Функции ядра: хранение и передача наследственной информации

Основные вопросы лекции: 1. Доказательства роли ДНК в передаче наследственной информации (опыты по трансформации, трансдукции). 2. Химическая организация генетического материала. Строение нуклеиновых кислот (ДНК и РНК) их свойства и функции. 3. Тонкая структура гена, его дискретность (цистрон, рекон, мутон). Цистрон, его структура. 4. Взаимосвязь между геном и признаком. Сущность правила Бидла-Татума: ген – фермент. 5. Самовоспроизведение наследственного материала. Принципы и этапы репликации. Значение репликации. 6. Репарация как механизм поддержания гомеостаза. Виды репарации. 7. Генетический код, его характеристика. 8. Механизмы и способы реализации генетической информации: транскрипция и посттранскрипционные процессы, прямая и обратная транскрипция, трансляция и посттрансляционные процессы.

Доказательства роли ДНК ( опыты по трансформации) Трансформацией называется изменение наследственных свойств клетки в результате проникновения в нее чужеродной ДНК. Это явление было открыто в 1928 году Ф. Гриффитсом при изучении бактерий. Исследование молекулярных механизмов трансформации привело О.Т. Эйвери, К.М. Маклеода и М. Маккарти в 1944 году к важнейшему выводу о том, что носителем информации о наследственности в клетке является именно ДНК, а не белок, как полагали до этого. ДНК, передается в бактериальную клетку, в природе, в результате размножения, гибели других клеток, в то время как в эксперименте объектом переноса становится специально выделенная и приготовленная ДНК.

Схема трансформации у бактерий 1. серия опытов:Штамм пневмококка S2:Вирулентный, образующий полисахаридную капсулу, колонии блестящие Ввели внутрибрюшиннойййй мышам-все мыши погибли. 2. серия опытов:Штамм пневмококка R3: Авирулентный, без капсулы, колонии матовые:ввели внутрибрюшиннойййй мышам-:мыши остались живы. 3. серия опытов:Нагрели штамм S2 (штаммы погибли) и их ввели внутрибрюшиннойййй мышами Все мыши живы.

4. серия опытов:В колбе смешали убитых температурой штамм S2 и живой штамм R3. Ввели внутрибрюшиннойййй мышам.Часть мышей погибла..Вывод: у бактерий есть трансформирующий фактор (позже, в 1944 г Эвери доказал, что им является ДНК), который привел к приобретению вирулентных свойств штаммами R3 при контакте с S2,в процессе коньюгации бактерий.

Опыты Гриффита Гриффит вводил смесь живых авирулентных и убитых нагреванием вирулентных пневмококков мышам, что приводило к смерти последних. И вот О. Эйвери с соавторами показали, что трансформация авирулентного фенотипа (имеющего R- форму колоний, от английского rough - шероховатый) Streptococcus pneumoniae в вирулентный фенотип (S-форма, от smooth - гладкий) есть результат переноса (передачи) ДНК от убитых S-клеток к живым R- клеткам.

Схема опыта по трансформации Гриффита

Опыты по трансдукции Трансдукция (от лат. transduction - перемещение), перенос генетического материала из одной клетки в другую с помощью вируса, что приводит к изменению наследственных свойств клеток-реципиентов. Явление трансдукции было открыто американскими учёными Д. Ледербергом и Н. Циндером в 1952 году

В 1982 году учёных Дж. Рубину и А.Спрадлингу для осуществления переноса ДНК использовал в качестве транспорт-ного средства(вектора) мобильный генетический элемент, так назы-ваемый Р-элемент - небольшие фрагменты ДНК длиной 1-7 тыс. пар нуклеотидов, которые существуют в клеточном ядре, раз-множаясь вместе с хромосомами клетки хозяина.

Опыты по трансдукции

Трансдукция - перенос генетического материала от одной бактериальной клетки к другой. Переносчиком информации является ДНК – бактериофага. Вирус передает клетке реципиенту только отдельные фрагменты генетического аппарата клетки донора.

Строение ДНК Химическая структура нуклеотида: - остаток фосфорной кислоты - азотистое основание - углевод в ДНК –дезоксирибоза, а в РНК – рибоза

Строение нуклеиновых кислот

Поли нуклеотидная цепь днк

Сравнительная характеристика нуклеиновых кислот Типы нуклеотидов в НК кислотах: Адениловый (А)Гуаниловый (Г)Уридиловый (У)Цитидиловый (Ц) Адениловый (А) Тимидиловый (Т) Признаки : Местонахождение: ДНК-Ядро, рибосомы, цитоплазма, митохондрии, хлоропласты РНК- в ядре,ядрышко,хромосомы

Строение макромолекулыРНК: Одинарная полинуклеотидная цепочка Мономеры: рибонуклеотиды дезоксирибонуклеотиды Состав нуклеотида: азотистое основание (пуриновое – аденин гуанин, пиримидиновое - урацил, цитозин местонахождение: РНК- в ядре,ядрышко,хромосомы ДНК Ядро, митохондрии, хлоропласты: Двойная спирально закрученная полинуклеотидная цепь рибоза (углевод) и остаток фосфорной кислоты Состав нуклеотида: азотистое основание (аденин, гуанин, тимин, цитозин); дезоксирибоза (углевод); остаток фосфорной кислоты

Сравнительная характе-ристика нуклеиновых кислот СВОЙСТВА: РНК Не способна к самоудвоению ДНК Способна к самоудвоению по принципу комплементарности: А - Т, Т - А, Г - Ц, Ц - Г. ДНК Способна к репарации (самоликвидации поврежденных участков) Функциии-РНК переписывает и передает информацию о первичной структуре белковой молекулы; р-РНК - входит в состав рибосом и регулирует процесс сборки белка; т-РНК - переносит аминокислоты к рибосомам;затравочная РНК(праймер) инициирует репликацию Функции-ДНК Химическая основа хромосом-ного генетического материала (гена); хранит и передает информацию о синтезе белка

репликация РЕПЛИКАЦИЯ – удвоение молекул ДНК.Единица репликации – репликон.– это участок молекулы ДНК между двумя точками, где в данный момент идет репликация. У прокариот один репликон, у эукариот – тысячи. Матрица для репликации – материнская цепь ДНК. Продукт репликации – дочерние цепи ДНК. Когда и где происходит репликация – в синтетический период интерфазы Биологическое значение репликации – обеспечение непрерывности хромосом, точная передача информации в дочерние клетки при делении

Принципы репликации: комплементарность, полу консервативность, антипараллельность, матричность.

Условия необходимые для репликации: 1. нуклеотиды:дезоксирибонуклеотид трифосфаты – дАТФ, дГТФ, дЦТФ, дТТФ (из нуклеоплазмы) 2. Праймаза фермент, необходимый для образования РНК - праймера 3. РНК-праймер затравка для репликации 4. ДНК-полимеразы (I,II,III)для синтеза ДНК 5. ДНК - топоизомераза (гираза)блокирует одну из нитей ДНК и разрывает фосфатидную перемычку в одной из ее цепей

Условия необходимые для репликации: 6. Геликазаразрывает водородные связи в двухцепочечной молекуле ДНК и раскручивает нить 7. ДНКДСБ ДНК- связывающий белок, который обволакивает раскрученные нити ДНК и препятствует их соединению 8. Рибонуклеаза Н -удаляет затравки из вновь синтезированной нити 9. ДНК-лигаза сшивает новые нити

комплементарность

КАК ПРОИСХОДИТ РЕПЛИКАЦИЯ ЭТАПЫ РЕПЛИКЦИИ

1. Инициация 1. Фермент ДНК - топоизомераза (гираза) блокирует одну из нитей ДНК и разрывает фосфатидную перемычку в одной из ее цепей, а фермент геликаза разрывает водородные связи в двухцепочечной молекуле ДНК, используя энергию АТФ для расплетения двойной спирали ДНК. Как только нити ДНК разошлись ДСБ обволакивает их и препятствует их скручиванию. В результате этого в месте раскрутки образуется «вилка репликации», которая имеет вид «глазка».

2. Элонгация Синтез дочерней цепи на материнской цепи идет в направлении от от 5/ к 3/концу - антипараллельно. Синтез начинается с РНК -праймера, который, представляет собой короткий набор рибонуклеотидов и обеспечивает прикрепление к точке инициации ДНК-полимеразы. ДНК- полимеразы начинают встраивать нуклеотиды по принципу комплементарности. Нить на которой процесс синтеза ДНК направлен к вилке репликации и идет непрерывно называется лидирующей.

Вторая нить называется запаздывающей, т.к. процесс синтеза идет фрагментами Оказаки (шитье вперед иглой назад). Каждый фрагмент начинается с праймера и заканчивается точкой терминации. Несмотря на то, что синтез в каждом отдельном фрагменте идее «назад» от «вилки репликации» удлинение вновь синтезированной цепочки направлено к «вилке».

3. Терминации Процесс синтеза идет до точки терминации. Рибонуклеаза Н удаляет затравки, а лигаза сшивает фрагменты в единую цепь.

Модификация Пострепликативная репарация – один из важных моментов модификации новых молекул ДНК, когда происходит проверка дочерних нитей по материнской и исправление ошибок репликации.

вилка репликации

репликация

В РЕЗУЛЬТАТЕ репликации ОБРАЗУЮТСЯ ДВЕ НОВЫЕ ЦЕПИ ДНК

А КАК ЖЕ ПРОИСХОДИТ ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ ГЕНЕТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ ???- оно осуществляется в процессе транскрипции

Транскрипция РНК ТРАНСКРИПЦИЯ – первый этап реализации наследственной информации. Синтез и - РНК( всех видов РНК). Единица транскрипции – у прокариот транскриптон, у эукариот оперон. Матрица для транскрипции – одна из цепочек ДНК – кодогенная Принцип транскрипции – комплиментарность.Продукт транскрипции – все виды РНК

Условия для транскрипции наличие транскриптона, нуклеотиды, ионы магния, АТФ, ДНК зависимая РНК-полимераза (I, II, III), рестриктазы, РНК-лигазы Где идет процесс? – в ядре Этапы транскрипции: 1. Инициация Процесс начинается с инициирующих кодонов промотора к которому прикрепляется РНК- полимераза 2. Элонгация По принципу комплементарности от 5/ к 3/ концу. 3. Терминация Процесс идет до терминального кодона (УАА, УАГ, УГА). В результате образуется про-РНК.

Условия для транскрипции 4. Модификация (процессинг)Созревание про-РНК до и-РНК:копирование 5'-конца, заключающееся в присоединении к этому концу мРНК так называемой шапочки (кип-структуры, которая образована ГТФ),полиаденилирование - присоединение поли-А, так же для сохранения информации на терминальном конце сплайсинг - вырезание протяженных внутренних участков мРНК, так называемых интронов, и ковалентное воссоединение оставшихся фрагментов (экзонов) через обычную фосфодиэфирную связь.кип 5. Затем происходит транспорт и-РНК из ядра в цитоплазму через ядерные поры

транскрипция

ТРАНСЛЯЦИЯ (СИНТЕЗ БЕЛКА)

Трансляция. Перенос генетической информации с м-РНК на белок называется трансляцией. При этом осуществ-ляется перевод информации с языка нуклеотидной последовательности на «язык»аминокислотной последовательности.

Трансляция. Биосинтез белка Трансляция- процесс перевода генетической информации, заложенной в нуклеотидной последовательности мРНК, в аминокислотную последовательность полипептидной цепи. С м-РНК на АК. Биосинтез белка- это процесс трансляции. Это важнейший процесс в живой природе, создание молекул белка на основе информации о последовательности аминокислот в его первичной структуре, заключенной в структуре ДНК, содержащейся в ядре. Этапы биосинтеза белка: цитозольный рибосомальный

Условия, необходимые для трансляции и этапы трансляции 1. Матрица для трансляции: и –РНК (мРНК) 2. Принцип трансляции: комплементарность 3. Продукт трансляции: первичный полипептид 4. Условия трансляции:тРНК Д - петля в которой работают ферменты Аминоацил-тРНК синтетазы,Аминоацил-тРНК синтетаз которые активируют аминокислоты и нагружают ими тРНК. Каждая синтетаза (их должно быть не меньше 20) узнает только свою аминокислоту и навешивает ее на свою тРНК.Т-петляпетля в которой работают ферменты, обеспечивающие присоединение тРНК к субчастице рибосомы

4. Условия трансляции:тРНК Д - петля в которой работают ферменты Аминоацил-Аминоацил- тРНК синтетазтРНК синтетазы, которые активируют аминокислоты и нагружают ими тРНК. Каждая синтетаза (их должно быть не меньше 20) узнает только свою аминокислоту и навешивает ее на свою тРНК.Т-петляпетля в которой работают ферменты, обеспечивающие рисоединение тРНК к субчастице рибосомы

5. Антикодоновая петля, определяющая какая аминокислота должна присоединиться к данной тРНК. 6. Акцепторная ветвь место прикрепления аминокислот.м-РНКматрица для трансляциир-РНКоколо 80%, образуют структурный каркас и функциональные центры универсальных белок- синтезирующих частиц - рибосом. Именно рибосомные РНК ответственны - как в структурном, так и в функциональном отношении - за формирование ультрамикроскопических молекулярных машин, называемых рибосомами

7. Рибосомы Играет роль организующего центра в чтении генетической информации. Это молекулярная машина, построенная по единой схеме у всех организмов с некоторыми вариациями. Она состоит из двух рибонуклеопротеидных субчастиц: малой и большой. На рибосоме происходит взаимодействие иРНК с тРНК и синтезируется белок. При этом "руководит" образованием пептидных связей между аминокислотными остатками сама рибосома. Имеет 2 центра: аминоацильный (центр узнавания аминокислоты) и пептидильный (центр присоединения аминокислоты к пептидной цепочке).

8. Аминокислоты строительный материал для белков 9. Энергия АТФЦитозольный этап биосинтеза белка:на этом этапе происходит узнавание, отбор аминокислот и присоединение их к тРНК в

Этапы синтеза Цитозольный этап биосинтеза белка:на этом этапе происходит узнавание, отбор аминокислот и присоединение их к тРНК а такжеактивация аминокислоты,. перенос активной аминокислоты на тРНК. Рибосомальный этап синтеза белка:на этом этапе происходит сборка полипептидной цепи на рибосомах в соответствии с генетическим кодом. Стадии рибосомального этапа:инициация – сборка инициирующего комплекса,элонгация - образование первого дипептида, наращивание полипептидной цепи, перемещение мРНК,терминация – завершение построения первичной структуры будущего белка, сброс полипептида с рибосомы.

Характеристика рибосомального этапа 1. Инициация.К участку м(и)-РНК с инициирующим кодоном АУГ присоединяется первая т-РНК с АК- метионин, которая является затравочной. При формировании данного инициирующего комплекса происходит объединение двух субъединиц рибосом. В результате этого к концу инициации в пептидильном участке рибосомы располагается – АК-метионин, а в аминоацильном – следующая т-РНК с соответствующей АК. Рибосома делает «шаг» на один триплет.

2. Элонгация-удлинение по принципу триплетности генетического кода, неперекры-ваемости, непрерывности. Пептидильный и аминоацильный участки рибосомы находятся очень близко, поэтому между двумя АК, расположенными в них образуется пептидная связь под действием пептидилтрансферазы.

3. Терминация. Весь процесс идет до терминального кодона (УАА, УАГ, УГА), который входит в акцепторный участок рибосомы, после чего связь и РНК с рибосомой теряется, рибосома распадается на 2 субъединицы

4. Пострансляционные изменения - модификация) Образовавшийся первичный белок через ЭПС проходит в аппарат Гольджи, где осуществляется его модификация (белок приобретает вторичную структуру).

УЧАСТНИКИ ПРОЦЕССА

трансляция

Транспортная -рнк

Регуляция активности генов

Тонкое строение гена Цистрон- элементарная единица функции, определяющая последовательность аминокислот в специфическом белке. Цистрон – это синоним гена. Рекон- элементарная единица рекомбинации при кроссинговере. Представляет собой пару нуклеотидов. Мутон- элементарная единица генетической изменчивости, т.е. минимальная единица цистрона, способная мутировать. Соответствует 1 паре нуклеотидов в ДНК. Транскриптон- единица транскрипции у эукариот, представляющая собой моноцистронную модель гена. Оперон- единица транскрипции у прокриот, представляющая собой полицистронную модель гена. Участки ДНК (цистроны), которые содержат информацию о группе функционально связанных структурных белков и регуляторную зону, которая контролирует транскрипцию этих белков (ген – оператор).

Оперон – полицистронная модель Спейсорный участок Промотор Оператор Структурный блок: S1,S2,S3 Терминатор

Участок Спейсерный сайт рестрикции (ССР) Структура: Полидромный участок ДНК, разделяющий транскриптоны, образуя так называемые «шпильки» в ДНК. Состоит из инвертированных нуклеотидов (чаще гуанин и цитозин) по принципу «КАЗАК» Функция: Разделение транскриптонов

Промотор (П -Последовательность нуклеотидов ДНК, обеспечивающая узнавание и присоединение РНК-полимеразы -Или акцепторная зона - с него начинается синтез и-РНК и с ним взаимодействует особый белок репрессор или индуктор от этого будет зависеть будет или нет идти транскипция

Промотор (П) 1. ЦААТ блок – активный участок, состоящий их пар нуклеотидов и заканчивается ЦААТ Функция:узнавание РНК-полимеразы 2. ТАТА блок (блок Хогнесса) – состоит из 30 пар нуклеотидов, обогащен последовательностями аденина и тимина Функция-присоединение РНК-полимеразы

Сайт инициации транскрипции - ТАЦ - который при трансляции будет соответствовать АК – метионин (ТАЦ на ДНК) Точка инициации, стартовая точка

Оператор (О) -Смысловые участки ДНК несут информацию о структуре - функционально-связанных белков, т.е.способных происоединять регуляторные белки

Структурный экзоны – смысловые участки, несут информацию о структуре белка интроны – несмысловые участки,не несут информацию о структуре белка ДСС –донорный сайт сплайсинга – последовательности нуклеотидов, разделяющие интроны и экзоны. По ним идет вырезание интронов в процессе сплайсинга Триплеты ДНК, соответствующие стоп кодонам и- РНК,остановка трансляции

Терминатор (Т) Нуклеотидная последовательность поли-А, где прекращается рост цепи РНК (точка терминации)

Генетический код Процесс транскрипции происходит по программе генетического кода

Генетический код Генетический код – это система записи информации в молекулах ДНК, которая отражена в последовательности нуклеотидов, предопределяющих порядок расположения аминокислот в молекулах белков. Информация «переписывается» в ядре с молекулы ДНК на и–РНК. Таблицы генетического кода построены для и-РНК.

Свойства генетического кода 1 Триплетность. Одну аминокислоту кодирует последовательность из трех нуклеотидов, названная триплетом, или кодоном. 2. Вырожденность (избыточность). Каждая аминокислота зашифрована более, чем одним кодоном. Исключение составляют аминокислоты метионин и триптофан. Каждая из них кодируется только одним триплетом. Для кодирования 20 аминокислот используется 61 комбинация нуклеотидов. Триплет АУГ, кодирующий метионин, называют стартовым. С него начинается синтез белка. Три кодона (УАА, УАГ, УГА) несут информацию о прекращении синтеза белка. Их называют триплетами терминации. 3. Универсальность. У всех организмов на Земле одни и те же триплеты кодируют одинаковые аминокислоты. 4. Однозначность. Каждый триплет кодирует только одну аминокислоту. 5. Колинеарность – совпадение последовательностей аминокислот в синтезируемой молекуле белка с последовательностью триплетов в и–РНК (табл. 20). 6. Неперекрываемость один нуклеотид не входит в состав двух рядом стоящих триплетов. 7. Непрерывность кодоны следуют друг за другом.