Лекция 4 Биохимические основы наследственности. Биосинтез белка.

1 Все живые организмы способны сохранять наследственную информацию и передавать ее потомкам при размножении. Эту функцию выполняют нуклеиновые кислоты.

Впервые нуклеиновые кислоты были открыты швейцарским биохимиком Ф. Мишером в 1868 г. В ходе исследований ученый обнаружил и выделил их из ядер лейкоцитов человека и сперматозоидов лосося. От слова «ядро» (от лат. Нуклеус) и произошло название «нуклеиновые кислоты». Впоследствии нуклеиновые кислоты были обнаружены во всех клетках растений, животных, грибов, бактерий и вирусах. Причем выяснилось, что молекулы нуклеиновых кислот содержатся не только в ядре, но и в цитоплазме клеток, в составе некоторых органоидов. Нуклеиновые кислоты — самые крупные из молекул живых организмов. Их относительная молекулярная масса может составлять от нескольких тысяч до нескольких миллионов.

Нуклеиновые кислоты — сложные биополимеры, мономерами которых являются нуклеотиды.

Строение нуклеотидов и образование полинуклеотидов. Каждый нуклеотид состоит из азотистого основания, пятиуглеродного сахара (пентозы) и остатка фосфорной кислоты. В состав нуклеотида может входить одно из пяти азотистых оснований: аденин (А), гуанин (Г), цитозин (Ц), тимин (Т) - ДНК или урацил (У) - РНК. Аденин и гуанин относятся к пуриновым основаниям (2 бензольных кольца), цитозин, тимин и урацил — к пиримидиновым (1 бензольное кольцо).

Формирование линейной полинуклеотидной цепочки происходит путем соединения пентозы одного нуклеотида с остатком фосфорной кислоты другого нуклеотида..

В зависимости от вида пятиуглеродного сахара в составе нуклеотидов различают два типа нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновые (ДНК) и рибонуклеиновые (РНК). В состав нуклеотидов ДНК входит остаток дезоксирибозы, а нуклеотиды РНК содержат остаток рибозы.

2 Строение и функции ДНК. Молекула ДНК состоит из двух полинуклеотидиых цепей, соединенных между собой водородными связями. Эти связи возникают между азотистыми основаниями нуклеотидов противоположных цепей: между аденином и тимином возникают две водородные связи, а между гуанином и цитозином —три. Нуклеотиды образуют пары, взаимно дополняя друг друга. Такое соответствие парных нуклеотидов называется комплементарностью. Таким образом, цепи ДНК комплементарны — последовательность нуклеотидов в одной цепи определяет их последовательность в другой, что лежит в основе формирования пространственной структуры молекулы ДНК

Две полинуклеотидные цепи ДНК закручены вокруг общей оси, создавая двойную спираль диаметром около 2 нм. Один виток спирали включает 10 пар нуклеотидов, его длина 3,4 нм. В спиральной молекуле двуцепочечной ДНК азотистые основания находятся внутри спирали.

Функцией ДНК является хранение наследственной (генетической) информации, а также передача этой информации потомкам. В ДНК любой клетки закодирована информация о структуре всех белков данного организма.

В 1950 г. американский ученый Э. Чаргафф и его коллеги, исследуя состав молекулы ДНК, установили следующие закономерности, впоследствии названные правилами Чаргаффа.

1. Количество адениновых нуклеотидов в молекуле ДНК равно количеству тиминовых (А = Т), а количество гуаниновых — количеству цитозиновых (Г = Ц).

2. Количество пуриновых азотистых оснований равно количеству пиримидиновых (А + Г = Т + Ц).

Это открытие способствовало установлению пространственной структуры ДНК и определению ее роли в передаче наследственной информации от одного поколения другому. В 1953 г. на основании правил Чаргаффа, американский ученый Дж. Уотсон и англичанин Ф. Крик предложили трехмерную модель структуры ДНК, которая получила название «двойной спирали».

Свойства ДНК. При изменении условий (например, при повышении температуры) ДНК может подвергаться денатурации — утрата молекулы ДНК своей структурной организации. Денатурация ДНК, как правило, носит обратимый характер (ренатурация).

Редупликация (репликация) ДНК. Редупликация ДНК – это реакция матричного синтеза, при которой одна нить ДНК собирается на матрице уже готовой нити ДНК. Новая нить синтезируется по принципу комплиментарности. Редупликация протекает в ядре клетки. Она включает несколько стадий:

1. Расплетение участка исходной (материнской) молекулы ДНК.

2. К каждой из освободившихся нитей ДНК подходят свободно плавающие в ядре нуклеотиды и соединяются водородными связями по принципу комплиментарности с нуклеотидами нити ДНК. В результате вдоль каждой материнской нити ДНК выстраивается новая цепочка нуклеотидов, еще не соединенных между собой.

3. Нуклеотиды новой цепочки связываются между собой ковалентными связями под действием фермента ДНК-полимеразы.

4. Образуются две молекулы ДНК, каждая состоит из двух нитей, одна из которых старая, материнская, игравшая роль матрицы, другая – новая собранная по принципу комплиментарности.

Редупликация ДНК осуществляется:

• полуконсервативно — одна цепь молекулы ДНК, образовавшейся в результате репликации, является вновь синтезированной, а вторая — материнской;

• антипараллельно - идёт в направлении от 5’-конца новой молекулы к 3’-концу;

• прерывисто — одна из цепей ДНК синтезируется непрерывно, а вторая — в виде набора отдельных коротких фрагментов (фрагментов Оказаки);

• начинается с определённых участков ДНК, которые называются сайтами инициации репликации

Еще одна важная функция ДНК — репарация. Это особая функция клеток, заключающаяся в способности исправлять химические повреждения и разрывы в молекулах ДНК, повреждённой при нормальном биосинтезе ДНК в клетке или в результате воздействия физических или химических агентов.

Строение и функции РНК. Строение молекул РНК во многом сходно со строением молекул ДНК. Однако имеется и ряд существенных отличий. В молекулах РНК вместо дезоксирибозы в состав нуклеотидов входит рибоза, а вместо тимина (Т) — урацил (У). Однако главное отличие состоит в том, что молекулы РНК одноцепочечные. Нуклеотиды цепи РНК способны образовывать водородные связи между собой, но в этом случае речь идет о внутримолекулярном взаимодействии комплементарных нуклеотидов. Молекулы РНК значительно короче ДНК. Вместо дезоксирибозы — рибоза.

В клетке существует несколько видов РНК, которые различаются по величине молекул, структуре и функциям. Все виды РНК синтезируются на определенных участках одной из цепей ДНК- Такой синтез получил название матричного, так как молекула ДНК является матрицей (т. е. образцом, моделью) для синтеза молекул рнк

1. Рибосомальные РНК (рРНК) составляют 80 % всех РНК клетки. Структурная основа рибосом — органоиды, на которых происходит синтез белков из аминокислот.

2. Транспортные РНК (тРНК) составляют около 15 % всех клеточных РНК. Молекулы тРНК имеют сходную пространственную конфигурацию. Благодаря формированию внутримолекулярных водородных связей молекула тРНК приобретает характерную пространственную структуру, называемую клеверным листом (схема). Функция тРНК — перенос аминокислот к рибосомам и участие в процессе синтеза белка.

3. Информационные РНК (иРНК) Молекулы иРНК содержат информацию о структуре определенных белков, имеет кодирующие и некодирующие участки. Содержание иРНК составляет 3—5 % всей клеточной РНК

4. Матричные РНК (мРНК).После вырезания некодирующих участков из иРНК. Являются матрицей для биосинтеза.

Функции всех типов РНК связаны с процессами синтеза белка. Таким образом, ДНК является хранителем информации о структуре всех белков, а РНК обеспечивают реализацию этой информации, участвуя в процессе биосинтеза белков на рибосомах.

3 Информация о структуре белка закодирована в ДНК. Участок молекулы ДНК, несущий информацию о структуре одного белка называется ген. Каждая аминокислота кодируется сочетанием трех нуклеотидов. Всего существует 64 таких сочетания.

Каждой аминокислоте соответствует триплет или кодон. Причем некоторые аминокислоты кодируются не одним, а несколькими триплетами. Из 64 триплетов 3 не кодируют аминокислоты, их называют стоп-кодоны.

Генетический код — это исторически сложившаяся система записи о последовательности расположения аминокислот в белке с помощью определенной последовательности нуклеотидов.