Тема 3. Молекулярні основи спадковості. Позахромосомне успадкування.

М атеріальними носіями спадковості є нуклеїнові кислоти. За хімічною структурою нуклеїнові кислоти є полімерами, мономерами яких є нуклеотиди. Нуклеотид є складною органічною сполукою, яка складається з трьох компонентів – азотистої основи (пуринові – аденін, гуанін, піримідинові – цитозин, тимін, урацил), моносахариди (рибоза або дезоксирибоза) і фосфорної кислоти. Первинна структура - це постійна і строго специфічна для кожного виду ДНК (РНК) послідовність нуклеотидів, які складають полімерний (полінуклеотидний) ланцюг. Вторинна структура – це розташування полінуклеотидних ланцюгів ДНК або РНК в просторі.

Двохланцюгова молекула ДНК утворюється завдяки водневим зв’язкам між азотистими основами (між аденіном і тиміном, між гуаніном та цитозином). Така відповідність між парами азотистих основ називається комплементарністю, а самі парні основи – комплементарні. Стабільність цієї структури досягається також завдяки гідрофобним зв’язкам, які діють вздовж осі спіралі. Два поліпептидні ланцюги молекули ДНК є антипаралельні. Генетична інформація записана послідовністю нуклеотидів у напрямку від 5’-кінця до 3’-кінця – це “змістовний” ланцюг ДНК.

Правило Чаргаффа:

• в молекулі ДНК молярна сума А і Г дорівнює молярній сумі Ц і Т;

• в молекулах ДНК число залишків А завжди дорівнює числу залишків Т, а число Г дорівнює числу Ц;

• відношення молярних сум (А+Т)/(Г+Ц) в молекулі ДНК, а також (А+У)/(Г+Ц) в молекулі РНК специфічно для різних організмів і тому може слугувати їх важливою молекулярно-біологічною характеристикою. Таке співвідношення називається коефіцієнтом специфічності нуклеїнових кислот.

АТ-тип ДНК (багатий на залишки А і Т) характерний для вищих рослин, тварин, людини; ГЦ-тип ДНК – для грибів бактерій, вірусів.

Види ДНК: а/ ядерна ДНК; б/ ДНК плазмід; в/ ДНК хлоропластів; г/ ДНК мітохондрій; д/ ДНК вірусів.

Види РНК: а/ інформаційні РНК; б/ транспортні РНК; в/ рибосомальні РНК; г/ РНК вірусів.

Інформаційні (матричні) РНК (іРНК, мРНК) здійснюють передачу інформації від ДНК на білок-синтезуючий апарат. Вони синтезуються на матриці ядерної ДНК. Цей процес називається транскрипцією.

Транспортні РНК (тРНК) строго вибірково зв’язують і транспортують амінокислоти в рибосоми, де із них збирається поліпептидний ланцюг. Індивідуальна тРНК здатна переносити одну амінокислоту.

Рибосомальні РНК (рРНК) є невід’ємним компонентом рибосом. В рибосомах вони утворюють нуклеопротеїновий комплекс з білками і виконують структуроутворюючу функцію.

Потік біологічної інформації: РНК → ДНК → РНК → білок

Процес подвоєння ланцюгів молекули ДНК називається реплікацією. Відбувається в ядрі під час S-періоду інтерфази.

Схематичне зображення процесу реплікації, цифрами відмічені: (1) ланцюг, що запізнюється, (2) лікуючий ланцюг, (3) ДНК-полімераза (Polα), (4) ДНК-лігаза, (5) РНК-праймер, (6) ДНК-праймаза, (7) фрагмент Оказакі, (8) ДНК-полімераза (Polδ), (9) хеліказа, (10) одиночний ланцюг із пов’язаними білками, (11) топоізомераза.

П роцес утворення на матричній ДНК молекули РНК називається транскрипцією. Відбувається під час інтерфази.

Схематичне зображення процесу транскрипції. RNAP – РНК-полімераза.

С хематичне зображення процесу зворотної транскрипції (наприклад, вірус імунодефіциту людини (ВІЛ)).

П ісля транскрипції відбувається процесінг (в ядрі): у бактерій відбувається відщеплення кінців молекули, у еукаріотичних організмів, деяких вірусів відбувається процес вирізання інтронів (некодуючих послідовностей) та зшивання екзонів (кодуючи послідовностей), який має назву сплайсингу:

Процес синтезу молекули білка називається трансляцією. Починається із приєднання малої субодиниць рибосоми до стартового кодону АУГ іРНК (відбувається зв’язування іРНК і рРНК). Даля відбувається з’єднання субодиниць з формуванням пептидильної та аміноацильної ділянок. Рибосома рухається вздовж іРНК з 5’-кінця до 3’-кінця.

С хематичне зображення процесу трансляції.

Ініціація. 1. Впізнавання стартового кодону (AUG), супроводжується приєднанням тРНК аміноацильованої метіоніном (М) і збиранням рибосоми із великої і малої субодиниць. Елонгація. 2. Впізнавання наступного кодону відповідною до нього аміноацил-тРНК (комплементарна взаємодія кодону мРНК і антикодону тРНК збільшено). 3. Приєднання амінокислоти, яку принесла тРНК, до кінця наростаючого поліпептидного ланцюга. 4. Рух рибосоми вздовж матриці, що супроводжується вивільненням молекули тРНК. 5. Аміноацилювання молекули тРНК, яка вивільнилася, відповідною до неї аміноацил-тРНК-синтетазой. 6. Приєднання наступної молекули аміноацил-тРНК, аналогічно стадії (2). 7. Рух рибосоми по молекулі мРНК до стоп-кодону (в даному випадку UAG). Термінація. Впізнавання рибосомой стоп-кодону супроводжується (8) від’єднанням новосинтезованого белку і в деяких випадках (9) дисоціацією рибосоми.

П ісля закінчення процесу трансляції відбуваються посттрансляційні модифікації поліпептидного ланцюга, який утворився.

Схема розташування функціональних ділянок на молекулі мРНК.