2 курс / Биохимия / Биохимия в рисунках и схемах

МОЛЕКУЛЯРНІ АСПЕКТИ ПЕРЕДАЧІ ГЕНЕТИЧНОЇ ІНФОРМАЦІЇ

" Генетична і нформація зберігається " в клітинних ядрах. Вона " зашифрована у вигляді послідовності"нуклеотидів"в"первинній"структурі"ДНК."

Первиння(структура(ДНК(

– це певна послідовність дезоксирибонуклеотидів в полінуклеотидному ланцюзі , зв'язаних 3’,5’- фосфодиефірними зв'язками .

На 5’-кінці знаходиться фосфатна група

на 3’-конце – ОН-група пентози .

Вторина(структура(ДНК!

На 5’-кінці знаходиться фосфатна група на 3’-кінці – ОН-група пентози .

- це подвійна спіраль , утворена двома полінуклеотидними ланцюгами , закрученими навкруги загальної осі і розташованими антипаралельно. Ланцюги утримуються за рахунок водневих зв'язків між нуклеотидами ,

що комплементарні -А -Т і G-C, та

лежать в одній площині (перпендикулярної осі). Спіраль стабілізована гідрофобними взаємодіями між основами .

Ланцюги комплиментарні , але не ідентичні один одному , їх склад розрізнений.

131

Склад(хроматину:(

!  ДНК"="30=40%" "гістоны(="30=50%""="основні"білки""""

невеликого"розміру"з"високим"вмістом"

позитивно"заряджених"амінокислот"="

аргініну"і"лізину."Є"5"типів"гистонів:"" Н2А,"Н2В,"Н3,"Н4"="утворюють"нуклеосоми,( які"складаються"з"146"пар"нуклеотидів" ДНК"(заряджених"негативно)"і"восьми" гістонів,"що"мають"позитивний"заряд."Н1"="" зв'язуються"з"ДНК"в"міжнуклеосомних" ділянках"(лінкерних"послідовностях)"і" захищають"їх"від"дії"нуклеаз "

 " негістонові( білки" (кислі)=" " 4=33%" " =це" регуляторні"білки"та"ферменти "  РНК"="1.5=10%"

" Гаплоїдний" геном" кожної"

клітини" людини" включає" 3,5" 10" " пар" основ" (23" пари" хромосом)" достатньо" для" 1,5" млн" пар" генів," а" кодується" тільки"100000"білків"

132

Функції(ДНК"

Генетична"інформація,"що"закладена"в"ДНК,"служить"двом"метам:! 1!="передача"генетичної"інформації"дочірньої"ДНК"при"розподілі"клітини,"тобто"

передача"самої"себе"у"ряді"клітинних"поколінь"і"поколінь"організмів;! 2!="для"біосинтезу"білкових"молекул,"тобто"передача"генетичної"інформації"на" РНК"в"процесі"життєдіяльності" Обидві"функції"засновано"на"тому,"що"молекула"ДНК"служить"матрицею:"в" першому"випадку"для"реплікації,"в"другому"="для"транскрипції.""

Нуклеїнові кислоти і білки називають інформаційними молекулами , оскільки в чергуванні їх мономерів закладено певне значення . Послідовність нуклеотидів в ДНК визначає структуру всіх білків клітки. Ділянки ДНК (гени), кодуючі певні білки, копіюються (транскрибіруються ) у вигляді полінуклеотидного ланцюга матричної РНК, яка потім служить матрицею для синтезу білка. Таким чином , генетична інформація , записана в ДНК (в генотипі ) забезпечує утворення фенотипічних ознак клітини , тобто генотип трансформується у фенотип . Цей напрямок потоку інформації включає три типи матричних синтезів .

133

РЕПЛІКАЦІЯ – процес подвоєння ДНК, суть якого складається в утворенні ідентичних копій ДНК для передачі генетичної

система, яка " включає біля " 20" ферментв"і"білкових"факторів:"

6

1 - топоізомераза (гіраза) - зворотня нуклеаза , спочатку вона розриває ланцюг ДНК, а після закінчення реплікації зашиває тимчасові надрізи , розкручує суперспіраль ДНК і виконує “шарнірну функцію ” - перешкоджає обертанню суперспіралізованого ланцюга , (вносить одноланцюгові розриви в ланцюг ДНК і тут же її репарує .)

2- хеліказа - використовує енергію АТФ для розплітання подвійної спіралі ДНК, розриває водневі зв'язки між компліментарними нуклеотидами в

подвійному ланцюзі ДНК (застібка “блискавка ”)

3 - ДНК-залежна РНК-полімераза (праймаза ) синтезує- праймер -

олігорибонуклеотид , який є затравкою для ДНК-полімерази III

4 - ДНКполимераза I (фермент Корнберга)- розщеплює праймер (володіє нуклеазною активністю ) і на його місці синтезує компліментарний ланцюг ДНК (володіє полімеразною активністю ), заповнює проломи .

5 - ДНК-полімераза III -основний фермент реплікаці-ї синтезує компліментарні дочірні ланцюги на материнських ланцюгах , що

розійшлися , у напрямі 5’ → 3’. Вона не здатна ініціювати синтез нового ланцюга ДНК, може лише подовжувати затравку -праймер . Утворює 3,5- фосфоефірні зв'язки між нуклеотидами , використовуючи як субстрати нуклеозидтрифосфати (НТФ).

6 - ДНК-лігаза зшиває фрагменти синтезованої дочірньої ДНК.

134

Сумарне!рівняння!реплікації:!

""""""n"дАТФ""""""""""""""ДНК=матрица"""""""""""""""" "дАМФn"

""""""n"дТТФ""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""дТМФn"

Синтез( кожного( дочірнього( ланцюга( ДНК( іде комплементарно( та антипараллельно до(матричного(ланцюга , та завждив(напрямку 5'((((((((→3'.((

Для"реплікації є необхідним" ряд"умов:"

наявність"  дезоксирибо= нуклеотидтрифосфатів" (дАТФ," дГТФ," дЦТФ." дТТФ)," як" структурного" матеріалу" при" збірці"нових"ланцюгів"ДНК"і"як джерела"енергії"

розплетення  подвійної " спіралі" ДНК," формування реплікативної"вилки"

утворення  " “затравки”" –" праймера"

на  явність" ионів" магнію, що є необхідними для" дії" всіх" полімераз"

135

Наявність дезоксирибонуклеотидтрифосфатів (дАТФ, дГТФ, дЦТФ , дТТФ), як структурний матеріал для нових ланцюгів ДНК і як джерела енергії . В даний час процес реплікації у прокариот достатньо вивчений , тоді як багато аспектів реплікації еукаріот залишаються неясними . Проте з великою часткою вірогідності можна стверджувати , що в більшості клітин цей процес протікає подібно

В бактеріях реплікація починається із специфічної крапки в кільцевій ДНК (область початку реплікації ) і продовжується в обох напрямах . В результаті утворюються дві репликативні вилки, які просуваються в протилежних напрямках , тобто обидва ланцюги репліцируються одночасно

1.!Ініціація!!! "ЭТАПИ(РЕПЛІКАЦІЇ(!"

ДНК-полімераза не здатна починати синтез нового ланцюга з її першого нуклеотида . Вона може подовжувати вже наявний ланцюг , тому для початку реакції потрібнаРНКприманка (праймер ), якою є короткий олігорибонуклеотид (100-200 нуклеотидов ), комплементарний до матричного ланцюга ДНК. Синтез починається з реакції між 3’- ОН групи РНК-приманки та 5’-ОН-фосфатної групи дезоксинуклеозидтрифосфата з видаленням пірофосфату . Вибір чергового нуклеотида на кожному кроці синтезу

визначається матричним ланцюгом ДНК згідно правилу комплементарности (Уотсон і Крик, 1953 р.)"

2.!Елонгація!

Реплікація на двох антипаралельних ланцюгах відбувається одночасно . Проте , у

фрагментами Оказаки по 150 - 200 нуклеотидів проти руху реплікативної вилки. Кожний такий фрагмент містить праймер , який видаляє ДНК-полімераза I, поступово відрізуючи від 5’-кінця поодинці рибонуклеотиди , а до 3’-концу фрагмента вона приєднує дезоксирибонуклеотиди , заповнюючи пролом . Зшиває фрагменти ДНКлігаза."

3.!Термінація""

Закінчується реплікація тоді, коли вся матриця скопійована . В утвореній таким чином подвійній спіралі ДНК тільки один з ланцюгів синтезований наново . Тому говорять , що

реплікація ДНК відбувається понапівконсервативному механізму. У E.coli петля росте із швидкістю 1000 пара нуклеотидів за секунду . Для реплікації всієї молекули хромосомної ДНК цієї бактерії необхідні 42 хвилини . У еукаріот реплікативна петля

росте із швидкістю 100 п.н. в секунду . Ймовірно , це пов'язано з наявністю зв'язку з гістонами . У людини для повної дуплікації ДНК необхідні 8 годин."

136

РЕПАРАЦІЯ ПОВШКОДЖЕНЬ ТА ПОМИЛОК ДНК

Передача"генетичної"інформації"в"неспотвореному"вигляді"="найважливіша"умова"

збереження"вигляду."Це"забезпечується"за"рахунок"комплементарности."Проте,"

можливі"як"помилки"реплікації,"так"і"несприятлива"дія"навколишнього"середовища" (радіація,"УФ=опромінення,"хімічні"агенти).""

Існує"спеціальна"система"моніторингу"точності"спаровування"нуклеотидів,"причому"

здійснюється"подвійна"перевірка:""

="при"включенні"ДРН"в"ланцюг,"що"росте"

="після"включення"ДРН"шляхом"видалення"помилкових"нуклеотидів"(помилки" відбуваються"не"частіше,"ніж"1"разів"на"10""пар"основ).

((((((((((((((((((((((((Причини(спонтанних(порушень

"  помилки"репликації

"депурин  ізація"з-за слабкої"N=гликозидного"зв'язку в"пуринах" "дезам  інування "(Ц У,"А Г,"Г Х)"

"Причини(індукованих(порушень(

"алк  ілірування"азотових"основ"(алкілюючі агенти"застосовуються як інгібітори" новоутворувань)"

утворення  "зшивок"="піримідинових"димеров"між"сусідніми"основами"(тиміном)"під" дією УФ=опромінення"

Репарація!–!видалення"пошкоджених" ділянок"ДНК"або"помилково"вбудованих" нуклеотидів"в"результаті"дії"спеціальних" ендо"="та"екзонуклеаз.""

Этапи(репарації:"

1)  впізнавання"місця"пошкодження" розщеплювання"зв'язку"ендонуклеазою""

2)"добудова"="“латка”"=""пошкодженого"ланцюгу"

ДНК=полімеразою"

3)"відщеплення"ушкодженої"ділянки"

ендонуклеазою""

4)"зшивання"3=кінця"латки"з"5=кінцем""основного"

ланцюга"ДНК=лігазю

137

Порушення репарації УФ-індукованих пошкоджень ДНК (порушення синтезу УФ-специфічної ендонуклеази ) приводить до сублетального спадкового захворювання –пігментної ксеродерми.

Генні мутації

Зміни генетичної програми ДНК клітин - це мутації . Розрізняють хромосомні мутації (зміна числа хромосом , хромосомні аберації ) і молекулярні або генні мутації .

Генні мутації - це успадковані зміни первинної структури ДНК, які ведуть або до припинення синтезу білка, або до синтезу зміненого , дефектного білка.

Мутації в регуляторних ділянках оперона ведуть до порушення регуляції або до припинення синтезу ДНК.

Існують наступні варіанти генних мутацій:   Транзиція - заміна пар основ

Місенс -мутація - приводить до зміни значення кодону при заміні нуклеотида , а, значить , до синтезу зміненого білка. Наприклад , серповидно -клітинна анемія : кодон, що відповідає за включення глу в ланцюг гемоглобіну , перетворюється на кодон вал.

Заміна одного нуклеотида не завжди веде до зміни значення кодону (оскільки код вироджений ) - така зміна ДНК фенотипічно не виявляється.

  Нонсенс -мутація - в результаті заміни образуется один з термінуючих кодонів , при цьому синтез белка препиняється та утворюється незавершений білок.

  Делеція - випадіння однієї пари або групи основ

  Вставка однієї пари або групи основ. Ці мутації можуть бути як із зміною рамки зчитування (випадання або вставка одного або двох нуклеотидів ), що веде до синтезу безглуздого білка, так і без зміни рамки зчитування (три нуклеотиди ) - синтезується білок, вкорочений на 1 амінокислоту.

  Зміна місцеположення окремих ділянок ДНК.

138

Транскрипція – це синтез всіх видів РНК по матриці ДНК, який здійснюється ферментом ДНК-залежною РНК-полімеразою .

Молекула ДНК, що береже генетичну інформацію , безпосередньої участі в синтезі білка не приймає , але інформація , що записана в послідовності нуклеотидів ДНК, копіюється (транскрибується ) у вигляді м-РНК з подальшою трансляцією в поліпептидний ланцюг білка. Транскрипція , як і реплікація ДНК, - ендергічний процес , зв'язаний з використанням нуклеозидтрифосфатів (АТФ, ГТФ, УТФ, ЦТФ) в якостісубстратів та джерел енергії.""

Принципи(транскрипції:((

"""  Комплементарність."" """А  нтипаралельність.!" """  Уніполярність.!"

"""  Беззатравочність."" """  Асиметричність.!"

РНК синтезується комплементарно і антипаралельно ланцюгу ДНК, який транскрибується . Подовження ланцюга РНК йде тільки у напрямку5' → 3'. Для початку синтезу РНК фермент не потребує поліабо олігонуклеотидну приманку . Ланцюг ДНК, на якому йде транскрипція , називається кодуючим ,

Структура!оперона!

Промотор!:""участок оперона , існує для впізнавання ферментомРНКполімеразою .Послідовність основ по ходу ланцюга ДНК, що знаходиться нижче

за сайтом промотора в напрямку 3’→ 5’, використовується як матриця для синтезу РНК. До промотора може приєднуватиськомплекс цАМФ-БАК- білокактиватор катаболічного гена), що полегшує РНК-полімеразі початок транскрипції

структурних генів.

139

Пізнавання і міцне скріплення відбувається на різних ділянках ДНК. Ці ділянки відрізняються і по первинній , і по вторинній структурі . Шляхом

секвенірування виявили структуру багатьох промоторів . У більшості з них є

диспетчерська функція : він дозволяє або забороняє транскрипцію.

140