Лекция № 3
«Молекулярные и биохимические основы генетики»
Вопросы:
Генетическая роль нуклеиновых кислот.
Строение и сравнительная характеристика молекул ДНК, РНК.
Репликация ДНК, генетический код, реализация генетической информации.
Строение гена и его свойства.
Генетическая роль нуклеиновых кислот.
Молекулярная биология стала активно развиваться с конца 19 века. Долгое время оставалось неизвестным, что представляет собой вещество способное к саморепликации, мутациям и фенотипическому проявлению.
Нуклеиновые кислоты впервые описал швейцарский биохимик И.Ф. Лишнер (Липшер, Мишер) в 1869 году. Обнаруженное в ядре клетки вещество он первоначально назвал нуклеон от лат. Nucleus - ядро. До начала XX века предполагалось, что наследственную информацию передают белки. Благодаря совместной работе физиков, химиков, биологов, генетиков в XX веке началось активное изучение биологически активных молекул, входящих в состав клетки и оказалось, что наследственная информация зашифрована (закодирована) в молекуле ДНК. Впервые это доказал бактериолог Ф. Гриффит в 1928 году при изучении бактерий пневмококков, которые вызывают пневмонию. В 1927 году русский биолог Н.К. Кольцов сформулировал принцип редупликации наследственных структур. В 1940 году американские учёные Джордж Бидл и Эдвард Татум доказали, что в генах закодирована информация о структуре белка. В 1953 году Френсис Крик и Джеймс Уотсон предложили модель строения ДНК. В 1969 году индийский учёный Г. Корана впервые осуществил искусственный синтез гена. Фундаментальные открытия в области молекулярной биологии позволили понять, как работают механизмы наследственности на молекулярном уровне, с которого начинается формирование любых фенотипических признаков человека.
Генетическая роль нуклеиновых кислот (ДНК, РНК) стала известна, как только были открыты законы наследственности. Их функция состоит в хранении, передачи и воспроизводстве генетической информации и регуляции жизнедеятельности клетки.
2. Строение и сравнительная характеристика молекул днк и рнк.
2.1. Строение молекул днк, рнк.
Нуклеиновые кислоты (ДНК, РНК) представляют собой биополимеры (макромолекулы, полинуклеотиды), мономерами которых являются нуклеотиды. Нуклеиновые кислоты — это очень длинные молекулы, которые могут содержать до нескольких миллиардов нуклеотидов.
Нуклеотид состоит из трёх частей: 1) азотистое основание (аденин, гуанин, цитозин, тимин, уроцил), 2) углевод (рибоза, дезоксирибоза), 3) остаток фосфорной кислоты.
Азотистые основания бывают двух типов:
Пуриновые (аденин, гуанин)
пиримидиновые (тимин, цитозин, урацил)
В состав молекулы ДНК входят только четыре типа азотистых оснований: аденин, гуанин, цитозин, тимин. В молекулу РНК также входят четыре типа азотистых оснований: аденин, гуанин, цитозин, но вместо тимина содержится уроцил.
Углевод, входящий в состав нуклеотида содержит пять атомов углерода т.е. относится к классу пентоз. В состав молекулы ДНК входит дезоксирибоза, а в состав молекулы РНК входит рибоза.
Нуклеиновые кислоты являются кислотами потому, что в их состав входит остаток фосфорной кислоты.
Соединение нуклеотидов в нити происходит посредством ковалентных связей через углерод одного нуклеотида и остаток фосфорной кислоты соседнего нуклеотида. Каждый нуклеотид обозначается заглавной буквой в зависимости от содержащегося в нём азотистого основания: Л - адениловый, Г - гуаниловый, Ц - цитидиловый,
Т - тимидиловый, У -урациловый.
Работы английского биохимика, Эдвина Чаргаффа выявили одну особенность молекулы Д11К - какой бы длины не была молекула ДНК и к какому бы организму она не относилась, в ней всегда молярное содержание аденина равно содержанию тимина, а содержание гуанина равно содержанию цитозина. (А=Т, Г=Ц) это равенство получило название «правило Чаргаффа». Таким образом, в любой молекуле ДНК количество пуриновых оснований (аденин, гуанин) соответствует количеству пиримидиновых оснований (тимин, цитозин, уроцил). Меняется только количественное соотношение пар. В молекуле ДНК соотношение А=Т : Г=Ц. В молекуле РНК А=У : Г=Ц.
1.Первое
правило:
2.Второе правило: А+Г=Ц+Т
3.Третье правило: А+Ц=Г+Т
Согласно модели, предложенной в 1953 году Джеймсом Уотсоном и Френсисом Криком, молекула ДНК представляет собой две параллельные неразветвленные полинуклеотидные цепочки, закрученные вокруг общей оси в двойную спираль. Цепочки в молекуле расположены антипараллельно т.е. навстречу друг другу. Они удерживаются рядом за счёт водородных связей. Водородные связи возникают между комплементарными (подходящие друг к другу как ключ к замку) азотистыми основаниями. Аденин комплементарен тимину (А = Т) две водородные связи, гуанин комплементарен цитозину (Г = Ц) три водородные связи. Комплементарность двух нитей ДНК приводит к тому, что число пуриновых оснований равно числу пиримидиновых А=Т, Г=Ц или (А+Г) / (Т+Ц) = 1. Молекулы ДНК бывают либо линейными, либо замкнутыми в кольцо. В ядре клетки находятся линейные ДНК (ядерные), а в митохондриях (митохондриальные ДНК) и пластидах (хлоропласты, лейкопласты) кольцевые ДНК. Размеры ДНК могут меняться в широких пределах - от нескольких пар нуклеотидов до миллиардов пар нуклеотидов. Средняя длина молекулы ядерной ДНК около 4 см, а общая длина всех молекул ДНК в клетках человеческого организма около 176 см.