Добавил:
Ozzii05
asman00000@mail.ru
Работаю на МРТ, учусь на стоматолога,делитесь со мной файлами в ТГ ozzii05
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:biology-aseev конспекты).pdf
ОБЩАЯ БИОЛОГИЯ
АСЕЕВ ВИКТОР ВАСИЛЬЕВИЧ
КОНСПЕКТ ПОДГОТОВЛЕН СТУДЕНТАМИ, НЕ ПРОХОДИЛ
СЛЕДИТЕ ЗА ОБНОВЛЕНИЯМИ НА VK.COM/TEACHINMSU
ПРОФ РЕДАКТУРУ И МОЖЕТ СОДЕРЖАТЬ ОШИБКИ
Редактирование РНК
В РНК заменяются конкретные нуклеотиды.
Происходит вставка одного определенного нуклеотида в строго определенное
место.
Химическая модификация определенных нуклеотидов. Например, из цитозина
получается урацил.
Состав генома человека
В отличие от прокариот, у эукариотических клеток лишь малая часть генома отвечает
за кодирование белка, а назначение части последовательностей до сих пор неизвестно.
На рис. 7.5 показаны данные по расшифровке последовательности ДНК человека (по
первым двум расшифрованным геномам).
Рис. 7.5 Состав генома человека
Существует метод оценки количества РНК в клетке – молекулярная гибридизация.
Большая часть РНК, которая находится в клетке, не кодирует белки. 25%
последовательностей, транскрибируемых в РНК, (около 20% по современным данным)
некодирующие, но связаны с биосинтезом белка, как различные узнающие,
регулирующие или модифицирующие элементы.
*Искусственная репликация РНК
Четверин – российский ученый, работает в Институте белка в Пущино, разработал
систему, позволяющую искусственно реплицировать РНК в виде колоний.
121
ОБЩАЯ БИОЛОГИЯ
АСЕЕВ ВИКТОР ВАСИЛЬЕВИЧ
КОНСПЕКТ ПОДГОТОВЛЕН СТУДЕНТАМИ, НЕ ПРОХОДИЛ
СЛЕДИТЕ ЗА ОБНОВЛЕНИЯМИ НА VK.COM/TEACHINMSU
ПРОФ РЕДАКТУРУ И МОЖЕТ СОДЕРЖАТЬ ОШИБКИ
Берется гелеобразующее вещество (агар-агар), в который вносятся нуклеотиды,
необходимые для синтеза РНК, и вирусный фермент, синтезирующий РНК на
матрице РНК.
Чашки с этой средой открытыми оставляются в помещении на некоторое время.
Причем в помещении не должны находиться те вирусные частицы, которые
были использованы для выделения фермента (вирус летучий).
Из каждой колонии были выделены новые виды РНК, которые не были похожи ни на
один известный ранее.
Транспозоны (45%) – большая группа последовательностей. Они имеют определенные
типовые характеристики, все они, видимо, происходят от ретро-вирусов, способных
свою ДНК встраивать в геном хозяина, а размножаться с помощью РНК. Они занимают
в геноме строго определенное место.
Сателлитные ДНК (около 3%)– образуются за счет сбоев репликации, когда фермент,
синтезирующий ДНК проходит несколько одинаковых нуклеотидов под ряд,
пробуксовывает на них. Могут находиться в разных местах. По положению этих
последовательностей можно отличить ДНК разных людей, что часто используется при
определении родства.
Псевдогены (около 20%) – измененные гены, получаются за счет обратной
транскрипции информационной РНК (на рисунке 7.5 other intergenic DNA).
Кодирующих последовательностей достаточно для того, чтобы закодировать 20 – 40
тысяч белков, но в организме человека примерно 60 тысяч белков.
Существует ряд процессов, позволяющих из одного гена получить несколько белков.
Обнаружили это при исследовании синтеза некоторых пептидных гормонов. Оказалось,
что два разных пептидных гормона, один из которых вырабатывается в гипоталамусе, а
другой в гипофизе, кодируются одним геном. Это возможно благодаря
альтернативному сплайсингу.
Альтернативный сплайсинг
РНК-продукт гена определенным образом модифицируется – из него вырезаются
интроны, но не все и не одинаково в разных тканях. В результате получаются разные
РНК, кодирующие разные белки. Особенно часто это наблюдается у многоклеточных
животных, у которых некоторые белки могут иметь общие и отличающиеся части.
Например: общая часть отвечает за функцию белка, а отличающиеся за встраивание в
мембрану (внешнюю или внутреннюю в митохондриях).
Недавно было обнаружено, что у человека альтернативный сплайсинг происходит
примерно в 10 раз чаще, чем у других млекопитающих.
122
ОБЩАЯ БИОЛОГИЯ
АСЕЕВ ВИКТОР ВАСИЛЬЕВИЧ
КОНСПЕКТ ПОДГОТОВЛЕН СТУДЕНТАМИ, НЕ ПРОХОДИЛ
СЛЕДИТЕ ЗА ОБНОВЛЕНИЯМИ НА VK.COM/TEACHINMSU
ПРОФ РЕДАКТУРУ И МОЖЕТ СОДЕРЖАТЬ ОШИБКИ
Генетический код и его свойства
Генетический код – соответствие между комбинациями нуклеотидов и
аминокислотами.
Свойства:
Триплетность – одну аминокислоту кодирует 3 нуклеотида.
Универсальность (за несколькими исключениями). Генетический код
достаточно консервативен, т.к. для изменения соответствия одной комбинации
одной аминокислоте необходимо изменить его для всех генов в целом геноме,
что вероятностно невозможно.
Код неперекрывающийся.
Один триплет может кодировать только одну аминокислоту.
Вырожденность – одна аминокислота может кодироваться несколькими
комбинациями. Это выгоднее, чем оставлять 20 комбинаций значащими, а
остальные 44 незначащими, т.к. в случае мутации с вероятностью 2/3 получалась
бы ошибка.
Существует 3 триплета, не кодирующих аминокислот. У них первый нуклеотид
– урацил, второй и третий – пурин (аденин или гуанин): УАА, УАГ, УГА. Они
стоят в конце последовательностей, кодирующих белок, означают стоп синтеза.
Каждый триплет, кодирующий аминокислоту, называется кодоном. Всего 61
смысловой кодон и 3 стоп-кодона.
Отклонения от универсальности генетического кода
В митохондриях есть некоторое несоответствие универсальному генетическому коду,
чаще всего это касается одного из стоп-кодонов. УГА считывается так же, как УГГ, то
есть, кодирует триптофан. Отклонения могут быть не только по кодону УГА, причем у
разных групп организмов – разные отклонения.
Однако генетический код консервативен, а у митохондрий маленький геном (26-28
тысяч пар нуклеотидов), в котором закодировано мало белков (у пекарских дрожжей
всего 5). Замены компенсируются малостью генома.
Аналогично – некоторые гены у инфузорий: посреди гена стоит кодон УГА, который
считывается у инфузорий, но если поместить этот ген в клетку бактерии, получится
короткий продукт – УГА считывается как стоп-кодон.
Еще одна группа с отклонениями от универсального генетического кода – риккетсии.
Это бактериальные организмы – возбудители сыпного тифа, внутриклеточные
паразиты клеток животных, вызывают лихорадки и нарушения целостности
кровеносной системы (кровоизлияния). Их генетический код похож на
митохондриальный.
123
ОБЩАЯ БИОЛОГИЯ
АСЕЕВ ВИКТОР ВАСИЛЬЕВИЧ
КОНСПЕКТ ПОДГОТОВЛЕН СТУДЕНТАМИ, НЕ ПРОХОДИЛ
СЛЕДИТЕ ЗА ОБНОВЛЕНИЯМИ НА VK.COM/TEACHINMSU
ПРОФ РЕДАКТУРУ И МОЖЕТ СОДЕРЖАТЬ ОШИБКИ
*Существует гипотеза, что бактерии, внедрившиеся в эукариотическую клетку, пошли
двумя эволюционными путями: одни стали паразитами (риккетсии), другие –
симбионтами (митохондрии). Но это гипотеза пока не подтверждена.
Значение универсальности генетического кода
Именно благодаря универсальности мы можем заставить гены одних организмов
работать в других организмах.
Применение генной инженерии:
Использование для получения прививок. Ген белка оболочки опасного вируса
встраивается в геном бактерии, которая синтезирует этот белок. Белок вводится
людям, иммунная система человека вырабатывает антитела на этот вирусный
белок. В случае попадания настоящего вируса в организм, он будет немедленно
обезврежен.
Использование для синтеза белковых гормонов. Например, гормон роста
человека. Ни у одного животного нет такого же, а отличающиеся не работают.
Его получают с помощью бактерий.
Получение белка, способного заменить химиотерапию – фактор некроза
опухолей. Если ввести его в опухоль, раковые клетки погибают, но есть
побочные эффекты. Есть другой белок, который снимает побочные эффекты, его
тоже можно получить только с помощью генной инженерии.
Синтез интерферонов, не вызывающих аллергию.
Расшифровка генетического кода
История:
К началу 60-х уже была установлена структура ДНК, предположена триплетность
генетического кода, были известны структуры, синтезирующие белок – рибосомы, но
не было способа выделить матричную РНК в чистом виде.
1955 год Северо Очоа и Марианна Грюнберг-Манаго выделили фермент
полинуклеотид-фосфорилаза. Этот фермент может без матрицы из
нуклезидтрифосфатов делать полимеры нуклеотидов. За это открытие ученые получили
Нобелевскую премию.
1961 год Маршал Нюрнберг использовал РНК вируса табачной мозаики, рибосомы
кишечной палочки и радиоактивные аминокислоты для наблюдения включения
аминокислот в белок.
В качестве контроля он взял олигонуклеотид, состоящий из остатков урацила
(UUUU…). Пептид, синтезированный с такой матрицы, содержал только аминокислоту
фенилаланин. Так впервые было установлено значение кодона: кодон UUU кодирует
фенилаланин.
124
ОБЩАЯ БИОЛОГИЯ
АСЕЕВ ВИКТОР ВАСИЛЬЕВИЧ
КОНСПЕКТ ПОДГОТОВЛЕН СТУДЕНТАМИ, НЕ ПРОХОДИЛ
СЛЕДИТЕ ЗА ОБНОВЛЕНИЯМИ НА VK.COM/TEACHINMSU
ПРОФ РЕДАКТУРУ И МОЖЕТ СОДЕРЖАТЬ ОШИБКИ
Начало 1960-х - в лаборатории Северо Очоа было показано, что полиадениновая РНК
(ААА…) транслируется в полилизиновый пептид, а на матрице полицитозиновой РНК
(ССС…) синтезируется пептид, состоящий только из остатков пролина.
Значение остальных кодонов было установлено при помощи разнообразных
сополимеров в ходе экспериментов, проведённых в лаборатории Хара Гобинда
Кораны.
Френсис Крик проанализировал открытый код и составил таблицу:
Рис. 7.6 Таблица генетического кода
Как видно из таблицы генетического кода (рис.7.6), одна аминокислота может
кодироваться несколькими кодонами, чем чаще встречается аминокислота в белках,
тем больше кодонов ее кодируют.
При этом чаще всего два первых нуклеотида совпадают, а отличается лишь третий:
фенилаланин кодируется UUU и UUC, причем U и C – пиримидины (имеет значение
химическая природа основания, размер ароматического кольца), но может быть и 4
кодона, и 6 на одну аминокислоту.
*Следствие: Если в последовательности, кодирующей белок, произойдет замена
нуклеотида в третьем положении триплета, с большой вероятностью белок
125
ОБЩАЯ БИОЛОГИЯ
АСЕЕВ ВИКТОР ВАСИЛЬЕВИЧ
КОНСПЕКТ ПОДГОТОВЛЕН СТУДЕНТАМИ, НЕ ПРОХОДИЛ
СЛЕДИТЕ ЗА ОБНОВЛЕНИЯМИ НА VK.COM/TEACHINMSU
ПРОФ РЕДАКТУРУ И МОЖЕТ СОДЕРЖАТЬ ОШИБКИ
синтезируется правильно. Однако такая замена может повлиять на количество белка,
т.к. изменится способ сворачивания РНК, что повлияет на трансляцию.
Считывание информации с РНК
Считывание происходит по тройкам, значит можно начинать с разных точек и получать
абсолютно разные продукты.
Рис.7.7 Сдвиг рамки считывания
В реальной матричной РНК существует только одна рамка считывания, не содержащая
стоп-кодонов. Если произошел сдвиг, синтез просто остановится на стоп-кодоне,
например UAA.
Синтез всех белков в клетках начинается с метионина, который имеет только один
кодон и редко встречается в середине гена. Так можно четко определить место начала
синтеза и рамку считывания.
Транспортная РНК
Френсис Крик предложил адаптерную гипотезу: существует некий промежуточный
компонент, который связывает аминокислоту и узнает триплет, такой молекулой,
скорее всего, является небольшая РНК, которая может по принципу
комплементарности узнать кодон, а к другой ее части фермент, узнающий эту РНК,
присоединит нужную аминокислоту. Аминокислоты сама не узнает кодон.
Две группы исследователей из США и Японии обнаружили, что первоначально метка
(от радиоактивной аминокислоты) появляется не в рибосоме, а в РНК. Выделенные
РНК оказались длиной 70-90 нуклеотидов. Для каждой аминокислоты существует свой
вид такой РНК.
Эти транспортные РНК стали первыми, для которых определили последовательности
нуклеотидов, т.к. их много в клетке, они небольшие и легко выделяются. Оказалось,
что внутри молекулы существуют участки комплементарности, что обуславливает
определенную структуру (рис.7.8).
126
ОБЩАЯ БИОЛОГИЯ
АСЕЕВ ВИКТОР ВАСИЛЬЕВИЧ
КОНСПЕКТ ПОДГОТОВЛЕН СТУДЕНТАМИ, НЕ ПРОХОДИЛ
СЛЕДИТЕ ЗА ОБНОВЛЕНИЯМИ НА VK.COM/TEACHINMSU
ПРОФ РЕДАКТУРУ И МОЖЕТ СОДЕРЖАТЬ ОШИБКИ
Рис. 7.8 Структура тРНК
За открытие структуры тРНК Роберт Холии получил Нобелевскую премию.
На рис.8 видно, что три нуклеотида в составе центральной петли комплементарны
кодону матричной РНК. Это антикодон. Аминокислота присоединяется к 3’-концу
специальным ферментом с использованием энергии АТФ.
Процесс присоединения аминокислоты к тРНК:
1. Происходит активация аминокислоты (рис.7.9) – она взаимодействует с АТФ и
присоединяется к фосфатной группе, образуется Аминоацил аденилат
Рис. 7.9 Активация аминокислоты
127
ОБЩАЯ БИОЛОГИЯ
АСЕЕВ ВИКТОР ВАСИЛЬЕВИЧ
КОНСПЕКТ ПОДГОТОВЛЕН СТУДЕНТАМИ, НЕ ПРОХОДИЛ
СЛЕДИТЕ ЗА ОБНОВЛЕНИЯМИ НА VK.COM/TEACHINMSU
ПРОФ РЕДАКТУРУ И МОЖЕТ СОДЕРЖАТЬ ОШИБКИ
2. К аминоацил аденилату подходит тРНК, на которую переносится аминокислота
(рис.7.10). Аминокислота присоединяется к свободному гидроксилу 3’-конца
тРНК (второе или третье положение рибозы)
Рис. 7.10 Присоединение аминокислоты к тРНК
3. Происходит изомеризация (рис.7.11) – аминокислота перебрасывается в 3
положение рибозы. Образуется высокоэнергетичная аминоацил-тРНК, которая
идет в рибосому для синтеза пептида.
128
ОБЩАЯ БИОЛОГИЯ
АСЕЕВ ВИКТОР ВАСИЛЬЕВИЧ
КОНСПЕКТ ПОДГОТОВЛЕН СТУДЕНТАМИ, НЕ ПРОХОДИЛ
СЛЕДИТЕ ЗА ОБНОВЛЕНИЯМИ НА VK.COM/TEACHINMSU
ПРОФ РЕДАКТУРУ И МОЖЕТ СОДЕРЖАТЬ ОШИБКИ
Рис. 7.11 Образование Аминоацил-тРНК
129
ОБЩАЯ БИОЛОГИЯ
АСЕЕВ ВИКТОР ВАСИЛЬЕВИЧ
КОНСПЕКТ ПОДГОТОВЛЕН СТУДЕНТАМИ, НЕ ПРОХОДИЛ
СЛЕДИТЕ ЗА ОБНОВЛЕНИЯМИ НА VK.COM/TEACHINMSU
ПРОФ РЕДАКТУРУ И МОЖЕТ СОДЕРЖАТЬ ОШИБКИ
Лекция 8. Трансляция. Энергетический
обмен.
Каждая аминокислота кодируется триплетом нуклеотидов. Аминокислота
прикрепляется к специальной молекуле-адаптеру – тРНК, которая с помощью
антикодона узнает нужный кодон матричной РНК (рис. 7.8). Кодон-антикодоновое
взаимодействие осуществляется за счет водородных связей между комплементарными
основаниями (каждая пара образует либо 2, либо 3 водородные связи).
Значит, если все три нуклеотида комплементарны, образуется как минимум 6
водородных связей. Если комплементарно только два – максимум 6.
Само по себе кодон-антикодоновое взаимодействие слишком слабо, чтобы удерживать
две большие молекулы вместе. Нужна некая организующая структура, в которой эти
молекулы будут правильно ориентироваться. Такой структурой являются рибосомы.
Рибосомы
Структура
Рибосомы – довольно крупные молекулярные агрегаты, образованные РНК и белком.
История изучения:
Рибосомы были открыты независимо двумя способами в 40-е – 50-е годы 20-го века.
1. Электронная микроскопия.
Оказалось, что во всех живых клетках присутствуют некие электронно-плотные
частицы, имеющие стандартный размер.
На самом деле в электронный микроскоп невозможно увидеть структуры, построенные
из биологических материалов, молекулы которых состоят из легких элементов:
углерод, водород, кислород, азот. Эти атомы довольно плохо поглощают электроны, то
есть, будут прозрачными на снимке. А материалы, которые из них образуются, имеют
примерно одинаковую плотность поглощения электронов, то есть, вся клетка будет
выглядеть более-менее однородно.
Что сделать для того, чтобы увидеть четкие структуры?
• Убрать воду, как основной компонент.
• Ввести атомы, хорошо поглощающие электроны, при этом по-разному
связывающие разные структуры. Чаще всего – тяжелые металлы или их
соединения.
130