Строение ДНК-молекулы
Открытие ДНК молекулы произошло в 1953 году. Френсис Крик и Джеймс Уотсон открыли структуру двойной спирали ДНК, их работа впоследствии была отмечена Нобелевской премией.
ДНК представляет собой двойную нить, скрученную в спираль. Каждая нить состоит из «кирпичиков» — из последовательно соединенных нуклеотидов. Каждый нуклеотид ДНК содержит одно из четырёх азотистых оснований — гуанин (G), аденин (A) (пурины), тимин (T) и цитозин (C) (пиримидины), связанное с дезоксирибозой, к последней, в свою очередь, присоединена фосфатная группа. Между собой соседние нуклеотиды соединены в цепи фосфодиэфирной связью, образованной 3’-гидроксильной (3’-ОН) и 5’-фосфатной группами (5’-РО3). Это свойство обуславливает наличие полярности в ДНК, т. е. противоположной направленности, а именно 5’- и 3’-концов: 5’-концу одной нити соответствует 3’-конец второй нити.
Структура ДНК
Первичная структура ДНК — это линейная последовательность нуклеотидов ДНК в цепи. Последовательность нуклеотидов в цепи ДНК записывают в виде буквенной формулы ДНК: например — AGTCATGCCAG, запись ведется с 5’- на 3’-конец цепи ДНК.
Вторичная структура ДНК образуется за счет взаимодействий нуклеотидов (в большей степени азотистых оснований) между собой, водородных связей. Классический пример вторичной структуры ДНК — двойная спираль ДНК. Двойная спираль ДНК — самая распространенная в природе форма ДНК, состоящая из двух полинуклеотидных цепей ДНК. Построение каждой новой цепи ДНК осуществляется по принципу комплементарности, т. е. каждому азотистому основанию одной цепи ДНК соответствует строго определенное основание другой цепи: в комплемнтарной паре напротив A стоит T, а напротив G располагается C и т.д.
Синтез ДНК. Репликация
Уникальным свойством ДНК является ее способность удваиваться (реплицироваться). В природе репликация ДНК происходит следующим образом: с помощью специальных ферментов (гираз), которые служат катализатором (веществами, ускоряющими реакцию), в клетке происходит расплетение спирали в том ее участке, где должна происходить репликация (удвоение ДНК). Далее водородные связи, которые связывают нити, разрываются и нити расходятся.
В построении новой цепи активным «строителем» выступает специальный фермент — ДНК-полимераза. Для удвоения ДНК необходим также стратовый блок или «фундамент», в качестве которого выступает небольшой двухцепочечный фрагмент ДНК. Этот стартовый блок, а точнее - комплементарный участок цепи родительской ДНК — взаимодействует с праймером — одноцепочечным фрагментом из 20—30 нуклеотидов. Происходит репликация или клонирование ДНК одновременно на обеих нитях. Из одной молекулы ДНК образуются две молекулы ДНК, в которых одна нить от материнской молекулы ДНК, а вторая, дочерняя, вновь синтезированная.
Таким образом, процесс репликации ДНК (удваивания) включает в себя три основных этапа:
· Расплетение спирали ДНК и расхождение нитей
· Присоединение праймеров
· Образование новой цепи ДНК дочерней нити
В основе анализа методом ПЦР лежит принцип репликации ДНК — синтеза ДНК, который современным ученым удалось воссоздать искусственно: в лаборатории врачи вызывают удвоение ДНК, но только не всей цепи ДНК, а ее небольшого фрагмента.
Функции ДНК
Молекула ДНК человека — носитель генетической информации, которая записана в виде последовательности нуклеотидов с помощью генетического кода. В результате описанной выше репликации ДНК происходит передача генов ДНК от поколения к поколению.
Изменение последовательности нуклеотидов в ДНК (мутации) может приводить к генетическим нарушениям в организме.
8.
Репликация ДНК – это процесс копирования дезоксирибонуклеиновой кислоты, который происходит в процессе деления клетки. При этом генетический материал, зашифрованный в ДНК, удваивается и делится между дочерними клетками. Хеликаза, топоизомераза и ДНК-связывающие белки расплетают ДНК, удерживают матрицу в разведённом состоянии и вращают молекулу ДНК. Правильность репликации обеспечивается точным соответствием комплементарных пар оснований и активностью ДНК-полимеразы, способной распознать и исправить ошибку. Репликация катализируется несколькими ДНК-полимеразами. После репликации дочерние спирали закручиваются обратно уже без затрат энергии и каких-либо ферментов.
Скорость репликации составляет порядка 45 000 нуклеотидов в минуту, а родительская вилка вращается со скоростью 4500 об/мин. Частота ошибок при репликации не превышает 1 на 109–1010 нуклеотидов. ДНК эукариот с такой скоростью реплицировалась бы несколько месяцев, поэтому в хромосомах ядерных клеток репликация производится сразу в сотнях и тысячах точек.
9.
Рибонуклеиновая кислота (РНК) – это однонитевой биополимер, в качестве мономеров которого выступают нуклеотиды.
Матрицей для синтеза новых молекул РНК являются молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты (транскрипция РНК). Хотя в ряде случаев возможен и обратный процесс (образование новых ДНК на матрице РНК в ходе репликации некоторых вирусов). Также основой для биосинтеза РНК могут быть другие молекулы рибонуклеиновой кислоты (репликация РНК). В транскрипции РНК, происходящей в ядре клетки, участвует целый ряд ферментов, наиболее значимым из которых является РНК-полимераза.
Строение РНК
Молекула имеет однонитевое строение. Полимер. В результате взаимодействия нуклеотидов друг с другом молекула РНК приобретает вторичную структуру, различной формы (спираль, глобула и т.д.). Мономером РНК является нуклеотид (молекула, в состав которой входит азотистое основание, остаток фосфорной кислоты и сахар (пептоза)). РНК напоминает по своему строению одну цепь ДНК. Нуклеотиды, входящие в состав РНК: гуанин, аденин, цитозин, урацил. Аденин и гуанин относятся к пуриновым основаниям, цитозин и урацил к пиримидиновым. В отличие от молекулы ДНК, в качестве углеводного компонента рибонуклеиновой кислоты выступает не дезоксирибоза, а рибоза. Вторым существенным отличием в химическом строении РНК от ДНК является отсутствие в молекуле рибонуклеиновой кислоты такого нуклеотида как тимин. В РНК он заменён на урацил.
Функции РНК различаются в зависимости от вида рибонуклеиновый кислоты.
1) Информационная РНК (и-РНК).
Иногда данный биополимер называют матричной РНК (м-РНК). Данный вид РНК располагается как в ядре, так и в цитоплазме клетки. Основное назначение – перенос информации о строении белка от дезоксирибонуклеиновой кислоты к рибосомам, где и происходит сбор белковой молекулы. Относительно небольшая популяция молекул РНК, составляющая менее 1% от всех молекул.
2) Рибосомная РНК (р-РНК).
Самый распространенный вид РНК (около 90% от всех молекул данного вида в клетке). Р-РНК расположена в рибосомах и является матрицей для синтеза белковых молекул. Имеет наибольшие, по сравнению с другими видами РНК, размеры. Молекулярная масса может достигать 1,5 миллионов кДальтон и более.
3) Транспортная РНК (т-РНК).
Расположена, преимущественно, в цитоплазме клетки. Основное назначение- осуществление транспорта (переноса) аминокислот к месту синтеза белка (в рибосомы). Транспортная РНК составляет до 10% от всех молекул РНК, располагающихся в клетке. Имеет наименьше, по сравнению с другими РНК- молекулами, размеры (до 100 нуклеотидов).
4) Минорные (малые) РНК.
Это молекулы РНК, чаще всего с небольшой молекулярной массой, располагающиеся в различных участках клетки (мембране, цитоплазме, органеллах, ядре и т.д.). Их роль до конца не изучена. Доказано, что они могут помогать созреванию рибосомной РНК, участвуют в переносе белков через мембрану клетки, способствуют редупликации молекул ДНК и т.д.
5) Рибозимы.
Недавно выявленный вид РНК, принимающие активное участие в ферментативных процессах клетки в качестве фермента (катализатора).
6) Вирусные РНК.
Любой вирус может содержать только один вид нуклеиновой кислоты: либо ДНК либо РНК. Соответственно, вирусы, имеющие в своём составе молекулу РНК, получили название РНК-содержащие. При попадании в клетку вируса данного типа может происходить процесс обратной транскрипции (образование новых ДНК на базе РНК), и уже вновь образовавшаяся ДНК вируса встраивается в геном клетки и обеспечивает существование, а также размножение возбудителя. Вторым вариантом сценария является образование комплиментарной РНК на матрице поступившей вирусной РНК. В этом случае, образование новых вирусных белков, жизнедеятельность и размножение вируса происходит без участия дезоксирибонуклеиновой кислоты только на основании генетической информации, записанной на вирусной-РНК.
10.
Генетический код – Определенный набор и порядок расположения аминокислот в пептидных цепях. В многообразии белков, существующих в природе, было обнаружено около 20 различных аминокислот. Для их шифровки достаточное количество сочетаний нуклеотидов может обеспечить лишь триплетный код, в котором каждая аминокислота шифруется тремя стоящими рядом нуклеотидами, из четырех нуклеотидов образуется 43 = 64 триплета. Из 64 возможных триплетов ДНК 61 кодирует различные аминокислоты; оставшиеся 3 получили название бессмысленных, или «нонсенс-триплетов». Они не шифруют аминокислот и выполняют функцию знаков препинания при считывании наследственной информации. К ним относятся АТТ, АЦТ, АТЦ.
Свойства генетического кода: вырожденность - явная избыточность кода, многие аминокислоты шифруются несколькими триплетами. Это свойство имеет очень важное значение, так как возникновение в структуре молекулы ДНК изменений по типу замены одного нуклеотида в полинуклеотидной цепи может не изменить смысла триплета. Возникшее новое сочетание из трех нуклеотидов кодирует ту же самую аминокислоту. Специфичность - каждый триплет способен кодировать только одну определенную аминокислоту. Универсальность - полное соответствие кода у различных видов живых организмов свидетельствует о единстве происхождения всего многообразия живых форм на Земле в процессе биологической эволюции. Непрерывность и неперекрываемость кодонов при считывании – последовательность нуклеотидов считывается триплет за триплетом без пропусков, при этом соседние триплеты не перекрывают друг друга, т.е. каждый отдельный нуклеотид входит в состав только одного триплета при заданной рамке считывания. Доказательством неперекрываемости генетического кода является замена только одной аминокислоты в пептиде при замене одного нуклеотида в ДНК.
11.
Структура гена эукариот: имеют мозаичную структуру: состоят из кодирующих (экзонов) и некодирующих (интронов) участков. Количество интронов – 1–60; количество нуклеотидов в них – десятки, тысячи и более. Например, ген фенилаланингидрооксилазы – 13 экзонов и 12 интронов (90 тыс.н.п.). Преимущества мозаичной структуры гена эукариот: повышается их информационную емкость (один ген может кодировать несколько полипептидов), увеличивается степень комбинативной изменчивости, обеспечивается более совершенная регуляция функции генов. Интроны регулируют процессинг иРНК.
Функциональная единица генома эукариот включает один структурный ген (транскрибируемая зона) и множество регуляторных участков ДНК (промотор с ТАТА-блоком, энхансер, сайленсер, трейлер с кодонами – терминаторами и др.).
Экзоны – нуклеотидные последовательности, кодирующие аминокислоты. Интроны – не кодирующие нуклеотидные последовательности (их от 2 до 7 на ген). Промотор (Р) - сайт для соединения с РНК-полимеразой. Сайленсер – ослабляет транскрипцию. Энхансер – усиливает транскрипцию. Зона кэпирования (К) – для формирования в зрелой иРНККЭПа - метиловой «шапочки». Зона полиаденилирования (А) – для формирования в зрелойиРНКполиаденилового «хвоста». Зона терминации транскрипции (Т).
12.
13. 14. 15.
ДНК - про-иРНК - иРНК - белок
Этапы экспрессии генов
1. Претранскрипционный
2. Транскрипция
3. Процессинг и сплайсинг В ядре
4. Транспорт иРНКчерез
ядерную мембрану
1. Трансляция
2. Посттрансляционный этап Вцитоплаз-
формирования функционально ме
активного белка
Претранскрипционный этап - активация генов. Активаторы: рН, ионы, БАВ, метаболиты и др. Регуляторы активности генов в претранскрипционный период: внутриклеточные (pH ±, Ионы ±,Белки (гистоновые, негистоновые) ±,Метаболиты ±, Медиаторы ±, БАВ ±, «Прыгающие гены» (их локализация)). Внеклеточные (Медиаторы ±, Гормоны ±,Др. раздражители). Все вызывают изменения МП плазм.мембр. ядерная МБР хромосомы. Функции регуляторов генной активности (в зоне действия): освобождают ДНК от белков, деконденсация ДНП, Ослабляют водородные связи, активируют РНК-полимеразу, блокируют белок-репрессор – освобождают оператор от блока (у прокариот), активируют регуляторные зоны.
Транскрипция – синтез РНК на матрице ДНК, начинается с присоединения РНК-полимеразы к «своему» промотору (ТАТА-блоку); траскрипция происходит с одной полипептидной цепи ДНК (кодогенной), на которой находится промотор. Направление транскрипции 3’→5’. Нуклеотидная цепь иРНК растет в направлении 5’→3’.Транскрибируются все экзоны и интроны (включая зону копирования, кодон-инициатор, зоны терминации и полиаденилирования) структурного гена. В итоге образуется про-иРНК, содержащая кодирующие и некодирующие нуклеотидные последовательности. Фермент – РНК-полимераза.
Процессинг про-иРНК: Кэпирование – образование КЭП на 5’-конце про-иРНК(служит для присоединения к рибосоме). Полиаденилирование на 3’-конце (присоединение поли-А или поли-У) - придает устойчивость иРНК. Процессинг – сплайсинг – «вырезание» интронов и «сшивание» (ферментами-рибозимами) экзонов.
Транспорт иРНК через ядерную мембрану - транспорт зрелойиРНК через ядерную мембрану.
Трансляция – синтез белков рибосомами на матрице иРНК.ЗрелаяиРНК 5’-концом (КЭП) подходит к полисомам и протягивается через них,транслируются кодон-инициатор и все нуклеотиды кодирующей зоны, кодоны-терминаторы не транслируются.
Посттрансляционный этап - образование функционально активного белка: уэукариот «отрезается» метионин или триптофан, формируется вторичная, третичная, а для многих белков и четвертичная структура, присоединяются др. группировки и т.д.
16.
Химический состав хромосом: ДНК и белки, которые образуют нуклеопротеиновый комплекс— хроматин. Белки (гистоны) составляют значительную часть вещества хромосом. На их долю приходится около 65% массы этих структур. Помимо ДНК и белков в составе хромосом обнаруживаются также РНК, липиды, полисахариды, ионы металлов.
Нуклеосомный: 4 класса гистоновых белков (из групп Н3, Н4, Н2А, Н2В) формируют ядро-нуклеус, вокруг которого ДНК делает 1.5 оборота – около 140 нуклеотидных пар, между нуклеосомами 50–70 нуклеотидных пар). За счет нуклеосомной организации ДНК укорачивается 6–7 раз.
Фибриллярный: при образовании фибриллы нуклеосомы сближаются за счет разности зарядов «хвоста» гистона I (HI) и фосфатной группы ДНК.Гистоновый белок Н1 связывается с линкерной ДНК.
Интерфазные хромосомы: максимально деконденсированные, 1 молекула ДНК, функционально активны, не видны в световой микроскоп, видны глыбки хроматина: у жен.- тельца Барра, у мужчин: У-хромосом.
Метафазные хромосомы: максимально конденсированные, 2 хроматиды, функционально неактивны, видны в световой микроскоп.
17.
Первичная перетяжка – центромера (С) - Локализована во всех хромосомах человека. В области центромерырасположенгетерохроматин. Центромера делит хромосому на два плеча: короткое «р» и длинное «q». Функции: во время митоза к центромере прикрепляются нити веретена деления, растаскивающие хромосомы к полюсам клетки.
Вторичная перетяжка (h) - Вторичная перетяжка р-плеча (ph) представлена ядрышковым организатором. Ядрышко образующие хромосомы кариотипа человека: группы D (№№ 13, 14, 15) и группы G (№№ 21, 22). В этой области расположены гены рРНК. Вторичные перетяжки q-плеча (qh) локализованы в 1, 9, 16 и Y-хромосоме. Функции: Принимают участие в формировании ядрышка, являются местом локализации гетерохроматина.
Теломера (t) - концевые участки хромосом, представлены гетерохроматином. Функции:благодаря теломерам хромосомы не слипаются друг с другом.
Спутник (S) - небольшой участок хромосомы р-плеча, отделяемый вторичной перетяжкой. Имеется в ядрышко образующих хромосомах. Функция: та же, что и любого участка хромосом.
18.
Кариотип – совокупность данных о числе, размерах и структуре метафазных хромосом. Каждый вид хромосом в кариотипе, содержащий определенный комплекс генов, представлен двумя гомологами, унаследованными от родителей с их половыми клетками.Двойной набор генов, заключенный в кариотипе,— генотип — это уникальное сочетание парных аллелей генома. В генотипе содержится программа развития конкретной особи. Характеристики: диплоидное (2n) число хромосом, размеры и форма хромосом, наличие перетяжек и спутников, соотношение длин плеч, чередование эу- и гетерохроматина.
19.
Х - хроматин (тельце Барра) – это инактивированная и конденсированная одна из двух Х- хромосом соматических интерфазных клеток женщины. В клетках женского эмбриона она инактивируется примерно на 16-20 день развития. Y- хроматин представляет собой блок гетерохроматина в длинном плече Y - хромосомы и выявляется в интерфазных ядрах соматических леток мужчин. В результате в генотипе особей гетерогаметного пола XY гены, расположенные в негомологичных участках Х- и Y-хромосом, встречаются в одной дозе.
Препараты полового хроматина можно приготовить, используя клетки слизистой ротовой полости, лейкоцитов, фибробластов кожи и клетки волосяной луковицы, окрашивая их ацетоорсеином или флуоресцентными красителями.
У женщин Х-хроматин выявляется с внутренней стороны ядра в виде плотной хорошо окрашенной глыбки, имеющей форму треугольника или овала. Клетки мужчины, как правило, без этой глыбки. женщин половой хроматин (тельце Барра) имеет вид темного тельца, располагающегося у оболочки ядра.
20.
Жизненный (клеточный) цикл клетки (ЖЦК) - период жизни клетки от момента ее рождения (в результате деления материнской клетки) до собственного деления или естественной гибели. Клеточный цикл может включать периоды: Период выполнения клеткой специфических функций. Митотический цикл – процесс подготовки клетки к делению и само деление. Период покоя – ближайшая судьба клетки не определена (стволовые клетки), она может либо начать подготовку к митозу, либо приступить к специализации в определенном функциональном направлении.
Гетерокаталитическая интерфаза(ГКИ) – период жизни клетки, когда она выполняет свои функции -> Митотический цикл (М фаза) -> Автокаталитическая интерфаза (А.К.И.) – период подготовки клетки к делении ->Митоз (<1 часа). В интерфазный период (А.К.И. и Г.К.И.): интерфазные хромосомы при световой микроскопии не выявляются; видны лишь глыбки хроматина (гетерохроматиновые участки хромосом), в том числе Х- и У-хроматин.
АВТОКАТАЛИТИЧЕСКАЯ ИНТЕРФАЗА (G1-период) – начальный период интерфазы: транскрибируются гены, контролирующие в основном синтез белков, необходимых для митоза, происходит накопление РНК и белков, в том числе и белков, необходимых для синтеза ДНК, увеличивается количество митохондрий, период длится 12-24 часа.
АВТОКАТАЛИТИЧЕСКАЯ ИНТЕРФАЗА (S-период): происходит репликация ДНК, хромосома становится двунитчатой, деконденсированной ДНП (в каждой хромосоме 2 хроматиды) – 2n4c, продолжается также синтез РНК и белков. Длительность S-периода составляет около 5 часов.
АВТОКАТАЛИТИЧЕСКАЯ ИНТЕРФАЗА (G2-период): В хромосомы – двунитчатые, деконденсированные ДНП (2n1c), функция ДНП – транскрипция, характеризуется остановкой синтеза ДНК и накоплением энергии, продолжается синтез РНК и белков, формирующий нити веретена деления. Длительность G2-периода составляет 3—6 часов.
Митотический цикл - совокупность процессов, происходящих в клетке от одного деления до другого.
21.