Организация наследственного материала I

Медицинская биология
и общая генетика
Лекция №3
Лектор:
кандидат биологических наук,
доцент
Давыдов Владимир Витольдович
 Эволюция понятия "ген".
 Доказательства роли ДНК в передаче
наследственной информации.
 Строение и функции нуклеиновых кислот.
 Центральная догма молекулярной биологии.
 Репликация ДНК.
 Генетический код и его свойства.
 Реализация генетической информации в клетке.
Биосинтез белка.
1865г. Г.Мендель – наследственные задатки организма.
1869г. Ф.Мишер – нуклеиновые кислоты.
1900г. К. Корренс, Э. Чермак, Г. де Фриз переоткрыли
законы Г. Менделя.
1901г. де Фриз – самопроизвольность изменений
наследственных задатков.
1902г. Бовери и Сеттон - связь наследственных факторов
с хромосомами.
1906 г. У. Бэтсоном предложил термин «генетика»
1909г. В.Иогансен – понятие "ген".
1911г. Т. Морган «Ген – это локус хромосомы».
1913г. А. Стертевант – первая генетическая карта
хромосомы.
1925г. Г. Надсон и Г. Филиппов – индуцированный
мутагенез.
1928 г. Н. К. Кольцов – принцип матричного синтеза.
1928 г. Гриффит – опыты по трансформации бактерий.
1941 г. Бидл и Татум – гипотеза "один ген – один
фермент".
1944г. – Эйвери, МакЛеод, МакКарти – трансформация
обусловлена ДНК.
1952г. А. Херши и М. Чейз – ДНК – это генетический
материал.
1952г. Циндер и Ледерберг – опыты по трансдукции
вирусов.
1953г. Уотсон и Крик – модель строения ДНК.
1958г. Ф.Крик – центральная догма молекулярной
биологии.
1961г. Ф.Жакоб и Я.Моно – оперон.
1965г. Ниренберг, Очоа, Корана – расшифровка
генетического кода.
1972г. Впервые определена нуклеотидная
последовательность гена Coat_BPMS2.
1977г. Ф.Шарп и Р.Робертс – мозаичная структура гена.
2001г. – в рамках программы «Human Genome Project»
(Геном человека) расшифрована последовательность
генома человека.
2003г. – проект «Encode» (Encyclopedia of DNA Elements –
Энциклопедия элементов ДНК).
1860 – 1900: «Ген – это дискретная единица
наследственности»
1910е: «Ген – это отдельный локус хромосомы»
1940е: «Ген – это схема белка»
1950е: «Ген – это физическая молекула»
1960е: «Ген – это транскрибируемый код»
1970-1980: «Ген – это открытая рамка считывания части
последовательности ДНК»
1990-2000: «Ген – структурная единица генома,
зарегистрированная в одной из баз данных»
2007 «Ген – это подпрограмма в операционной системе
генома»
2009 «Ген – это объединение геномных
последовательностей, кодирующих связный набор
потенциально перекрывающихся функциональных
продуктов»
 1928 г. Гриффит – опыты по трансформации бактерий
Трансформация - способность штамма бактерий
встраивать участки ДНК другого штамма и
приобретать при этом его свойства
1944г. Эйвери установил химическую
природу вещества, трансформирующего
наследственные свойства бактерий.
Свойство вирулентности от одного
штамма пневмококков к другому
передается фрагментами ДНК.
1952г. Циндер и
Ледерберг – опыты
по трансдукции
бактерий
Триптофансинтезирующий
штамм
бактериофаг
(лизогенный)
Триптофаннесинтезирующий
штамм
Трансдукция способность
бактериофагов
переносить
фрагменты ДНК
от одного штамма
бактерий к
Триптофан
несинтезирующие
бактерии приобрели
способность
синтезировать
триптофан
другому и
передавать
соответствующие
свойства.
Бактериальный
фильтр
 Нуклеиновые кислоты их строение и функции
Нуклеиновые кислоты
(ДНК и РНК) - фосфорсодержащие
биополимеры (Ф. Мишер, 1868 )
ДНК - это крупные биологические
молекулы, количество мономеров до
2х108
Мономерами цепочек ДНК являются
нуклеотиды
Нуклеотид ДНК:
1. Азотистое основание
(аденин, гуанин, цитозин и
тимин)
2. Дезоксирибоза
3. Фосфат
Модель строения ДНК
3
5
(Дж. Уотсон, Ф. Крик, 1953)
2 полинуклеотидные цепи,
закрученные в спираль вокруг
общей оси и соединенные друг с
другом водородными связями
3
5
Цепи антипараллельны, т. е. конец
одной цепочки заканчивающейся
группой OH, присоединенной к C3
дезоксирибозы, расположен
напротив второй цепи,
заканчивающийся остатком
фосфорной кислоты,
присоединенной к C5
дезоксирибозы
Сахаро-фосфатный остов
(каркас) полинуклеотидной
цепи поддерживается
ковалентными
(фосфодиэфирными)
связями, расположенными
между С3 дезоксирибозы
одного нуклеотида и
С5 другого
5
1
4
3
2
Правила Чаргаффа:
число адениловых
нуклеотидов равно числу
тимидиловых, а число
гуаниловых - числу
цитидиловых
А=Т и Г=Ц
Сумма пуриновых
азотистых оснований равна
сумме пиримидиновых
А+Г=Т+Ц
Нуклеотиды
противоположных
цепей образуют пары:
А=Т Г≡Ц
Строгое соответствие
(взаимодополнение)
нуклеотидов друг другу
в ДНК - принцип
комплементарности
Функции ДНК:
хранение, воспроизведение и передача генетической
информации.
РНК – рибонуклеиновая кислота
РНК содержится в клетке в ядре, гиалоплазме,
рибосомах, митохондриях и хлоропластах.
Отличия РНК от ДНК:
1. В состав нуклеотида РНК вместо дезокcирибозы
входит пятиуглеродный сахар рибоза.
2. Вместо азотистого основания тимин, в РНК —
урацил, остальные основания те же: аденин,
гуанин, цитозин.
3. В РНК входит меньше нуклеотидов, она
значительно короче.
4. Молекула РНК чаще всего одноцепочечная.
Виды РНК:
Информационная (иРНК, мРНК) – 300-30000
нуклеотидов, 1-5% от всей РНК. Это
комплементарная копия участка кодирующей
цепи ДНК, переносит генетическую информацию
к рибосомам и непосредственно участвует в
сборке его молекул (является матрицей).
Рибосомная (рРНК) – 3000-5000 нуклеотидов,
80-90 % от всей РНК клетки, входит в состав
рибосом, обеспечивает определенное
пространственное взаиморасположение иРНК
и тРНК в рибосоме в процессе трансляции.
Транспортная (тРНК)
составляет 10-15% всей
РНК клетки, состоит из 7595 нуклеотидов.
Осуществляет транспорт
аминокислот из
цитоплазмы в рибосомы.
Вторичная структура
(клеверный лист): короткие
двухцепочечные
фрагменты (“стебли”),
одноцепочечные – “петли”.
Антикодоновая петля
имеет триплет нуклеотидов
(антикодон). Акцепторный
стебель – место
прикрепления
аминокислоты.
Путь передачи информации от ДНК к РНК и белку,
Крик (1958) назвал
"центральной догмой молекулярной биологии":
ДНК
РНК
белок
В 1960 г. Жакоб и Моно – такая гипотеза не совсем
точна, р-РНК не может служить матрицей для сборки
белка, и только и-РНК является посредником между ДНК
и рибосомой. Открытие механизма репликации ДНК и
обнаружение
ДНК-зависимой
РНК-полимеразы
изменили формулу догмы:
ДНК
Репликация
Транскрипция
и-РНК
Трансляция
белок
В 1975 г. Дульбеко, Темин и Балтимор – явление
обратной транскрипции (передачи информации от и-РНК
к ДНК с помощью обратной транскриптазы (ревертазы)),
открытой у РНК-содержащих вирусов и эукариотических
клеток.
ДНК
Транскрипция
Репликация
Обратная
транскрипция
и-РНК
Трансляция
белок
ДНК способна к репликации (самоудвоению)
Репликация происходит:
1.
В ядре, в S период интерфазы.
2.
На основе реакций матричного
синтеза (порядок нуклеотидов в
"материнской" цепочке ДНК
определяет порядок нуклеотидов в
"дочерней", т.е. "материнская"
цепочка ДНК является матрицей для
синтеза "дочерней").
3.
По принципу комплементарности.
4.
Полуконсервативным способом (в
состав дочерней молекулы ДНК
входит одна цепочка материнской
молекулы «старая», а другая
синтезирована вновь «новая»).
Репликация одновременно
начинается в нескольких местах
Репликон
молекулы ДНК. Участок ДНК от
Материнская
молекула ДНК
точки начала одной репликации
3
5
до точки начала другой,
“Ori”
называется репликоном.
Дочерние
молекулы ДНК
Репликон имеет контролирующие
Репликативный
элементы: “Ori” – точка начала
пузырь
(инициируется репликация), точка
Репликативная
окончания (репликация
вилка
останавливается). Точка, в которой 5
3
Материнская
происходит репликация –
молекула ДНК
репликационная вилка.
В каждой репликационной вилке синтез новых цепей ДНК
ведут одновременно несколько ДНК-полимераз, движущихся в
противоположных направлениях. Это антипараллельный и
прерывистый принцип синтеза.
Механизм репликации на примере прокариот:
 Раскручивание. ДНК-геликаза и топоизомераза
разделяют и стабилизируют цепи молекулы ДНК.
 Непрерывный синтез. Праймаза синтезирует
затравку (праймер РНК). Начиная с праймера, ДНКполимераза III присоединяет нуклеотиды к
свободному 3` концу "лидирующей" цепи
(направление синтеза 5` 3`).
Синтез "лидирующей" цепи идет без остановок до
конца репликона.
 Прерывистый синтез. Образование второй цепи
осуществляется небольшими участками по 100-200
нуклеотидов (фрагменты Оказаки). Этот процесс идет
медленнее, поэтому цепь называется "отстающей".
Отдельные фрагменты второй цепи образуются также
в направлении 5` 3`, в целом же эта цепь нарастает в
направлении 3`5`:
- Праймаза синтезирует затравку (праймер РНК).
- Начиная от праймера ДНК-полимераза III синтезирует
последовательность ДНК.
- ДНК-полимераза I разрушает РНК-праймер и заменяет
его нуклеотидами ДНК.
- ДНК-лигаза образует фосфодиэфируэю связь между
двумя фрагментами Оказаки.
Ген – участок молекулы ДНК, определяющий
расположение нуклеотидов в молекуле иРНК,
последовательность
аминокислот
в
полипептиде
и,
в
конечном
итоге,
определенный признак организма.
Генетическая информация о структуре белка
записана в ДНК в виде определенной
последовательности нуклеотидов. Молекула
ДНК имеет очень большие размеры и поэтому
не способна выйти через поровые комплексы
ядерной оболочки в цитоплазму к рибосоме.
Необходим
посредник
между
ДНК
и
рибосомой, роль которого выполняет иРНК,
которая
образуется
в
результате
транскрипции.
Генетический код – способ записи генетической
информации в виде последовательности нуклеотидов в
ДНК или иРНК.
Свойства генетического
кода:
 Триплетность кодоном является триплет
нуклеотидов
 Однозначность один триплет кодирует только одну
аминокислоту
 Избыточность одна аминокислота может
кодироваться разными триплетами
 Однонаправленность код читается только в одном
направлении – 3' 5' (с ДНК) и 5' 3' (с иРНК)
Неперекрываемость нуклеотид не может
одновременно входить в разные кодоны, триплеты не
перекрывают друг друга
 Универсальность большинство живых организмов
имеют одинаковый генкод
 Наличие нонсенс (стоп) - кодонов (УАА, УГА, УАГ)
 Непрерывность (без знаков препинания)
Третье азотистое основание
Первое азотистое основание
Соответствие кодонов и-РНК аминокислотам.
Второе азотистое основание
У
Ц
А
Г
фен
сер
тир
цис
У
фен
сер
тир
цис
Ц
У лей
сер
non
non
А
лей
сер
non
три
Г
лей
про
гис
арг
У
лей
про
гис
арг
Ц
Ц лей
про
глн
арг
А
лей
про
глн
арг
Г
иле
тре
асн
сер
У
иле
тре
асн
сер
Ц
А иле
тре
лиз
арг
А
мет
тре
лиз
арг
Г
вал
ала
асп
гли
У
вал
ала
асп
гли
Ц
Г вал
ала
глу
гли
А
вал
ала
глу
гли
Г
Транскрипция – переписывание генетической
информации с ДНК на РНК
РНК-полимераза прикрепляется к промотору и начинает
разрывать водородные связи, вследствие чего молекула
ДНК раскручивается на два одноцепочечных фрагмента.
РНК-полимераза считывает информацию с кодирующей
цепи ДНК и синтезирует молекулу РНК путем
присоединения свободных нуклеотидов к 3` концу ее
растущей цепи.
Когда РНК-полимераза достигает терминатора
транскрипции, синтезированная молекула РНК
освобождается от кодирующей цепи ДНК
Во время синтеза РНК происходит модификация концов этой
молекулы — кэпирование на 5 -конце и полиаденилирование
на 3 -конце. Кэп («шапочка» из трифосфометилгуанозина) и
полиадениловый «хвост» защищают иРНК от действия
нуклеаз.
Рекогниция – узнавание тРНК своих аминокислот и присоединение
их к акцепторному стеблю
Активацию аминокислот
осуществляют ферменты
аминоацил-тРНКсинтетазы (для каждой
аминокислоты - свой
фермент)
Фермент одновременно
взаимодействует с
соответствующей
аминокислотой и с АТФ,
которая теряет при этом
2 фосфата
Тройной комплекс из
фермента, аминокислоты
и АМФ называется
активированной
(богатой энергией)
аминокислотой,
которая способна
спонтанно образовать в
процессе последующей
трансляции пептидную
связь
Тройной комплекс
соединяется с тРНК
Аминоацил-тРНК
высвобождается от
фермента
Образуется
аминоацил-тРНК
Трансляция – перевод генетической
информации с языка последовательности
нуклеотидов на язык последовательности
аминокислот, (расшифровка генетического
года). Происходит в цитоплазме на
рибосомах ,
Малая
субъединица
Большая
субъединица
PA
Пептидильный
центр
рибосомы
Рибосома состоит из
двух субъединиц:
большой и малой.
В рибосоме есть 2 активных центра:
Пептидильный (образуются пептидные
связи между аминокислотами)
Аминоацильный (фиксация т-РНК с
аминокислотой)
Аминоацильный
центр рибосомы
Инициация –
объединение малой
субъединицы рибосом,
инициирующего
триплета иРНК (АУГ),
аминоацил-тРНК и
большой субъединицы
рибосомы
После инициации
тРНК1 с метионином
расположена в
пептидильном центре,
аминоацильный центр
свободен.
P
A
АУ
А
У ГГ У У У А Ц У Г У У Г Ц У
У АЦ
Т РНК 1
АК
1
мет
и-РНК
Элонгация – наращивание
полипептида. Эта фаза
включает все реакции с
момента образования
первой пептидной связи до
присоединения последней
аминокислоты
P
A
А У Г У У У А Ц У Г У У Г Ц У
Она состоит из трех
повторяющихся процессов:
связывания новой
аминоацил-тРНК,
транспепдтидации и
транслокации
К аминоацильному центру
подходит тРНК2 с АК2 и
устанавливается там, если
антикодон тРНК2
комплементарен кодону иРНК
– происходит связывание
и-РНК
У АЦ ААА
ТРНК 1
АК
1
ТРНК 2
мет фен
АК
2
Элонгация
Транспептидация - когда оба
активных центра заняты,
между АК1 и АК2,
находящимися в рибосоме,
устанавливается пептидная
связь, одновременно с этим
рвется связь между АК1 и
тРНК 1
P A
А У Г У У У А Ц У Г У У Г Ц У
и-РНК
У АЦ ААА
ТРНК 1
ТРНК 2
фен
АК
2
АК
1
Пептидная связь
мет
Элонгация
Транслокация - рибосома
перепрыгивает на 1
триплет по ходу иРНК.
тРНК1 уходит из
рибосомы. Вследствие
этого тРНК2 с АК2 и АК1
переходят в
пептидильный центр
рибосомы.
Аминаацильный центр
освобождается, и
процесс повторяется
P A
А У Г У У У А Ц У Г У У Г Ц У
и-РНК
ААА
У АЦ
ТРНК 2
ТРНК 1
Для быстрого протекания
элонгации необходимы
фен
специальные факторы:
EF1, EF2 и ГТФ
Пептидная связь
АК
2
мет
АК
1
Терминация (окончание синтеза)
- происходит, когда
в аминоацильном
центре появляется
терминирующий
кодон (УАА, УГА,
УАГ)
P A
А У Г У У У А Ц У Г У У УУ А
А ГГ и-РНК
ЦАА
RF
К аминоацильному
центру присоединяется
специфический белок release factor, фактор
освобождения.
ТРНК
вал
мет
фен
тре
мет
А У Г У У У А Ц У Г У У У А Г
и-РНК
ЦАА
ТРНК
Рибосома
диссоциирует на две
субъединицы, иРНК
высвобождается , тРНК
отсоединяется от белка
мет
фен
RF
тре
мет
вал