6. Строение и свойства нуклеиновых кислот, их роль в передаче, хранении и воспроизведении наследственной информации (правила Чаргаффа, работы ф. Крика и д. Уотсона).

Нуклеиновые кислоты – высокомолекулярные органические соединения, биополимеры, образованные остатками нуклеотидов. Нуклеиновые кислоты ДНК и РНК присутствуют в клетках всех живых организмов и выполняют важнейшие функции по хранению, передаче и реализации наследственной информации.

В 1953 г. - Уотсон и Крик установили вторичную структуру ДНК – двойную спираль.

В 1949-51 гг. Эрвин Чаргафф сформулировал правила, осмысливающее количественные соотношения между азотистыми основаниями.

1. Количество Аденина = количеству Тимина (двойная связь), а Гуанина=Цитозина (тройная связь) и связь между основаниями водородная.

2. Количество пуринов равно количеству пиримидинов: А+Г=Т+Ц

3. Количество оснований с аминогруппами в положении 6 равно количеству оснований с кетогруппами в положении 6: А+Ц=Г+Т.

Вместе с тем, соотношение (А+Т)/(Г+Ц) может быть различным. У ДНК разных видов – коэффициент специфичности ДНК.

ДНК – линейный биополимер в виде спирали (2 нм). Длина шага 3,4 нм, ширина спирали 0,34 нм. Цепи ДНК коллинеарны и параллельны. Мономер – нуклеотид, углевод – дезоксирибоза, азотистый остатки: пуриновые А,Г – пяти-и шестичленный цикл, пиримидиновые Т,Ц – шестичленный цикл. Связи между нуклеотидами в цепи образуются за счет дезоксирибозы и фосфатной группы. ДНК открыта Мишером в 1869 г. Локализация ДНК – ядро, митохондрии, пластиды, у прокариот в цитоплазме.

Функции ДНК – 1) хранение генетической информации; 2) передача генетической информации в процессе деления клетки на основе редупликации; 3) матрица для синтеза всех РНК клетки.

РНК – одиночная полинуклеотидная цепочка. Мономер – рибонуклеотид, углевод – рибоза, азотистые основания – пуриновые А,Г, пиримидиновые Ц,У. Локализация РНК – ядрышко, рибосомы, цитоплазма, митохондрии, хлоропласты. Виды РНК: 1) иРНК (1%) – матрица для синтеза белков; 2) тРНК (>10%) – перенос аминокислот из цитоплазмы к рибосомам; 3) рРНК (90%) – формирует структуру рибосом, участвует в инициации и терминации белкового синтеза.

Свойства ДНК – репликация, репарация. (см лекцию!)

Редупликация ДНК

Полуконсервативный метод – каждая материнская цепочка материнской молекулы ДНК является матрицей для синтеза дочерней.

- синтез на материнских цепочках идет параллельно.

- проходит от начала и до конца матрицы.

Суть репликации днк заключается в том, что специальный фермент разрывает слабые водородные связи, которые соединяют между собой нуклеотиды двух цепей. В результате цепи ДНК разъединяются, и из каждой цепи «торчат» свободные азотистые основания (возникновение так называемой вилки репликации). Особый фермент ДНК-полимераза начинает двигаться вдоль свободной цепи ДНК от 5'- к З'-концу (лидирующая цепь), помогая присоединиться свободным нуклеотидам, постоянно синтезируемым в клетке, к З'-концу вновь синтезируемой цепи ДНК. На второй нити ДНК (отстающая нить) новая ДНК образуется в виде небольших сегментов, состоящих из 1000—2000 нуклеотидов (фрагменты Оказаки).

Для начала репликации днк фрагментов этой нити требуется синтез коротких фрагментов РНК (о характерных особенностях РНК будет сказано ниже) как затравок, для чего используется особый фермент — РНК-полимераза (праймаза). Впоследствии праймеры РНК удаляются, в образовавшиеся бреши встраивается ДНК с помощью ДНК полимеразы I. Таким образом, каждая цепь ДНК используется как матрица или шаблон для построения комплементарной цепи и репликация ДНК является полуконсервативной (т.е. одна нить в новой молекуле ДНК — «старая», а вторая — новая). Для репликации лидирующей и отстающей цепей клеткой используют разные ферменты. В результате репликации образуются две новые абсолютно идентичные молекулы ДНК, идентичные также исходной молекуле ДНК до начала ее редупликации (более подробно процесс репликации ДНК показан на рис. 3.5). ДНК-полимераза, как и любой другой фермент, существенно ускоряет процесс присоединения комплементарных нуклеотидов к свободной цепи ДНК, однако химическое сродство аденина к тимину, а цитозина к гуанину столь велико, что они соединяются друг с другом и в отсутствие ДНК-полимеразы в простой реакционной смеси1. Можно сказать, несколько упрощая, что феномен точного удвоения молекулы ДНК, в основе которого лежит компле-ментарность оснований этой молекулы, составляет молекулярную основу наследственности. Скорость репликации ДНК у человека относительно низкая и для того, чтобы обеспечить репликацию ДНК любой хромосомы человека, требовались бы недели, если бы репликация начиналась из одной точки. На самом деле в молекуле ДНК любой хромосомы, а-каждая хромосома человека содержит только одну молекулу ДНК, имеется множество мест инициации репликации (репликонов). От каждого репликона репликация идет в обоих направлениях до тех пор, пока соседние репликоны не сливаются. Поэтому репликация ДНК в каждой хромосоме протекает относительно быстро.

А. Вилка репликации. Новая нить ДНК синтезируется только в направлении от 5'- к З'-концу. Каждая из двух нитей ДНК служит матрицей для синтеза новой нити. Так как родительские нити антипараллельны, то непрерывная репликация ДНК происходит в направлении 5' -> 3' только на одной нити, которая называется ведущей (лидирующей). Б. Синтез новой цепи на отстающей нити требует постоянного образования новых затравок для начала репликации и осуществляется небольшими сегментами по 1000—2000 нуклеотидов в каждом (фрагменты Оказаки). Заправки представляют собой короткие последовательности РНК, которые синтезируются при участии РНК-полимеразы (праймазы). Затравки деградируют после завершения синтеза следующего фрагмента Оказаки. Образованные соседние фрагменты ДНК соединяются ДНК-лигазой. В. Показано, как происходит движение репликативной вилки. Топоизоме-раза удаляет супервитки спирали, хеликаза обеспечивает раскручивание двойной спирали, белок SSB обеспечивает стабильность одноцепочечной ДНК

Репликон – единица репликации цепи.

Репарация (см лекцию)

7. Принцип кодирования и реализации генетической информации в клетке. Свойства генетического кода, их биологический смысл. Этапы реализации информации, их характеристика. Понятие о прямой и обратной транскрипции. Роль ревертаз.

Ген – структурная и функциональная единица наследственности, контролирующая развитие определенного признака или свойства. Совокупность генов родители передают потомкам во время размножения. В настоящее время в молекулярной биологии установлено, что гены – участки ДНК, несущие какую-либо целостную информацию – о строении одной молекулы белка или одной молекулы РНК. Эти и другие функциональные молекулы определяют рост, развитие и функционирование организма.

У прокариот гены имеют цистронное строение. Цистрон – участок ДНК, кодирующий одну полипептидную цепь. У эукариот – мозаичное строение, кодирующие участки – экзоны, некодирующие – интроны; (интронов больше.)

Принцип генетического кодирования:

Ген несет информацию или о ДНК, или о РНК. Последовательность аминокислот закодирована с помощью генетического кода (расшифрован Гамовым).

Генетический код – система записей информации в молекулах нуклеиновых кислот в виде последовательности нуклеотидов, определяющих порядок расположения аминокислот в молекулах белка.

Принцип: одна аминокислота кодируется 3 нуклеотидами (триплет).

Кодовая группа – кодон (триплет). Всего в генетическом коде 64 кодона: 61 смысловой, 3 нонсенса (стоп-кодоны, кодоны – терминаторы).

Свойства генетического кода:

1. Триплетность – одна аминокислота кодирует триплет;

2. Универсальность – для всех живых организмов одни и те же кодоны кодируют одни и те же аминокислоты;

3. Вырожденность – для одной аминокислоты есть несколько триплетов;

4. «Без запятых» - считывание идет в одном направлении, без вставок;

5. Специфичность – один кодон-одна аминокислота;

6. Коллинеарность – соответствие линейного расположения кодонов нуклеиновой кислоты и аминокислоты в полипептиде.

Реализация генетической информации в клетке. Этапы (см тетрадь)

Центральная догма молекулярной биологии. (Уотсон - ДНК - хранилище информации о структуре белка. Посредником между ними является РНК. Предполагавшийся механизм полуконсервативной репликации ДНК был к этому времени подтвержден экспериментом.)

1. ДНК=(ДНК-полимераза)>ДНК =(транскрипция, фермент – РНК-полимераза)> иРНК =(транскрипция)> белок.

2. ДНК <= ДНК <(обратная транскрипция, фермент ревертаза)= иРНК

Ревертаза - фермент, катализирующий синтез ДНК на матрице РНК в процессе, называемом обратной транскрипцией. Обратная транскрипция — это процесс образования двуцепочечной ДНК на матрице одноцепочечной РНК. Данный процесс называется обратной транскрипцией, так как передача генетической информации при этом происходит в «обратном», относительно транскрипции, направлении.

Реакция обратной транскрипции характерна для ретровирусов, она представляет собой многостадийный процесс, включающий так называемые «прыжки» - ревертазы. После попадания вирусной РНК (н-р ВИЧ) в клетку обратная транскриптаза (ревертаза), содержащаяся в вирусных частицах, синтезирует комплементарную ей ДНК, а затем на этой цепи ДНК, как на матрице, достраивает вторую цепь.