МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ОСНОВЫ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ ПЛАН ЛЕКЦИИ 1. Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) – носитель генетической информации. 2. Строение нуклеиновых кислот (ДНК, РНК). 3. Реализация генетической информации в процессе биосинтеза белка в клетке: - репликация; - транскрипция; - трансляция, генетический код. 4. Современное представление о гене.

1. Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) – носитель генетической информации 1868 г. – Иоганн Мишер открыл в ядрах бактерий химические соединения: нуклеиновые кислоты 1928 г. – Николай Константинович Кольцов выдвинул научную гипотезу о ведущей роли ДНК в кодировании генетической информации

ПРЯМЫЕ ДОКАЗАТЕЛЬСТВА РОЛИ ДНК КАК НОСИТЕЛЯ НАСЛЕДСТВЕННОЙ ИНФОРМАЦИИ Первым прямым доказательством генетической роли ДНК послужило ее способность переносить наследственные свойства у пневмококков. Бактериолог Ф.Гриффитс в 1928 г. открыл трансформацию у бактерий in vivo Diplococcus pneumoniae. Штамм S (клетки покрыты полисахаридной оболочкой) – патогенный для мышей Штамм R (без полисахаридной оболочки) – непатогенный для мышей

ТРАНСФОРМАЦИЯ IN VIVO А - Штамм S Б - Штамм R В - Штамм S (+65°C- денатурация белка) Г- R+S (+65°C)

ТРАНСФОРМАЦИЯ IN VITRO 1944 г. – О.Эвери, К.Мак-Леод, М.Мак- Карти идентифицировали трансформирующий агент ДНК Diplococcus pneumoniae Добавление дезоксирибонуклеазы (ДНКазы) – фермента, специфически разрушающего ДНК, препятствовало трансформации

Схема эксперимента А.Херши и М.Чейз, которые доказали роль ДНК в размножении бактериофага Т2 (1952 г.)

ТРАНСДУКЦИЯ Схема переноса генетического материала от одного штамма к другому I – клетка А (lac+); II – фаг; III клетка В (lac-); IV – дочерние клетки (lac-, lac+) 1952 г. – Н.Циндер и Дж.Ледерберг ДНК фага + ДНК бактерии - профаг

КОСВЕННЫЕ ДОКАЗАТЕЛЬСТВА РОЛИ ДНК КАК НОСИТЕЛЯ НАСЛЕДСТВЕННОЙ ИНФОРМАЦИИ 1. ДНК – единственное вещество клетки способное к самоудвоению 2. Количество ДНК изменяется в митотическом цикле клетки 3. ДНК локализовано в хромосомах 4. В клетках разных организмов количество ДНК разное 5. В соматических клетках количество ДНК в два раза больше, чем в половых 6. Длина волны ДНК совпадает с длиной волны УФ (260 нм), которое оказывает мутагенное действие на структуру ДНК

2. Строение нуклеиновых кислот (ДНК, РНК) К 1952 г. было известно: ДНК представляет собой полимерную молекулу, в состав которой входят четыре основания: пуриновые аденин (А), гуанин (Г) и пиримидиновые тимин (Т), цитозин (Ц). Каждый из них соединен с одной молекулой сахара дезоксирибозой и с остатком фосфорной кислоты в виде дезоксирибонуклеотидов, которые и представляют собой мономеры, входящие в состав ДНК и образующие полинуклеотиды. Как показал в гг. Э. Чаргафф, количество А в любой молекуле ДНК равно количеству Т, а количество Г равно количеству Ц (правило Чаргаффа).

СТРОЕНИЕ НУКЛЕОТИДА ДНК

г о д Дж. Уотсон и Ф. Крик, опираясь на это правило, обобщили данные рентгеноструктурного анализа, полученные в лабораториях в 1952 г. М. Уилкинса и Р. Франклин, и построили молекулярную модель ДНК.

Дж. Уотсон и Ф. Крик так описали основные черты этой модели Число полинуклеотидных цепей равно двум. Цепи образуют правозакрученные спирали по 10 оснований в каждом витке. Цепи закручены одна вокруг другой и вокруг общей оси.

Последовательность атомов (по отношению к кольцу дезоксирибозы) одной цепи противоположна таковой в другой цепи, т. е. цепи антипараллельны. Фосфатные группировки находятся снаружи спиралей, а основания внутри и расположены с интервалом 0,34 ммк под прямым углом к оси молекулы. Цепи удерживаются вместе водородными связями между основаниями. Пары, образуемые основаниями А Т и Г Ц, в высшей степени специфичны. Таким образом, полинуклеотидные цепи комплементарны друг другу.

На основании этой модели Дж. Уотсон и Ф. Крик предположили, что гены отличаются друг от друга чередованием пар нуклеотидов, и наследственная информация закодирована в виде последовательности нуклеотидов.

ТИПЫ ДНК: Б – правозакрученная спираль (сахарофосфатный скелет образует регулярную спираль); В – левозакрученная спираль – Z-форма (фосфатные группировки соединяет ломаная линия)

СТРОЕНИЕ РНК Химический состав рибонуклеиновой кислоты (РНК) Аденин Гуанин Цитозин Урацил Фосфорная кислота Рибоза

ТИПЫ РНК Информационная (иРНК) Транспортная (тРНК) Рибосомная (рРНК)

3. Реализация генетической информации в процессе биосинтеза белка в клетке ОСНОВНОЙ ПОСТУЛАТ МОЛЕКУЛЯРНОЙ ГЕНЕТИКИ транскрипция трансляция ДНК иРНК белок репликация ДНК

СХЕМА БИОСИНТЕЗА БЕЛКА В КЛЕТКЕ

СХЕМА РЕПЛИКАЦИИ

РЕПЛИКАЦИЯ – синтез ДНК на матрице ДНК в соответствии с правилом комплементарности азотистых оснований: А = Т Г Ц НА ЦЕПОЧКЕ 3 ´ - 5 ´ (МАТРИЧНАЯ) синтезируется лидирующая цепочка новой ДНК 5 ´ - 3 ´ НА ЦЕПОЧКЕ 5 ´ - 3 ´ (СМЫСЛОВАЯ) синтезируется запаздывающая цепочка новой ДНК 3 ´ - 5 ´ фрагментами Оказаки (1000÷2000 пар нуклеотидов) ФЕРМЕНТЫ: Топоизомераза РНК полимераза – праймер (10 нуклеотидов РКН) ДНК полимераза РНК нуклеаза ДНК лигаза

ПОЛУКОНСЕРВАТИВНАЯ РЕПЛИКАЦИЯ ДНК

ТРАНСКРИПЦИЯ Транскрипция – это синтез РНК на матрице ДНК в соответствии с правилом комплементарности ДНК РНК А У Г Ц Т А Ц Г На матрице ДНК 3 ´ - 5 ´ синтез РНК 5 ´ - 3 ´ Фермент РНК полимераза

ТРАНСКРИПЦИЯ У ЭУКАРИОТ

ТРАНСЛЯЦИЯ Трансляция - синтез белка на матрице иРНК в соответствии с генетическим кодом. 4 азотистых основания (А, Г,У,Ц) кодируют 20 аминокислот 1 а.о. – 1 аминокислота – 4 а.к. 2 а.о. – 1 аминокислота – 4 2 =16 а.к. 3 а.о. – 1 аминокислота – 4 3 =64 а.к. Триплет – три нуклеотида, кодирующие одну аминокислоту

РАСШИФРОВКА ГЕНЕТИЧЕСКОГО КОДА ГЕНЕТИЧЕСКИЙ КОД – последовательность расположения нуклеотидов гена, определяющая последовательность расположения аминокислот в молекуле белка. В 1961 г. Ниренберг и Маттеи на V Международном биохимическом конгрессе в Москве сообщили об открытии триплета РНК (УУУ), кодирующего синтез полипептида, состоящего из одной аминокислоты – фенилаланина (поли фенилаланин) in vitro в присутствии фермента РНК синтетазы

гг. была проведена расшифровка всех триплетов (кодонов) генетического кода. За расшифровку генетического кода Р. Холли, Х.Корана, М. Ниренберг и С.Очоа получили Нобелевскую премию 1968 г. Из 64: 61 – смысловой и 3 – бессмысленных (нонсенс) кодона Бессмысленные кодоны являются терминаторами синтеза белка (УАА - охра, УАГ – амбер, УГА – опал)

ГЕНЕТИЧЕСКИЙ КОД Триплеты АУГ и ГУГ одновременно выполняют роль старт-кодонов (кодонов-инициаторов)

Схема процесса транскрипции ДНК РНК-полимеразой и трансляции

СВОЙСТВА ГЕНЕТИЧЕСКОГО КОДА Генетический код является триплетным, неперекрывающимся, вырожденным, не имеет «запятых», т.е. кодоны ничем не отделены друг от друга. Он считывается с фиксированной точки в пределах гена в одном направлении. «Сдвиг рамки» - формирование новых триплетов при потере или вставке нуклеотида, влечет изменение порядка аминокислот в белковой молекуле.

ЭТАПЫ СИНТЕЗА БЕЛКА 1. Активирование аминокислот – связь с АТФ при помощи аминоацил тРНК синтетазы 2. Перенос активированных аминокислот своей тРНК (20 разновидностей) к полирибосоме. Акцепторный участок ЦЦА 3. Построение аминокислот в порядке чередования нуклеотидов иРНК при участии рРНК 4. Полипептидная цепь приобретает объемную структуру, скручивается в спираль за счет замыкания водородных связей, принимает биологически активную конфигурацию

4. СОВРЕМЕННОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ О ГЕНЕ Ген – это участок молекулы ДНК (у некоторых вирусов РНК),кодирующий первичную структуру полипептида, молекулы тРНК, рРНК, либо взаимодействующий с регуляторным белком. Ген имеет дискретную структуру. Структурная единица гена, на уровне которой осуществляются мутации и рекомбинации, является одна пара нуклеотидов - сайт (site). Количество пар нуклеотидов гена может составлять от 150 до нескольких тысяч. Самые короткие гены РНК проймазы (10 п.н.) и тРНК (70-80 п.н.)

Гены эукариот, кодирующие порядок аминокислот в молекуле полипептида имеют прерывистую структуру, интроны (молчащие участки) чередуются с экзонами (смысловые). Суммарная длина интрона во много раз превышает длину экзонов. Начальная, инициирующая, и концевая, терминирующая, части гена имеют особое устройство. Ген – сложная уникальная структура, характеризующаяся специфическими особенностями в зависимости от его функций.