Нуклеиновые кислоты. Строение и функции. (из энцкл.сл.).




МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ

ТЕМА: Молекулярные основы наследственности и изменчивости.

Предметом изучения молекулярной биологии являются молекулярные механизмы, обеспечивающие хранение, передачу и реализацию генетической информации. В этих молекулярных механизмах задействованы нуклеиновые кислоты и белки.

Нуклеиновые кислоты были открыты в 1868 году австрийским ученым Мишером. Впервые обнаружены Ф.Мишером в 1868 г в клетках, богатых ядерным материалом (лейкоцитах, сперматозоидах лосося). Термин «нуклеиновые кислоты» предложен в 1889 г.

Нуклеиновые кислоты. Строение и функции. (из энцкл.сл.).

Нуклеиновые кислоты – полинуклеотиды, фосфорсодержащие биополимеры, имеющие универсальное распространение в живой природе. Линейные молекулы нуклеиновых кислот построены из нуклеотидов; эфирные связи между 5'-фосфатом одного нуклеотида и 3'-гидроксилом углеводного остатка и следующего образуют углеводно-фосфатный скелет молекулы. Высокополимерные цепи нуклеиновых кислот насчитывают от нескольких десятков до сотен миллионов нуклеотидных остатков; их молекулярная масса 103-1010. Обычно нуклеиновые кислоты содержат в качестве мономеров остатки дезокси- или рибонуклеотидов. В соответствии с этим различают дезоксирибонуклеиновые (ДНК) и рибонуклеиновые (РНК) кислоты. Молекулы ДНК. Как правило, состоит из 2 цепочек, РНК в основном одноцепочечные. Различия в структуре мономерных звеньев определяют различие в химических свойствах и макромолекулярной (пространственной) структуре обоих типов полимеров. Для ряда нуклеиновых кислот характерны т.н. минорные основания. Присутствующие почти во всех природных нуклеиновых кислот последовательность нуклеотидов в неразветвленной полионуклеотидной цепи составляет первичную структуру нуклеиновых кислот углеводно-фосфатный остов цепи представляет собой неспецифический компонент полионуклеотида – функционально значащий является специфическая последовательность азотистых оснований, уникальная для каждой нуклеиновой кислоты. Это обуславливает большое разнообразие индивидуальных молекул ДНК и РНК. В то же время нуклеиновые кислоты обладают видовой специфичностью, т.е. у каждого вида характеризуются определенные нуклеотидным составом. Вторичная структура нуклеиновых кислот – пространственное расположение нуклеотидных звеньев – возникает за счет межплоскостных взаимодействий соседних оснований и в случае т.н. комплементарного спаривания за свет водородных связей между противолежащими основаниями в параллельных цепях. В состав клеточных организмов входят оба типа нуклеиновых кислот: вирусы содержат нуклеиновые кислоты одного типа ДНК или РНК. Биологическая роль нуклеиновых кислот заключается в хранении, реализации и передаче генетической информации. Возможно, что нуклеиновые кислоты обеспечивают различные виды биологической памяти – иммунологическую, нейрологическую и т.д., а также играют существенную роль в регуляции биосинтетических процессов.

Ядро

23 пары хромосом (диплоидный набор: ♂ - 22х2 + ХY, ♀ - 22х2 + 2Х) ядра соматической клетки содержат ядерный геном (примерно 25 000 генов). Реализация генетической информации (транскрипция → процессинг → трансляция → посттрансляционная модификация) и другие функции ядра происходят при участии ДНК и разных видов РНК. Структурные компоненты ядра: хроматин, ядерная оболочка, ядрышко, нуклеоплазма.

А. Молекула ДНК построена из двух антипараллельных цепей с комплементарной последовательностью нуклеотидов.

Рис. 1 (2-6)

1. Нуклеозиды - N-гликозильные производные (N-гликозиды) разных азотистых оснований (пурины, пиримидины), содержащих соответственно рибозу или дезоксирибозу.

а. Пуриновые основания – аденин (А) и гуанин (G).

б. Пиримидиновые основания – цитозин (С), тимин (Т), урацил (U).

2. Нуклеотид – фосфатный эфир нуклеозида. Нуклеотиды при помощи фосфодиэфирных связей образуют полинуклеотид.

3. Спираль ДНК (правая) – две комплементарные цепи полинуклеотидов, соединенные водородными связями в парах А-Т и G-C. На один виток приходится приблизительно 10 пар оснований.

а. Экзон – кодирующая последовательность нуклеотидов, определяющая последовательность аминокислот в белке.

б. Интрон – некодирующая последовательность между экзонами. После синтеза РНК на ДНК-матрице (транскрипция) последовательности РНК, комплементарные последовательностям интронов, удаляются при помощи специальных ферментов, а оставшиеся последовательности сближаются (сплайсинг).

в. Кодон – последовательность из трех смежных нуклеотидов, кодирующая какую-либо аминокислоту или терминацию полипептидной цепи.

4. Ген – участок молекулы ДНК, кодирующий последовательность аминокислот в полипептидной цепи. Экспрессия гена (рис. 2-7) протекает по схеме: транскрипция (синтез первичного транскрипта на матрице ДНК) → процессинг (образование мРНК) → трансляция (считывание информации с мРНК) → сборка полипептидной цепи (включение аминокислот в полипептидную цепь на рибосомах) → посттрансляционная модификация (добавление к полипептиду разных химических группировок, например фосфатных [фосфорилирование], карбоксильных [карбоксилирование] и т.д.).

Рис. 2 (2-7)

Б. РНК – полинуклеотид, сходный по химическому составу с ДНК, но содержащий в нуклеотидах рибозу вместо дезоксирибозы и азотистое основание урацил (U) вместо тимина (Т). Различают мРНК, тРНК, рРНК.

1. Матричная (информационная) РНК (мРНК) состоит из сотен и тысяч нуклеотидов. мРНК переносит генетическую информацию из ядра в цитоплазму и непосредственно участвует в сборке молекулы полипептида на рибосомах.

а. Транскрипция и процессинг. В ходе транскрипции РНК-полимераза II присоединяется к промотору – специфическому сайту молекулы ДНК, с которого начинается синтез полимера. РНК-полимераза II раскручивает участок двойной спирали ДНК, обнажая матрицу для комплементарного спаривания оснований. Когда РНК-полимераза встречает сигнал терминации транскрипции, синтез полимера прекращается. Фактически на этом этапе с ДНК снята РНК-копия, но она ёще не готова к участию в синтезе белка. Пока это только первичный транскрипт. В дальнейшем он процессируется, в результате образуется мРНК, выходящая из ядра в цитоплазму.

Синтез полимеров рРНК и РНК катализируют соответственно РНК-полимераза I и III.

б. Трансляция. Сборку полипептидной цепи инициирует стартовый кодон AUG, а терминирующие кодоны UАА, UАG и UGА уё прекращают.

2. Транспортная РНК (тРНК) содержит около 80 нуклеотидов и доставляет аминокислоты к рибосоме, где они присоединяются к растущей полипептидной цепи. Существует минимально одна тРНК для каждой из 20 аминокислот. Один тРНК (акцептор) присоединяется к аминокислоте, а другой конец содержит антикодон из трех нуклеотидов, который узнает соответствующий кодон мРНК и спаривается с ним. Так тРНК переводит последовательность нуклеотидов в последовательность аминокислот.

3. Рибосомная РНК (тРНК) взаимодействует с мРНК и тРНК в ходе сборки полипептида, в комплексе с белками (в т.ч. ферментами) образует рибосому.

В. Хроматин – комплекс ядерной ДНК с белками (гистоны, негистоновые белки)

1. Гетерохроматин (транскрипционно неактивный, конденсированный хроматин) интерфазного ядра. В СМ – базофильные глыбки, в ЭМ - скопления плотных гранул. Располагается преимущественно по периферии ядра и вокруг ядрышек. Типичный пример гетерохроматина – тельце Барра.

Тельце Барра. Во всех соматических клетках генетически женского организма одна из Х-хромосом инактивирована и известна как половой хроматин (тельце Барра). Инактививация Х-хромосомы известна как лайонизация.

Лайонизация. Механизм компенсации дозы генов Х-хромосомы у женщин объясняет гипотеза Мэри Лайон. Согласно гипотезе, инактивация Х-хромосомы происходит в раннем эмбриогенезе, осуществляется случайным образом (инактивированной может быть либо отцовская, либо материнская Х-хромосома), затрагивает целиком всю Х-хромосому и характеризуется устойчивостью, передаваясь клеточным потомкам. Клетки женского организма по экспрессии генов Х-хромосомы мозаичны.

2. Эухроматин РНКтранскрипционно активная и менее конденсированная часть хроматина, локализуется в более светлых участках ядра между гетерохроматином.

Г. Хромосома. Хромосомы (рис. 2-8) видны при митозе или мейозе, когда хроматин конденсирован полностью.

Рис. 3 (2-8.)

1. Состав. Каждая хромосома содержит одну длинную молекулу ДНК и ДНК-связывающие белки; хроматин в составе хромосомы образует многочисленные петли. Хромосома состоит из структурных единиц – нуклеосом.

2. Нуклеосома (рис. 2-9) – сферические структуры диаметром 10 нм.

Рис. 4 (2-9)

Д. Геном – полный комплект генов в хромосомах. Кариотип описывает количество и структуру хромосом. Гаплоидный набор – 23 хромосомы – характерен для гамет.

Диплоидный набор – стандарт хромосом (23х2) – для соматических клеток.

Е. Ядерная оболочка. Состав: наружная и внутренняя ядерные мембраны, перинуклеарные цистерны, ядерная пластинка, ядерные поры (рис.2-10).

Рис. 5 (2-10)

1. Наружная ядерная мембрана. На её поверхности расположены рибосомы, где синтезируются белки, поступающие в перинуклеарные цистерны.

2. Перинуклеарные цистерны. Часть околоядерных цистерн связана с гранулярной эндоплазматической сетью.

3. Внутренняя ядерная мембрана отделена от содержимого ядра ядерной пластинкой.

4. Ядерная пластинка толщиной 80-300 нм участвует в организации ядерной оболочки и перинуклеарного хроматина, содержит белки промежуточных филаментов – ламины А, В и С.

5. Ядерная пора (рис.2-10). Содержимое ядра сообщается с цитозолем через 3-4 тысячи специализированных коммуникаций – ядерных пор, осуществляющих транспорт (в т.ч. молекул РНК)между ядром и цитоплазмой. Ядерная пора имеет диаметр 80 нм, содержит канал поры и комплекс ядерной поры.

Рис. 6 (2-10).

а. Канал поры диаметром 9 нм беспрепятственно пропускает небольшие водорастворимые молекулы.

б. Комплекс ядерной поры содержит белок-рецептор, реагирующий на сигналы ядерного импорта (своего рода входной билет в ядро) - специальные последовательности из 4-8 аминокислотных остатков (например, в составе нуклеоплазмина или Т-Аr). Рецептор ядерной поры может увеличивать диаметр канала поры и обеспечивать перенос в ядро больших макромолекул (например, ДНК- и РНК-полимеразы с М 100-200 кД).

Ж. Ядрышко – компактная структура в виде интерфазных клеток. Основные функции ядрышка – синтез рРНК и образование субъединиц (СЕ) рибосом.

1. Транскрипция рРНК происходит в хромосомах 13, 14, 15, 21 и 22. Петли ДНК этих хромосом, содержащие соответствующие гены, формируют ядрышковый организатор, получивший название в связи с тем, что восстановление ядрышка в фазу G1 клеточного цикла начинается в этой структуры.

Синтез белка.

3. Образование субъединиц (рис.2-11)

Рис. 7 (2-11)

Структура ядрышка

а. Фибриллярный центр – слабоокрашенный компонент (ДНК, кодирующая рРНК).

б. Фибриллярный компонент, где протекают ранние стадии образования предшественнкиов рРНК; состоит из тонких (5 нм) рибонуклеопротеиновых фибрилл и транскрипционно активных участков ДНК.

в. Гранулярный компонент, содержит зрелые предшественники рибосомных СЕ, имеющих диметр 15 нм.

З. Нуклеоплазма содержит ядерный матрикс и ядерные частицы.

а. Ядерный матрикс содержит остатки ядрышек, сеть рибонуклеопротеинов, ядерные рецепторы и множество других молекул. Часто образующих ассоциации – ядерные частицы. В матриксе происходят транскрипция и процессинг мРНК и рРНК. Ядерные рецепторы, онкогены, белки теплового шока, вирусные ДНК и белки (например, Т-Аr, разные факторы транскрипции) влияют на транскрипцию и процессинг РНК.

Б. Ядерные частицы

(1) Интерхроматиновые гранулы – частицы диаметром 20-25 нм, содержащие рибонуклеопротеины и различные ферменты (АТФаза, ГТФаза, НАД-пирофосфатаза и др.).

(2) Перихроматиновые гранулы диаметром 30-50 нм расположены по периферирии гетерохроматина, окружены ореолом из менее плотного материала, содержат 4,7S РНК и белки. Количество этих частиц увеличивается в ядрах клеток печени при онкогенезе или при воздействии температуры выше 370С.

(3) Гетерогенные ядерные рибонуклеопротеиновые частицы - комплекс предшественников мРНК и белков – участвуют в процессинге мРНК.

(4) Малые ядерные рибонуклеопротеиновые частицы участвуют в процессинге мРНК, состоят из белков и небольших РНК.

(5) Ядерные рецепторы рассмотрены в I B 2 a (2) (б)

Литература:

1. Гистология (введение в патологию) /Под ред. Э.Г.Улумбекова, Ю.А. Челышева. – М.: ГЭОТАР, 1997.

2. Мамонтов С.Г. Биология: учебник для студ.высш.учеб.заведений /С.Г.Мамонтов, В.Б.Захаров, Т.А.Козлова; под ред. С.Г.Мамонтова. – 3-е изд., стер. – М.: Издательский Центр «Академия». 2008.

Черновой вариант

Предметом изучения молекулярной биологии являются молекулярные механизмы, обеспечивающие хранение, передачу и реализацию генетической информации. В этих молекулярных механизмах задействованы нуклеиновые кислоты и белки. Нуклеиновые кислоты были открыты в 1868 году австрийским ученым Мишером.



Поделиться:




Поиск по сайту

©2015-2024 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2020-11-04 Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных


Поиск по сайту: