Главная

Популярная публикация

Научная публикация

Случайная публикация

Обратная связь

ТОР 5 статей:

Методические подходы к анализу финансового состояния предприятия

Проблема периодизации русской литературы ХХ века. Краткая характеристика второй половины ХХ века

Ценовые и неценовые факторы

Характеристика шлифовальных кругов и ее маркировка

Служебные части речи. Предлог. Союз. Частицы

КАТЕГОРИИ:






Краткие сведения о структуре ДНК




1. Мономером является нуклеотид, который состоит из нуклеозида и остатка фосфорной кислоты. Нуклеозид, в свою очередь, состоит из азотистого основания и сахара (дезоксирибозы, которая относится к пентозам).

Азотистые основания:

Пурины: аденин и гуанин (в молекуле 2 гетероцикла: 6- и 5- членные).

Пиримидины: тимин, цитозин и урацил (в молекуле одно 6 – членное кольцо).

В 1949 – 1951 гг. группа американских ученых под руководством Эдвина Чаргаффа установила важные закономерности химического состава ДНК, которые были названы правилами Чаргаффа:

1) Содержание пуринов (А+Г) = содержанию пиримидинов (Т+Ц).

2) Содержание А = содержанию Т.

3) Содержание Г = содержанию Ц.

2. Нуклеотиды образуют полинуклеотидные цепи: углеродный атом в 5' – положении дезоксирибозы одного нуклеотида через остаток ортофосфорной кислоты соединяется с углеродным атомом в 3' – положении соседнего нуклеотида. Число полинуклеотидных цепей равно двум. Антипараллельность противоположная ориентация двух цепей.

3. Каждая цепь образует спираль по 10 пар оснований в каждом витке; длина одного витка – 3,4 нм. Диаметр спирали – 1,7 нм.

4. Цепи закручены одна вокруг другой, и обе вместе - вокруг общей оси. Такая спираль называется плектонемически закрученной, т. е. её компоненты нельзя разделить без раскручивания. Спираль имеет одну мелкую бороздку (шириной 12 А)и одну глубокую (шириной 22 А).

5. Молекулы сахара и фосфатные группировки находятся снаружи спирали (это сахаро – фосфатный остов), а основания – внутри, где они расположены с интервалом 0,34 нм под прямым углом к оси молекулы.

6. Цепи удерживаются вместе водородными связями между основаниями (2 связи между А и Т, 3 – между Г и Ц).

7. Пары, образуемые основаниями, всегда специфичны (А соответствует Т, а Т – А и Г соответствует Ц, а Ц – Г); т. е. основания и цепи комплементарны друг другу (принцип дополнения: если известна последовательность одной цепи, то легко предсказать последовательность другой).

8. Последовательности нуклеотидов – это и есть та информация, которая определяет структуру белков и их уникальность.

9. Существуют 5 форм ДНК:

- В – форма, правозакрученная (при движении вдоль оси вверх спирали поворачиваются вправо); основное состояние ДНК в кристаллах и растворе;

- А – форма, правозакрученная, более плотно упакованная, чем
В – форма; ДНК переходит в эту форму при транскрипции, в месте контакта с РНК-полимеразой;

- Z – форма – левозакрученная; образуется в плазмидах при суперспирализации и в междисках политенных хромосом дрозофилы;

- С – форма – правозакрученная, по степени растянутости промежуточнач между А и В; существует при пониженной концентрации Na и влажности 44-66 %;

- D – форма – правозакрученная, закручена сильнее, чем В-ДНК и имеет глубокий малый желоб (удобную полость для воды и ионов); встречается только в АТ-богатых участках фага Т2.

Пространственную структуру ДНК расшифровали в 1953 г.:

Джеймс Уотсон (р. 1928 г.) – американский биохимик,

Френсис Крик (р. 1916 г.) – английский физик,

Морис Уилкинс (р. 1916 г.) – английский физик (рентгеноструктурный анализ ДНК).

Они предложили пространственную модель ДНК в виде двойной спирали, за что в 1962 г. стали лауреатами Нобелевской премии.

 

Репликация ДНК

Репликация – процесс удвоения молекул ДНК. Он основан на следующих принципах:

1. Комплементарность – каждая дочерняя нить образуется по матрице, которой служит материнская нить.

2. Полуконсервативность – в каждой дочерней двойной спирали одна нить старая, т. е. половина материнской молекулы «законсервирована» в дочерней. Возможными моделями были также консервативная и дисперсионная (из фрагментов). В 1958 г. М. Мезелсон, Ф. Сталь и Д. Виноград доказали существование полуконсервативного механизма на основании опытов центрифугирования ДНК E.сoli, меченной изотопами 15N и 14N, в градиенте концентрации Cs Cl.

3. Антипараллельность. Две комплементарные нити синтезируются в противоположных направлениях. ДНК – полимераза III, которая осуществляет синтез новой цепи, движется по материнской нити только от 3' – конца к 5' – концу, т. е. синтез двух новых цепей идет в противоположных направлениях. Новая же нить наращивается всегда от 5' – к 3' – концу.

4. Прерывистость. Двойная спираль должна быть раскручена, чтобы сработала ДНК – полимераза, но вся огромная хромосома не может быть раскручена из одной точки, т.к. временные и энергетические затраты были бы слишком велики. Поэтому раскручивание и репликация начинается одновременно в нескольких местах, которые называются точками начала репликации ( origin). На самом деле это не точки, а участки ДНК протяженностью 300 п. н., узнаваемые специфическими белками. Двойная цепь ДНК, начиная от локуса ori, разделяется на 2 цепи под действием фермента ДНК – геликазы (рвёт водородные связи). Процесс идет в двух противоположных направлениях с образованием двух репликационных вилок (между ними – репликационный глазок).

Образующиеся одинарные цепи стабилизируются SSB - белками, связывающими однонитевую ДНК (от англ. single – strand DNA – binding proteins), которые «садятся» на остовы цепей. Тетрамер этого белка связывается с участком ДНК протяженностью 32 нуклеотида. Более 200 молекул белка присутствует в каждой репликационной вилке.

Расхождение спирально закрученных цепей родительской ДНК обусловливает образование суперспиралей (супервитков) перед репликационной вилкой, это вызывает напряжение в молекуле ДНК и должно было бы приводить к скорой остановке процесса. Однако этого не происходит благодаря действию фермента ДНК – гиразы (относится к классу ДНК – топоизомераз). Он разрывает одну из цепей родительской ДНК, связываясь с ней ковалентно; далее происходит вращение обрывка этой цепи вокруг неразорванной второй цепи и снятие напряжения. После этого происходит отсоединение ДНК – гиразы и восстановление фосфодиэфирной связи разорванной цепи.

Синтез дочерних цепей ДНК осуществляет фермент ДНК – полимераза III; мономерами являются дезоксирибонуклеозидтрифосфаты (дНТФ), которые связываются друг с другом ковалентно и отдают в раствор (точнее, в кариоплазму) пирофосфат.

Однако ДНК – полимераза не может начинать синтез путем соединения двух первых нуклеотидов; она лишь может пришивать очередной дНТФ к 3' – ОН – концу уже имеющейся дочерней цепочки определенной длины, т. е. нужна некая «затравка». Поэтому репликационная вилка является асимметричной: из двух синтезируемых цепей одна («лидирующая») строится непрерывно, ее синтез идет быстрее, затравкой служит 3' – конец другой материнской цепи в точке начала репликации.

Другая цепь называется запаздывающей, или отстающей, т. к. она растет путем сборки из отдельных фрагментов, которые называются фрагментами Оказаки; их длина:

1000…2000 нуклеотидов у прокариот и

100…200 нуклеотидов у эукариот.

Фрагменты Оказаки синтезируются в «разрешенном» направлении (от 5' – к 3' – концу), но с участием РНК – затравок, или праймеров. Роль затравок выполняют короткие последовательности РНК (около 10 рибонуклеотидов), образующиеся на матричной цепи ДНК с помощью РНК – праймазы. Праймаза связывается с ДНК – геликазой и ДНК, образуя некий комплекс – праймосому, и синтезирует на отстающей цепи РНК – затравку. Эта затравка удлиняется за счет действия ДНК – полимеразы I, которая затем отделяется от ДНК.

После этого ДНК – полимераза III удаляет РНК – затравку и одновременно заполняет бреши ДНК - нуклеотидами. После замены всех нуклеотидов РНК на нуклеотиды ДНК остается разрыв между соседними фрагментами Оказаки, который «сшивается» ДНК – лигазой. Интересно, что отстающая цепь изгибается так, что ее ДНК – полимераза III образует комплекс с ДНК – полимеразой лидирующей цепи («модель тромбона»). Весь этот сложно организованный комплекс цепей нуклеиновых кислот и ферментов называют репликационной машиной, или реплисомой.

Скорость репликации:

~1000 нуклеотидов в секунду у прокариот,

~100 нуклеотидов в секунду у эукариот.

Участок ДНК между точкой начала репликации (ori) и точкой ее окончания (сайт терминации, ter) называется репликоном. Для терминации необходим специальный белок (продукт гена tus), который узнает последовательности ter и предотвращает дальнейшее продвижение вилки репликации.

У бактерий хромосома представляет собой один репликон, в эукариотической хромосоме имеются десятки репликонов.

В бактериальной клетке процесс синтеза ДНК ведут 15 разных ферментов, в эукариотической клетке их еще больше. Сложность и координированность процессов репликации ДНК обеспечивают точность воспроизведения генетической информации.

Исследовал механизмы репликации американский биохимик Артур Корнберг (р. 1918 г.), который в 1957 г. обнаружил у E.сoli фермент
ДНК–полимеразу I. Получил Нобелевскую премию в 1959 г. за открытие механизма биосинтеза ДНК.


Лекция № 2

Тема лекции: Наследственная информация и её реализация в клетке

(продолжение)

План лекции:

1. Генетический код

2. Транскрипция

3. Особенности строения и созревания и-РНК

4. Биосинтез белка

5. Регуляция транскрипции и трансляции

 

Генетический код

В клетке передача генетической информации осуществляется в следующем направлении: ДНКи–РНКбелок (это центральная догма молекулярной биологии, предложенная Френсисом Криком в 1958 г.)

Каким же образом происходит перевод информации с «языка» нуклеотидов (их 4) на «язык» аминокислот (их 20), из которых построены белки?

Для этого служит генетический код – система записи информации о последовательности аминокислот в белках с помощью последовательности нуклеотидов в нуклеиновых кислотах.

Свойства генетического кода:

1. Код триплетен. Каждая аминокислота из 20 зашифрована последовательностью из трёх нуклеотидов, которая называется триплет, или кодон (т. е. это слово из трех букв, а букв всего четыре).

Если бы слова состояли из одной буквы, то можно было бы зашифровать всего четыре аминокислоты (41);

если из двух букв, - то получается 42 = 16 аминокислот, т. е. этого недостаточно.

Поэтому кодоны и состоят из трех букв, что обеспечивает возможность зашифровать 43 = 64 аминокислоты, а их всего 20. Получается, теоретически, что 44 комбинации – лишние, однако в реальности им тоже нашлось применение. В начале 50-х гг. предположение о триплетности кода высказал математик Георгий Гамов.

2. Код вырожден (избыточен). Каждая аминокислота шифруется более чем одним кодоном (от двух до шести). Исключение составляют 2 аминокислоты: метионин (АУГ) и триптофан (УГГ), каждая из них кодируется только одним триплетом. В этом есть особый смысл.

3. Код однозначен. Каждый кодон шифрует только определенную аминокислоту. Этим обеспечивается строгая воспроизводимость генетической информации, напротив – замена хотя бы одной буквы (мутация) может привести к тяжелому заболеванию.

4. Непрерывность: считывание происходит непрерывно, триплет за триплетом, без пропусков. Имеются особые сигналы окончания трансляции: стоп – кодоны (УАА, УАГ, УГА).

5. Неперекрываемость: соседние триплеты не перекрываются; каждый нуклеотид входит в состав только одного триплета.

6. Код универсален почти для всех живущих на Земле организмов!!!

Расшифровали генетический код в 1961 г. Р. Холли, Х. Корана и М. Ниренберг (Нобелевская премия в 1968 г.).

 

Транскрипция

ДНК находится в ядре. Сборка белков происходит на рибосомах, которые находятся в цитоплазме и на мембране шероховатой эндоплазматической сети (ЭПС).

Как передается информация от ДНК на рибосому? – Для этого в клетке существует специальный посредник, или посланник (от англ. messenger) – информационная РНК (и – РНК). Информация переписывается с ДНК на
и – РНК, которая затем проникает через поры ядерной мембраны и по каналам ЭПС достигает рибосом.

Процесс переписывания генетической информации с ДНК на и – РНК называется транскрипцией (от лат. transcriptio – переписывание). Осуществляет транскрипцию фермент РНК – полимераза. У прокариот это один фермент, включающий субъединицы 2α, β, β’ и σ.

У эукариот имеются уже 3 фермента: РНК – полимераза I, которая осуществляет синтез крупных рибосомальных РНК (рРНК) в ядрышке;
РНК – полимераза II, отвечающая за синтез и-РНК, а также РНК – полимераза III, которая находится в ядерном соке и отвечает за синтез малых рРНК и транспортных РНК (тРНК).

И-РНК – однонитевая молекула. Синтез и – РНК также подчиняется принципу комплементарности, как и в случае репликации ДНК, только вместо тимина в РНК входит урацил. Длина и – РНК в сотни раз меньше длины ДНК.

Транскрипция состоит из 3-х стадий:

1. Инициация (начало синтеза) – РНК-полимераза узнает промотор (участок ДНК, имеющий сродство к данному ферменту; это «посадочная площадка» для него). Матрицей для синтеза и – РНК может служить лишь одна из цепей ДНК, которая называется матричной, другая цепь называется кодогенной. РНК – полимераза «садится» на матричную цепь, раскручивает ближайший виток спирали ДНК и «ползет» по ней в направлении от 3' – к 5' – концу. Образующаяся цепь РНК наращивается от 5' – к 3' – концу.

Первым нуклеотидом в и – РНК всегда является пуриновый: аденин или, редко, гуанин, т. к. стартовыми кодонами служат АУГ или ГУГ.

2. Элонгация (удлинение цепи). Скорость элонгации у прокариот – 14 кодонов в секунду (при температуре 37 0С). При этом скорость трансляции почти такая же, т. е. 15 аминокислот в секунду.

3. Терминация – обрыв цепи. Терминатор транскрипции – специфичная последовательность ДНК, которую узнает РНК - полимераза и отделяется как от ДНК, так и от РНК. В прокариотических клетках терминаторы обязательно содержат палиндромы (инвертированные повторы). При синтезе комплементарной им последовательности рибонуклеотидов в и-РНК последняя образует шпильку за счет спаривания повторяющихся последовательностей. Шпилька служит для РНК – полимеразы сигналом терминации. Кроме того, за палиндромом располагаются области ДНК, богатые А – Т парами. Образующаяся поли –У– цепочка РНК слабо взаимодействует с такой матричной цепью и легко обрывается. У эукариот палиндромы в области терминации не выявлены, но А – Т – участки тоже есть.

 






Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском:

vikidalka.ru - 2015-2024 год. Все права принадлежат их авторам! Нарушение авторских прав | Нарушение персональных данных