МОЛЕКУЛЯРНЫЕ АСПЕКТЫ ПЕРЕДАЧИ ГЕНЕТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ Первичная структура ДНК – это определенная последовательность дезоксирибонуклеотидов в полинуклеотидной цепи, связанных 3,5- фосфодиэфирными связями. На 5-конце находится фосфатная группа, на 3 - конце – ОН-группа пентозы. Вторичная структура ДНК - это двойная спираль, образованная двумя полинуклеотидными цепями, закрученными вокруг общей оси и расположенными антипараллельно. Цепи удерживаются за счет водородных связей между комплементарными нуклеотидами А -Т и G-C, лежащими в одной плоскости (перпендикулярной оси). Спираль стабилизирована гидрофобными взаимодействиями между основаниями. Цепи комплиментарны, но не идентичны друг другу, их состав различен. Генетическая информация хранится в ядре клеток, зашифрованная в виде последовательности нуклеотидов в первичной структуре ДНК.

Каждая молекула ДНК упакована в отдельную хромосому, которая содержит также разнообразные белки, т.е. ДНК находится в клетке в комплексе с белками, образуя нуклеопротеин - хроматин или хромосомы. Итак, в каждой хромосоме находится одна гиганская ДНК, в среднем содержащая 150 млн нуклеотидных пар, длина молекулы 3-5 см. Величина хромасомы - 1нм, т.е. ДНК суперспирализована, линейный размер каждой молекулы ДНК уменьшается в 8000 раз! Состав хроматина: ДНК % гистоны % - основные белки небольшого размера с высоким содержанием положительно заряженных аминокислот - аргинина и лизина. Имеется 5 типов гистонов: Н2А, Н2В, Н3, Н4 - образуют нуклеосомы, которые состоят из 146 пар нуклеотидов ДНК (заряженных отрицательно) и восьми гистонов, имеющих положительный заряд, Н1 - связываются с ДНК в межнуклео- сомных участках (линкерных последовательностях) и защищают их от действия нуклеаз негистоновые белки (кислые)- 4-33% - это регуляторные белки и ферменты РНК % Гаплоидный геном каждой клетки человека включает 3,5 10 пар оснований (23 пары хромосом) достаточно для 1,5 млн пар генов, а кодируется только белков

Нуклеиновые кислоты и белки называют информационными молекулами, так как в чередовании их мономеров заложен определенный смысл. Последовательность нуклеотидов в ДНК определяет структуру всех белков клетки. Участки ДНК (гены), кодирующие определенные белки, копируются (транскрибируются) в виде полинуклеотидной цепи матричной РНК, которая затем служит матрицей для синтеза белка. Таким образом, генетическая информация, записанная в ДНК (в генотипе) обеспечивает образование фенотипических признаков клетки, то есть генотип трансформируется в фенотип. Это направление потока информации включает три типа матричных синтезов. Функции ДНК Генетическая информация, заложенная в ДНК, служит двум целям: 1 - передача генетической информации дочерней ДНК при делении клетки, т.е. передача самой себя в ряду клеточных поколений и поколений организмов ; 2 - для биосинтеза белковых молекул, т.е. передача генетической информации на РНК в процессе жизнедеятельности Обе функции основаны на том, что молекула ДНК служит матрицей : в первом случае для репликации, во втором - для транскрипции. Экспрессия генов: транскрипция трансляция белок РНК ДНК Поток генетической информации: рРНК ДНК мРНК белок тРНК 1 – репликация- синтез ДНК на матрице ДНК 2 - транскрипция-синтез РНК на матрице ДНК, обратная транскрипция - синтез ДНК на матрице РНК (онковирусы) 3 - трансляция - синтез белка на матрице РНК 1 2 3

РЕПЛИКАЦИЯ – процесс удвоения ДНК, суть которого состоит в о бразовании идентичных копий ДНК для передачи генетической информации в поколениях клеток и организмов. Принципы репликации: Комплементарность Антипараллельность Униполярность Потребность в затравке Прерывистость. Полуконсервативность Реплисома - мультиферментный комплекс - ДНК-репликазная система, которая включает около 20 ферментов и белковых факторов: 1 - топоизомераза (гираза) - обратимая нуклеаза, сначала она разрывает цепь ДНК, а по окончании репликации зашивает временные надрезы, раскручивает суперспирализованную ДНК и выполняет шарнирную функцию - препятствует вращению суперспирализованной цепи (вносит одноцепочечные разрывы в цепь ДНК и тут же ее репарирует) 2 - хеликаза - использует энергию АТФ для расплет е ния двойной спирали ДНК, разрывает водородные связи между комплиментарными нуклеотидами в двойной цепи ДНК (застежка молния) 3 - ДНК-зависимая РНК-полимераза (праймаза) - синтезирует праймер - о л игорибонуклео тид, служащий затравкой для ДНК-полимеразы III 4 - ДНК- полимераза I (фермент Корнберга)- расщепляет праймер (обладает нуклеазной активностью) и на его месте синтезирует комплиментарную цепь ДНК (обладает полимеразной активностью), заполняет бреши. 5 - ДНК-полимераза III -основной фермент репликации - синтезирует комплиментарные дочерние цепи на разошедших с я материнских цепях в направлении 5 3. Она не способна инициировать синтез новой цепи ДНК, может лишь удлинять затравку-праймер. Образует 3,5-фосфоэфирные связи между нуклеотидами, используя в качестве субстратов нуклеозидтрифосфаты (НТФ). 6 - ДНК-лигаза сшивает фрагменты синтезированной дочерней ДНК

Для репликации необходим ряд условий: наличие д езоксирибонуклеотидтри - фосфатов (дАТФ, дГТФ, дЦТФ. дТТФ) в качестве структурного материала при сборке новых цепей ДНК и в качестве источников энергии расплетение двойной спирали ДНК и формирование р епликативной вилки образование затравки – праймера наличие ферментов и специфических белков, участвующих в репликации (реплисомы) наличие ионов магния, которые необходимы для действия всех полимераз Суммарное уравнение репликации: n дАТФ ДНК-матрица дАМФn n дГТФ ДНК дГМФn + (n+n+n+n) ФФ n дЦТФ ДНК-полимераза дЦМФn n дТТФ дТМФn Синтез каждой дочерней цепи ДНК идет комплементарно и антипараллельно матричной цепи и всегда в направлении 5' 3'.

В бактериях репликация начинается со специфической точки в кольцевой ДНК (область начала репликации) и продолжается в обоих направлениях. В результате образуются две репликативные вилки, которые продвигаются в противоположных направлениях, т. е. обе цепи реплицируются одновременно В настоящее время процесс репликации у прокариот достаточно изучен, в то время как многие аспекты эукариотической репликации остаются неясными. Однако с большой долей вероятности можно утверждать, что в большинстве клеток этот процесс протекает в основном одинаково. 1. Инициация ДНК-полимераза не способна начинать синтез новой цепи с ее первого нуклеотида. Она может удлинять уже имеющуюся цепь, поэтому для начала реакции требуется РНК-затравка (праймер), которая представляет собой короткий олигорибонуклеотид ( нуклеотидов), комплементарный матричной цепи ДНК. Синтез начинается с реакции между 3-ОН группы РНК-затравки и 5-ОН-фосфатной группы дезоксинуклеозидтрифосфата с выщеплением пирофосфата. Выбор очередного нуклеотида на каждом шаге синтеза определяется матричной цепью ДНК согласно правилу компл е ментарности (Уотсон и Крик, 1953 г.) ЭТАПЫ Р ЕПЛИКАЦИИ 2. Элонгация Репликация на двух антипараллельных цепях происходит одновременно. Однако, в направлении 3 5 синтез идти не может, поэтому на одной цепи - лидирующей - полимеризация идет непрерывно, а на второй – запаздывающей - синтез идет фрагментами Оказаки по нуклеотидов против движения репликативной вилки. Каждый такой фрагмент содержит праймер, который удаляет ДНК-полимераза I, постепенно отрезая от 5-конца по одному рибонуклеотиду, а к 3-концу фрагмента она присоединяет дезоксирибонуклеотиды, заполняя брешь. Сшивает фрагменты ДНК-лигаза. 3. Терминация. Заканчивается репликация тогда, когда вся матрица скопирована. В образованной таким образом двойной спирали ДНК только одна из цепей синтезирована заново. Поэтому говорят, что репликация ДНК происходит по полуконсервативному механизму. У E.coli петля растет со скоростью 1000 пар нуклеотидов в секунду. Для репликации всей молекулы хромосомной ДНК этой бактерии необходимо 42 минуты. У эукариот репликативная петля растет со скоростью 100 п.н. в секунду. Вероятно, это связано с наличием связи с гистонами. У человека для полной дупликации ДНК необходимо 8 часов.

РЕПАРАЦИЯ ПОВРЕЖДЕНИЙ И ОШИБОК ДНК Передача генетической информации в неискаженном виде - в а жнейшее условие сохранения вида. Это обеспечивается за счет комплементарности. Однако, возможны как ошибки репликации, так и неблагоприятное действие окружающей среды (радиация, УФ-облучение, химические агенты). Cуществует специальная система мониторинга точности спаривания нуклеотидов, причем осуществляется двойная проверка: - при включении ДРН в растущую цепь - после включения ДРН путем удаления ошибочных нуклеотидов ( ошибки происходят не чаще, чем 1 раз на 10 пар оснований ). Причины индуцированных нарушений алкилирование азотистых оснований (алкилирующие агенты применяются как ингибиторы новообразований) образование сшивок - пиримидиновых димеров между соседними основаниями (тимином) под действием УФ-облучения Репарация – удаление поврежденных участков ДНК или ошибочно встроенных нуклеотидов в результате действия специальных эндо - и экзонуклеаз. Этапы реперации: 1)узнавание места повреждения и расщепления связи эндонуклеазой 2)достройка латка поврежденной цепи ДНК-полимеразой 1 3)отщепление поврежденного участка эндонуклеазой 4)сшивание 3-конца латки с 5-концом основной цепи ДНК-лигазой Причины спонтанных нарушений ошибки репликации депуринизация вследствие непрочности N-гликозидной связи в пуринах дезаминирование (Ц У, А Г, Г Х)

Генные мутации Изменения генетической программы ДНК клеток называются мутациями. Различают хромосомные мутации (изменение числа хромосом, хромосомные абберации) и молекулярные или генные мутации. Генные мутации - это наследуемые изменения первичной структуры ДНК, которые ведут либо к прекращению синтеза белка, либо к синтезу измененного, дефектного белка. Мутации в регуляторных участках оперона ведут к нарушению регуляции или прекращению синтеза ДНК. Существуют следующие варианты генных мутаций: Транзиция - замена пар оснований Миссенс-мутация - приводит к изменению смысла кодона при замене нуклеотида, а, значит, к синтезу измененного белка. Например, серповидно- клеточная анемия: кодон, отвечающий за включение глу в цепь гемоглобина, превращается в кодон вал. Замена одного нуклеотида не всегда ведет к изменению смысла кодона (т.к. код вырожденный) - такое изменение ДНК фенотипически не проявляется. Нонсенс-мутация - в результате замены образуется один из терминирующих кодонов, при этом синтез белка прекращается и образуется незавершенный белок. Делеция - выпадение одной пары или групп оснований Вставка одной пары или групп оснований. Эти мутации могут быть как с изменением рамки считывания (выпадение или вставка одного или двух нуклеотидов), что ведет к синтезу бессмысленно белка, так и без изменения рамки считывания (три нуклеотида) - синтезируется белок, укороченный на 1 аминокислоту. Изменение местоположения отдельных участков ДНК. Нарушение репарации УФ-индуцированных повреждений ДНК (нарушение синтеза УФ-специфичной эндонуклеазы) приводит к сублетальному наследственному заболеванию – пигментной ксеродерме.