YOBA-3000 / Biologia_1_2 (1)

Кодирование и реализация генетической информации в клетке

Нуклеиновые кислоты

• 1868 – Мишер Иоганн Фридрих выделил из клеток гноя вещество – нуклеин. Провел химический анализ нуклеина и установил его кислотные свойства (1874).

• 1884 – Гертвиг Оскар: «Нуклеин – вещество, ответственное не только за оплодотворение, но и за передачу наследственных свойств».

• 1928 – Фредерик Гриффит: трансформация – изменение наследственных свойств клетки в результате проникновения в нее чужеродной ДНК.

• 1944 – Освальд Эвери установил, что трансформирующим агентом является ДНК.

• 1952 – Джошуа Ледерберг: Трансдукция – перенос генетической информации от одной бактериальной клетки к другой с помощью фага.

• 1952 г. Альфред Херши и Марта Чейз на бактериофагах с помощью радиоактивных изотопов показали, что в зараженную клетку передается только нуклеиновая кислота фага. Новое поколение фага содержит такие же белки и нуклеиновую кислоту, как исходный фаг.

Правила Эрвина Чаргаффа

• Количество аденина равно количеству тимина, а гуанина – цитозину А=Т, Г=Ц

• Количество пурринов равно количеству пиримидинов: А+Г=Т+Ц.

• Соотношение (А+Т)(Г+Ц) может быть различным у ДНК разных видов – коэффициент специфичности ДНК.

• Под комплементарностью понимают взаимное соответствие последовательностей оснований в противоположных цепях ДНК.

• Принцип комплементарности азотистых оснований лежит в основе всех матричных синтезов в клетке (репликации, транскрипции, трансляции, репарации)

1953 г. амер. биохимик Джеймс Уотсон и англ. Физик Френсис Крик – расшифровали модель структуры ДНК.

Модель структуры ДНК

Строение ДНК

• Линейный биополимер, диаметр 2 нм

• Цепи антипараллельны: 5’→3’ цепь – кодогенная, 3’→5’ цепь – матричная.

• Мономером является нуклеотид

1. Остаток фосфорной кислоты

2. Углевод – дезоксирибоза

3. Азотистые основания – пуриновые: аденин и гуанин, пиримидиновые: тимин и цитозин

Свойства:

1. Редупликация

2. Репарация

Функции:

1. Хранение генетической информации

2. Передача генетической информации на основе свойства редупликации.

3. Матрицей для синтеза всех РНК клетки.

Строение РНК

• Одна полинуклеотидная цепь

• Мономер – нуклеотид:

1. остаток фосфорной кислоты

2. углевод – рибоза

3. азотистые основания – пуриновые: аденин и гуанин, пиримидиновые: урацил и цитозин

Виды РНК

• Информационная – матрица для синтеза белка

• Транспортная – перенос аминокислот из цитоплазмы к рибосомам. Аминокислотный остаток присоединяется к 3’ концу молекулы т-РНК.

• Рибосомная РНК – формирует структуру рибосом, участвует в инициации и терминации белкового синтеза.

• Малые ядерные РНК – регуляторная роль

• Микро-РНК

Строение т-РНК

-антикодон -акцепторный участок

Молекулярная структура генов

Ген – (Гершензон) участок геномной нуклеиновой кислоты, характеризующийся специфической для него последовательности нуклеотидов, составляющий единицу функции, отличный от функции других генов и способный меняться путем мутирования. Ген кодирует белок, либо одну полипептидную цепь, либо РНК.

Молекулярная структура генов

• Ген прокариот имеет цистронное строение. Цистрон – участок ДНК, кодирующий одну полипептидную цепь.

• Ген эукариот содержит кодирующие участки – экзоны, некодирующие – интроны (мозаичное строение).

Реализация генетической информации в клетке

Центральная догма молекулярной биологии

*явление обратной транскрипции обнаружено у РНК-содержащих вирусов (основной фермент, который ведет обратную транскрипцию – ревертаза).

Генетический код

- система записи информации в молекулах нуклеиновых кислот в виде последовательности нуклеотидов, определяющих последовательность аминокислот в молекулах белков.

• Принцип генетического кодирования: одну аминокислоту кодирует три нуклеотида (триплет)

• Кодовая группа – кодон (триплет нуклеотидов)

• 64 кодона: 61-смысловой, 3-нонсенс (стоп-кодоны, кодоны-терминаторы)

*Свойства генетического кода – выучить

Репликация ДНК

• Полуконсервативный механизм (1958, Мезельсон и Сталь)

• Синтез на материнских цепочках ДНК идет антипараллельно, от 5’ → 3’ концу.

• Проходит от начала и до конца матрицы

• Единица репликации – репликон

Полуконсервативный механизм

Этапы репликации

1. Фермент ДНК-геликаза раскручивает материнскую спираль ДНК на две цепочки → образуется репликативная вилка

2. Цепочки ДНК фиксируются ДНк-связывающими белками

3. Белок-праймаза синтезирует праймеры (затравки)

4. ДНК-полимераза синтезирует новые цепочки ДНК в направлении от 5’-конца к 3’-концу. Одна цепочка – лидирующая, синтез идет непрерывно; вторая – запаздывающая, синтез идет фрагментами Оказаки (у прокариот – около 1000 н., у эукариот – 100-200 нуклеотидов).

5. ДНК-полимераза удлиняет фрагменты Оказаки, достраивая отстающую цепочку ДНК.

6. ДНК-липаза сшивает соседние участки, катализируя образование фосфодиэфирной связи.

Транскрипция

• Матрицей служит одна из цепочек ДНК (3’→5’) направленности

• Копируется небольшой участок матрицы: оперон у прокариот, транскриптон у эукариот, ограниченный промотором и терминатором

• Синтез ведет фермент РНК-полимераза

Этапы транскрипции

• Инициация. Связывание фермента РНК-полимеразы с промотором. Синтез РНК начинается с оснований A или G.

• Эпогинация – удлинение цепи.

• Терминация – прекращение роста цепи РНК на участках ДНК (терминаторах)

Трансляция.

• Активация аминокислот.

Образование аминоацил-т РНК

• Инициации.

Рибосома имеет 2 центра: пептидальный и аминоацильный. Инициирующий кодон – АУГ (AUG) к инициирующему кодону подходит первая транспортная РНК с аминокислотой метионин, поступает в пептидильный центр.

• Элонгация – удлинение пептидной цепи

В свободный аминоацильный центр поступает новая аминокислота.

Фермент пептидил-трансфераза переносит аминокислоту из пептидильного центра на аминокислоту в аминоацильный центр.

Рибосома сдвигается относительно матрицы ровно на один триплет. Дипептид оказывается в пептидильном центре. Пептидильный центр занят дипептидом, а аминоацильный центр, снова пустой, готов принять следующую аминокислоту.

• Терминации – окончание синтеза белка. Стоп-кодоны (УАГ, УАА, УГА)

Экспрессия генов у прокариот и эукариот (поток информации в клетке).

У прокариот:

-транскрипция ,

-трансляция,

причем эти процессы сопряжены во времени и в пространстве.

У эукариот:

-транскрипция

-процессинг (обусловлено молекулярной структурой гена)

-трансляция

*во время процессинга происходит созревание информационной (матричной) РНК

Процессинг у эукариот

• Проходит в ядре клетки

• Пре-и-РНК содержит участки комплементарные экзонам и интронам в молекуле ДНК

• Зрелая и-РНК – содержит участки комплементарные только экзонам.

Этапы процессинга эукариот

1. Фермент рестриктаза дробит пре-и-РНК на интроны и экзоны

2. Интроны удаляются, экзоны сшиваются ферментами лигазами в кодирующую зону (сплайсинг)

3. Образование КЭП-структуры в области 5’-конца матрицы

4. Образование Poly-A («хвост») в области 3’-конца (регулирует число циклов трансляции)

5. Образование информосомы с белками-переносчиками и выход зрелой и-РНК из ядра