачей. Именно в наличии большого количества генов многие предполагали принципиальное отличие человека от других животных – представление, впоследствии опровергнутое проектом генома человека. В 2004 -ом году вышла окончательная версия генома, почти на два года раньше, чем следовало по плану. Было сказано, что количества генов у человека предположительно составляет лишь 20 -25 тысяч. Это число сравнимо с другими животными, в частности с червяком C. elegans.

Дальнейшие темпы секвенирования возрастали экспоненциально. В 2005 -ом году опубликован геном Шимпанзе, который подтвердил потрясающее сходство между обезьянами и человеком, которое видели еще зоологи прошлого. К 2008 -ому году были полностью прочитаны геномы 32 -ух позвоночных, включая кошку, собаку, лошадь, макаку, орангутанга и слона, 3 генома беспозвоночных вторичноротых, 15 геномов насекомых, 7 геномов червяков и сотни геномов бактерий.

Наконец в 2007 -ом первым человеком, для которого прочитали полный индивидуальный геном, стал Крейг Вентер. Год спустя опубликован полный диплоидный геном Джеймса Уотсона. Геном Уотсона обошелся в 1 миллион долларов, то есть цена на чтение геномов упала более чем в 3000 раз за 10 лет, но и это не предел. Сегодня перед учеными стоит задача ‘ 1 геном – 1000 $ - 1 день” и она уже не кажется невыполнимой с появлением новых технологий секвенирования Джеймс Уотсон и Крейг Вентер

Современные методы геномики можно разделить на две группы • Старые методы основаны на всевозможных изощренных способах получения большого количества одинаковых молекул ДНК на определенном носителе, для усиления сигнала при чтении молекулы ДНК. Самые поздние методы основаны на разработке сверхточных приборов, способных анализировать одиночные молекулы

Полимеразная цепная реакция. ПЦР Темно-красным и темно-зеленым показаны прймеры. • Технология была разработана 1984 -1986 гг. Кэри Муллис. Метод позволяет размножить единственную молекулу ДНК до миллиарда копий.

Метод Illumana Solexa - 2005 Красные и синие на ДНК –адаптеры, на стекле они выполняют роль праймеров.

В 2005 г. лабораторий Джорджа Черча была предложена технология 454, основа которой использование шариков размером 44 нм, на которых размножаются молекулы ДНК.

Технология Helicos – 2008 г. Принцип-берем молекулу и читаем. Каждая светящаяся точка отдельная молекула ДНК. Такая система позволяет читать миллиарды нуклеотидов в день.

Технология SMART Pacific Biosciences - чтение одиночных молекул, во время их присоединения к нарастающей цепи ДНК с помощью ДНК полимеразы. (2009 г, Лаборатория Стивена Тернера) На дно ячеек, расположенных на прозрачном стекле, прикрепляются одиночные молекулы ДНКполимеразы Область просвечивается с помощью лазера. В ячейку добавляют нуклеотиды всех 4 -х типов, помеченные разными светящимися маркерами. Во время удвоения ДНК молекула удерживается полимеразой и в сканируемой области и оставляет сигнал. После присоединения нуклеотида светящаяся метка отваливается и уплывает. Таким образом, скорость чтения у такого прибора становится равной скорости работы полимеразы

Синтез белка • Синтез белка - один из основных процессов метаболизма в клетке. Это матричный синтез. Для синтеза белка необходимы ДНК, и. РНК, т. РНК, р. РНК рибосомы, аминокислоты, ферменты, ионы магния, энергия. Основная роль в определении структуры белка принадлежит ДНК.

Код информации • Информация об аминокислотной последовательности в молекуле белка закодирована в молекуле ДНК. Генетический код - это система записи информации о последовательности расположения аминокислот в белках с помощью последовательности расположения нуклеотидов в информационной РНК.

Код РНК • В состав РНК входят нуклеотиды 4 типов: А, Г, Ц, У. В состав белковых молекул входит 20 аминокислот. Каждая из 20 аминокислот зашифрована последовательностью 3 нуклеотидов, называемых триплетом, или кодоном. Из 4 нуклеотидов можно создать 64 различные комбинации по 3 нуклеотида в каждой (43=64).

Свойства генетического кода • 1. Генетический код триплетный • 2. Код вырожден. Это означает, что каждая аминокислота кодируется более чем одним кодоном (от 2 до 6) • 3. Код не перекрывающийся. Это значит, что последовательно расположенные кодоны являются последовательно расположенными триплетами нуклеотидов Кодоны аминокислоты УУЦ УЦУ УУГ фенилаланин серин лейцин

Свойства генетического кода • 4. Универсален для всех клеток (человека, животных, растений). • 5. Специфичен. Один и тот же триплет не может соответствовать нескольким аминокислотам. • 6. Синтез белка начинается со стартового (начального) кодона АУГ, который кодирует аминокислоту метионин. • 7. Заканчивается синтез белка одним из трех стоп-кодонов, не кодирующих аминокислоты: УАГ, УАА, УГА.

Свойства генетического кода • 8. Непрерывность-между триплетами нет знаков препинания, информация считывается непрерывно • 9. Помехоустойчивость Мутации, не приводящие к смене класса кодируемой аминокислоты называют консервативными, мутации приводящие к замене аминокислоты называют –радикальными.

Транскрипция • Транскрипция — синтез РНК на ДНК-матрице • осуществляется РНКполимеразой

Участок ДНК, содержащий информацию о структуре определенного белка, называют геном. Ген непосредственного участия в синтезе белка не принимает. Посредником между геном и белком является информационная РНК (и. РНК). ДНК играет роль матрицы для синтеза и. РНК в ядре клетки. Молекула ДНК на участке гена раскручивается. С одной из ее цепей переписывается информация на и. РНК в соответствии с принципом комплементарности между азотистыми основаниями нуклеиновых кислот. Этот процесс называют транскрипцией. Транскрипция происходит в ядре клетки при участии фермента РНК-полимеразы и с использованием энергии АТФ

Синтез белка • Перевод последовательности триплетов нуклеотидов в молекуле и. РНК в специфическую последовательность аминокислот называют трансляцией. Синтезированная и. РНК выходит через поры в ядерной оболочке в цитоплазму клетки, объединяется с рибосомами, образуя полирибосомы (полисомы). Каждая рибосома состоит из двух субъединиц - большой и малой. и. РНК присоединяется к малой субъединице в присутствии ионов магния

т. РНК • В цитоплазме находятся транспортные РНК (т. РНК). Каждая аминокислота имеет свою т. РНК. У молекулы т. РНК на одной из петель имеется триплет нуклеотидов (антикодон), который комплементарен триплету нуклеотидов на и. РНК (кодону).

Синтез белка

кодон Структуры, участвующие в синтезе белка

Трансляция Аминокислоты, находящиеся в цитоплазме, активируются (взаимодействуют с АТФ) и с помощью фермента аминоацил-т. РНК-синтетазы присоединяются к т. РНК. Первый (стартовый) кодон и. РНК - АУГ - несет информацию об аминокислоте метионине. К этому кодону подходит молекула т. РНК, содержащая комплементарный антикодон и несущая первую аминокислоту метионин. Это обеспечивает соединение большой и малой субъединиц рибосомы. Второй кодон и. РНК присоединяет т. РНК, содержащую антикодон, комплементарный этому кодону. т. РНК содержит вторую аминокислоту. Между первой и второй аминокислотами образуется пептидная связь. Рибосома прерывисто, триплет за триплетом, перемещается по и. РНК. Первая т. РНК освобождается и выходит в цитоплазму, где может соединяться со своей аминокислотой.

Трансляция -схема