Лекция 4-1 Центральная догма молекулярной биологии ДНК, виды РНК, репликация Основы генетики

Альбертс Глава 4 и 5

Жизнь зависит от 3 молекул ДНК – Содержит информацию о работе клетки РНК (мРНК) – Передает эту информацию в различные части клетки – Служит матрицей для синтеза Белки – Образуют ферменты, катализирующие различные процессы в клетке – Образуют основные структурные компоненты живого организма

ДНК: код жизни Структура ДНК и 4 «буквы» генетического кода – одинаковые для всех организмов Аденин, Тимин, Гуанин и Цитозин, которые образуют пары А-Т и Ц-Г на комплементарных цепях ДНК

ДНК ДНК представляет собой двойной хеликс ( в природе эта спираль, чаще всего, правозакрученная) – Молекула углевода – Фосфатная группа – Азотистое основание (A, T, C, G) DNA всегда строится с 5 конца до 3 конца при транскрипции и репликации 5 ATTTAGGCC 3 3 TAAATCCGG 5

Перенос генетической информации ТрансляцияТранскрипция Репликация

Центральная догма: ДНК-РНК-белок Экспрессия гена происходит в 2 этапа 1)Транскрипция: синтез РНК 2)Трансляция: синтез белка 3)Исключения: некоторые вирусы, например ретровирусы

Генетический код ДНК, РНК и белки – последовательности мономеров (букв) 20 аминокислот. Каждая кодируется словом из 3 нуклеотидов (кодон) Исключения: например в митохондриях, и.т.д. ball.ma.ultranet/BiologyP ages/C/Codons.html ball.ma.ultranet/BiologyP ages/C/Codons.html

Введение в генетику Что такое гены? - физические и функциональные признаки, которые передаются от одного поколения к другому Гены были открыты в 1860 годах словацкмим монахом Грегором Менделем. Он пытался ответить на след. вопрос:

Эксперименты с растениями гороха Мендель открыл, что гены могут переданы в одной из 2 форм (аллелей)– доминантной или рецессивной Доминантная форма будет проявляться в фенотипе

ДНК – физический носитель генетической информации ДНК была открыта в 20 веке ДНК содержит те самые физические гены, открытые Менделем У каждого организма – 1 аллель наследуется от отца и 1 - от матери Гомозигота – АА или аа Гетерозигота – Аа 3:1, 9:3:3:1

Мутации ДНК – это последовательность нуклеотидов Что происходит когда эта последовательность изменяется Мутация Это и приводит к образованию различных аллелей

Хорошие, плохие и молчащие Мутации могут быть нескольких видов Хорошие: Плохие: Нейтральные: Мутации могут улучшить выживаемость организма. Например мутации в гене серповидно-клеточной анемии приводят к устойчивости к малярии. Мутации приводят к значительному вреду или даже гибели организма Например, гемофилия Мутации не оказывают никакого влияния Campbell, Biology, 5 th edition, p. 255

Гены организованы в хромосомы Хромосомы – нитеподобные структуры, находящиеся в ядре клетки и содержащие 1 молекулу ДНК. Разные организмы могут иметь разное количество хромосом (парное – у организмов с половым размножением). Томас Морган (1920) – Нашел косвенное доказательство существования хромосом путем экспериментов с дрозофилой

Цвет глаз X Белые глаза Самец Красные глаза самка Белые глаза В основном самцы Красные глаза Следовательно гены, определяющие пол дрозофил и цвет глаз – сцеплены. Это значит что они расположены на одной хромосоме – Х - хромосоме. В основном самки

Сцепленные гены и последовательность генов. Различные признаки (гены) могут быть сцеплены, т.е. расположены на одной хромосоме. Морган предположил, что чем ближе гены были расположены на одной хромосоме, тем более часто они наследовались совместно

Сцепленные гены и последовательность генов. Оценивая частоту сцепления генов, можно составить генетические карты Альфред Стюртевант изучил сцепление 3 генов: Fly pictures from:

Порядок генов на хромосоме? Mutant b, mutant vg Normal fly X 17% progeny have only one mutation Mutant b, mutant cn Normal fly X 9% progeny have only one mutation Mutant vg, mutant cn Normal fly X 8% progeny have only one mutation The genes vg and b are farthest apart from each other. The gene cn is close to both vg and b.

Порядок генов на хромосоме? bcnvg

Хромосомы – (1) ДНК – (2) Нить хроматина (ДНК и гистоны) – (3) Конденсированный хроматин – (4) Конденсированный хроматин во время репликации – (5) Метафазные хромосомы

Уотсон и Крик– Двойная спираль ДНК Уотсон - зоолог, Крик – физик Использовали рентгеновский снимок структуры ДНК, сделанный Розалинд Франклин Watson & Crick with DNA model Rosalind Franklin with X-ray image of DNA

ДНК: основа жизни Деоксирибонуклеиновая кислота Полимерная молекула – Углеводно-фосфатный скелет – Основания одной цепи соединяются с другой цепью путем водородных связей

Двойная спираль ДНК Модель Уотсона-Крика – Используя рентгеновские снимки структуры ДНК В соответствии с этой моделью ДНК: – Спираль из 2 комплементарных анти-параллельных цепей – Правозакрученная – Стабилизованная водородными связями – Основания находятся внутри спирали Пуриновые основания образуют водородные связи с пиримидиновыми.

ДНК: основа жизни Имеет примерно 3 млрд bp у человека – Как это можно упаковать в клетку? – Как клетка знает где начинается один ген и где начать транскрипцию? Специальные регуляторные последовательности Различные типы ДНК у эукариот Уникальные последовательности Повторяющиеся последовательности – junk DNA

Состав генома человека

ДНК

ДНК Фосфат Азотистое основание (A,T, C or G) Деоксирибоза

ДНК Структура двойной спирали является асимметричной. 5 and 3определяют направление. 5 AATCGCAAT 3 3 TTAGCGTTA 5 Направление транскрипции и репликации – 5-3

Компоненты ДНК Азотистое основание : ATCG Сахар: деоксирибоза Фосфат: отрицательно заряженный

Структура ДНК Phosphate Sugar

Последствия структуры ДНК ДНК заряжена отрицательно: электрофорез Водородные связи между основаниями: Репликация, транскрипция, трансляция гибридизация блоты Микрочипы Ц-Г связи 6олее прочные чем А-Т Взаимодействия с белками : регуляция транскрипции Полимеризация ДНК – между 5 фосфатом и 3 OH

ПуриныПиримидины

Двойная спираль ДНК – А=Т, Ц=Г - внутри – А и Т – 2 водородных связи – Ц и Г - 3 водородных связи – Пары оснований – Деоксирибоза и фосфат - снаружи

Двойная спираль ДНК

Репликация ДНК Происходит путем разрыва и восстановления двойной спирали Репликация 2х цепей отличается по механизму

Репликация ДНК

Суперскрученность ДНК Lodish et al. Molecular Biology of the Cell (5 th ed.). W.H. Freeman & Co., 2003.

Суперскрученность ДНК ДНК в клетке находится в суперскрученном состоянии Транскипцирнные факторы и РНК полимеразы должны иметь доступ к ДНК Транскрипция зависит т.о. от степени доступности ДНК

Регуляция транскрипции SWI/SNF SWI5 RNA Pol II TATA BP GENERAL TFs Lodish et al. Molecular Biology of the Cell (5 th ed.). W.H. Freeman & Co., 2003.

Гистоновый код Модификация гистонов определяет доступ к ДНК Метилирование ДНК тоже Lodish et al. Molecular Biology of the Cell (5 th ed.). W.H. Freeman & Co., 2003.

Центральная догма (ДНК РНК белок) Tранскрипция ДНК РНК Tрансляция РНК белок

Центральная догма Sequence analysis Gene Finding Protein Sequence Analysis Assembly

РНК РНК содержит рибозу. Состоит из 1 цепи. T заменена на У – урацил. Вторичные структуры в РНК. linear and 3D view:

РНК мРНК – матричная tRNA- транспортная rRNA –рибосомная hill.com/sites/ /student_view0/cha pter3/

Рибозимы Многие рибозимы естественного происхождения катализируют расщепление самих себя или других молекул РНК, кроме того образование пептидной связи в белках происходит при помощи рРНК рибосомы

Интерференция РНК Процесс подавления экспрессии гена на стадии транскрипции, трансляции, деаденилирования или деградации мРНК при помощи малых молекул РНК. Одноцепочечный фрагмент РНК соединяется с комплементарной последовательностью молекулы мРНК и вызывает разрезание мРНК белком Argonaute либо ингибирование трансляции и/или деаденилирование мРНК. Эти события приводят к подавлению экспрессии (сайленсингу) соответствующего гена, эффективность которого ограничена концентрациями молекул малых РНК siRNA и микроРНК Argonauteсайленсингу siRNAмикроРНК

В начале было... РНК РНКовый мир РНКовые вирусы

Задание Читаем генетический код