Молекулярные основы наследственности

Молекулярные основы наследственности

План лекции:

• Доказательства генетической роли ДНК
• Химический состав хромосом, функции и свойства ДНК
• Биологический код, его характеристика
• Репликация ДНК
• Особенности строения и виды РНК
• Реализация наследственной информации: транскрипция, процессинг, трансляция. Особенности строения и виды РНК.
• Регуляция генной активности
• Репаративные процессы в ДНК
• Генная инженерия
• Цитоплазматическая наследственность

Трансформация – включение чужеродной ДНК в бактериальную клетку (Гриффитс, 1928 год, при изучении штаммов пневмококка)

• свойство убитых бактерий - наличие капсулы и вирулентность передались от убитых бактерий к живым, произошла трансформация R штамма в S.

Трансдукция – способность вируса захватывать с собой часть ДНК клетки хозяина и передавать новым хозяивам свойства прежних

• Ледеберг и Зиндер в 1952 г – опыты по трансдукции. Вирус – бактериофаг добавили к бактериям, синтезирующим триптофан …

Доказательства генетической роли ДНК:

1) изотопный способ: бактериофаги помечали радиоактивной серой и фосфором, в результате вновь образованные фаги содержали только фосфор, которым была помечена ДНК

2) опыты по гибридизации вирусов, когда гибриды содержали белковый футляр одного вида, а нуклеиновую кислоту другого

3) конъюгационный перенос: две бактерии – кишечные палочки могут конъюгировать между собой и ДНК одной переходит к другой

4) клонирование клеток, метод соматической гибридизации

Химический состав хромосом

• Хромосомы состоят из ДНК (40%) и белка (60%)
• Белков 2 вида: гистоновые (основные – 70%) и негистоновые (кислые – 30%)

Строение ДНК

• ДНК – полимерная молекула, состоящая из повторяющихся мономерных звеньев, называемых нуклеотидами
• Нуклеотид состоит из азотистого основания, сахара – дезоксирибозы и остатка фосфорной кислоты
• К первому атому углерода в молекуле пентозы С-1’ присоединяется азотистое основание, к пятому атому С-5’ с помощью эфирной связи – фосфат, у третьего атома С-3’ всегда имеется гидроксильная группа – ОН
• Соединение нуклеотидов в макромолекулу происходит путем взаимодействия фосфата одного нуклеотида с гидроксилом другого так, что между ними устанавливается фосфодиэфирная связь
• Азотистые основания в ДНК: аденин, гуанин – пуриновые; тимин и цитозин - пиримидиновые

Правила Чаргаффа

• У всякого организма число адениновых нуклеотидов равно числу тиминовых, а число гуаниновых — числу цитозиновых: А=Т, Г=Ц
• Число пуриновых оснований равно числу пиримидиновых оснований: А+Г=Т+Ц
• Соотношение А+Т/Г+Ц = видовому индексу (у человека 1,53)
• Количество нуклеотидов в молекуле ДНК равно 100% или 1: А+Г+Т+Ц = 100%

Молекула ДНК включает две полинуклеотидные цепи, соединённые друг с другом водородными связями между их азотистыми основаниями по принципу комплементарности

• Принцип комплементарности: аденин одной цепи соединяется двумя водородными связями с тимином другой цепи, а между гуанином и цитозином разных цепей образуются три водородные связи
• Полинуклеотидные цепи в молекуле ДНК антипараллельны , т.е. взаимнопротивоположны: 5’- конец одной цепи соединяется с 3’ – концом другой, и наоборот. На 5’- конце цепи ДНК всегда расположен свободный фосфат у 5’-атома углерода, на противоположном 3’- конце – свободная ОН-группа у 3’ атома углерода

Модель ДНК

• Свойства ДНК : двухцепочечная, правозакрученная спираль, гены в которой располагаются линейно, антипараллельность цепей, прерывистость (интроны и экзоны). Ген – участок ДНК, состоящий из нуклеотидов от нескольких десятков до тысяч, кодирующий какой-либо признак
• Функции ДНК : хранение и воспроизводство генетической информации

Уровни упаковки генетического материала

• Нуклеосомный уровень
• Нуклеосома – это белковая глобула (октаэдр), содержащая по 2 молекулы четырех гистонов Н2А, Н2В, НЗ, Н4, вокруг которой двойная спираль ДНК образует 1,8 витка (200 пар нуклеотидов). Нуклеосомная нить имеет диаметр = 10-13 нм . Такая структура обеспечивает компактизацию ДНК примерно в 6—7 раз.

Вторая уровень компактизации – соленоидный (супернуклеосомный)

• Формирование хроматиновой фибриллы диаметром 25-30 нм . В этом процессе участвует гистон H1, который связывается с линкерной ДНК между нуклеосомными корами и сворачивает нуклеосомную фибриллу в спираль, с шагом в 6-8 нуклеосом. Длина ДНК сокращается в 50 раз.

Третий уровень – петлевой

• Соленоидная фибрилла складывается, образуя петли различной длины. Длина ДНК сокращается в 1000 раз . Диаметр структуры в среднем составляет 300 нм, типична для интерфазной хромосомы.

Четвертый уровень – хроматидный

• Образуются хроматиды диаметром примерно 600-700 нм .

Пятый уровень – метафазной хромосомы

• Ступень компактизации (в 7000 раз) характерна для метафазной хромосомы; ее диаметр равен 1400 нм .

Генетический код – это последовательность нуклеотидов в цепи ДНК, которая определяет последовательность аминокислот в белке

Свойства кода:

• триплетность коллинеарность (линейность) неперекрываемость однозначность избыточность (выражденость) универсальность
• триплетность
• коллинеарность (линейность)
• неперекрываемость
• однозначность
• избыточность (выражденость)
• универсальность

Репликация ДНК

• Репликация ДНК Синтез ДНК называется репликацией или редупликацией. В 1959 г. Артуру Корнбергу была присуждена Нобелевская премия за открытие механизма биосинтеза ДНК.

Принципы репликации ДНК

• Прерывистость. Синтез новых цепей ДНК фрагментами. Репликон – участок между двумя точками, в которых начинается синтез «дочерних» цепей.
• Комплементарность.
• Полуконсервативность.
• Антипараллельность.

РНК

• Нуклеиновая кислота , состоящая из нуклеотидов, в состав которых входят азотистые основания (А У Г Ц), сахар рибоза и остаток фосфорной кислоты
• Виды РНК: информационная, рибосомальная, транспортная и затравочная
• Все виды РНК образуются в ядре

И - РНК

• И-РНК образовавшаяся в результате транскрипции называется незрелой, т.к. имеет в своем составе интроны и экзоны
• Процесс созревания (вырезание неинформативных участков – интронов) называется процессинг. В этом участвуют рестриктазы
• А процесс сшивания экзонов – сплайсинг происходит с помощью лигаз

Р-РНК

• (90%)
• включает в себя до 3000-5000 нуклеотидов
• из р-РНК построен структурный каркас рибосом, ей принадлежит важная роль в инициации, окончании синтеза и отщеплении готовых молекул белка от рибосом

Т-РНК

• (10-15%)
• состоит из 70-100 нуклеотидов
• массой 25-30 тыс.
• содержится в цитоплазме клеток и осуществляет перенос аминокислот из цитоплазмы на рибосомы
• имеет вид клеверного листа.
• на одном из концов имеет участок, к которому прикрепляется определенная аминокислота – акцепторный участок, на другом – участок, в котором располагается антикодон – это три нуклеотида, комплементарные кодону м-РНК.

Z-РНК

• (0,1%)
• участвует в репликации
• короткие молекулы, необходимые для синтеза фрагментов Оказаки, отстающей цепи ДНК при репликации

Гены подразделяются:

• Структурные – гены, кодирующие белки;
• Регуляторные или функциональные - гены, контролирующие синтез РНК, оказывающие влияние на активность структурных генов.
• Экзоны - кодирующие участки гена, отвечающие за синтез аминокислотной последовательности белка.
• Интроны – некодирующие участки гена.

Транскрипция

• Транскрипция – это процесс переписывания информации с молекул ДНК на и-РНК с помощью фермента РНК-полимеразы

по принципу комплементарности.

• Этапы транскрипции :

• Связывание РНК-полимеразы с промотором
• Инициация – начало синтеза
• Элонгация – рост цепи РНК
• Терминация – завершение синтеза и-РНК.

• И-РНК образовавшаяся в результате транскрипции называется незрелой, т.к. имеет в своем составе интроны и экзоны. Процесс созревания (вырезание неинформативных участков – интронов) называется процессинг . В этом участвуют рестриктазы. А процесс сшивания экзонов – сплайсинг происходит с помощью лигаз.

В структуре зрелой и-РНК выделяют

• 1. инициирующая часть: колпачок (узнает), лидер кодон (присоединяется к комлементарному ему участку малой субъединицы рибосомы), стартовый кодон (АУГ – формил-метионин)
• 2. кодирующая часть (элонгатор) – экзоны, которые кодируют аминокислоты белка
• 3. терминатор – триплет, заканчивающий трансляцию

Трансляция – это процесс реализации информации, закодированной в структуре м-РНК, в последовательность аминокислотных остатков белка .

Этапы трансляции:

• - присоединение и-РНК к рибосоме
• - активация а/к и ее присоединение к т-РНК
• - инициация (начало синтеза полипептидной цепи)
• - элонгация – удлинение цепи
• - терминация – окончание синтеза
• - дальнейшее использование и-РНК или ее разрушение

Регуляция генной активности

• Схема Ф. Жакобо и Ж. Моно, 1961 г.

• Единица регуляции транскрипции – оперон, в состав которого входят:
• 1.Промотор – место прикрепления РНК-полимеразы
• 2. Ген-оператор – регулирует доступ РНК-полимеразы к структурным генам, взаимодействуя с регуляторными белками
• 3. Инициатор – место начала считывания генетической информации
• 4. Структурные гены – определяют синтез белков-ферментов, обеспечивающие цепь последовательных биохимических реакций
• 5. Терминатор – последовательность нуклеотидов завершающих транскрипцию

• Ген-регулятор расположен вблизи оперона, он постоянно активен, на основе его информации синтезируется белок – репрессор

• Белок – репрессор образует химическое соединение с геном-оператором, и препятствует соединению РНК-полимеразы с промотором

• Механизм регуляции активности оперона - индукция

РЕПАРАЦИЯ

• ФОТОРЕАКТИВАЦИЯ или СВЕТОВАЯ репарация. В результате УФ - облучения целостность молекул ДНК нарушается, так как в ней возникают димеры, т. е. сцепленные между собой соединения в области пиримидиновых оснований. Фотореактивация катализируется ферментом фотолиазой, который активируется фотоном света и расщепляет димер на исходные составляющие.
• ТЕМНОВАЯ или ЭКСЦИЗИОННАЯ репарация . Осуществляется в пять этапов: 1 - нарушения узнаются специфическими белками; 2 - эндонуклеазы делают надрезы в поврежденной цепи; 3 - экзонуклеазы осуществляют вырезание поврежденного участка; 4 - синтез нового участка по принципу комплементарности взамен удаленного фрагмента, с помощью ДНК-полимеразы; 5 - ДНК-лигаза соединяет концы старой цепи и восстановленного участка.

• Генная инженерия — совокупность приёмов, методов и технологий получения рекомбинантных РНК и ДНК, выделения генов из организма (клеток), осуществления манипуляций с генами и введения их в другие организмы.
• Основные направления – создание трансгенных растений и животных и разработка принципов генной терапии.

• 1. Получают нужный ген.
• 2. Подбирают вектор, обладающий всеми необходимыми характеристиками.
• 3. Вектор и клонированный ген обрабатывают одинаковыми рестриктазами.
• 4. Сшивают вектор и встроенный ген с помощью ДНК-лигазы.
• 5.Вводят рекомбинантную конструкцию из вектора и встроенного гена в клетки–мишени реципиента – осуществляют трансформации.
• 6. Проверяют наличие трансгена в клетках – мишенях .

Цитоплазматическая наследственность

• Собственную ДНК имеют пластиды, митохондрии, центриоли.
• Пластидная наследственность обнаружена у декоративных цветов львиного зева, ночной красавицы.
• В цитоплазме бактерий обнаружены автономно расположенные плазмиды, состоящие из кольцевых молекул ДНК. Выделяют три типа плазмид: содержащих половой фактор F, фактор R и плазмиды-колиценогены.
• Фактор R встречается у ряда патогенных бактерий, с ним связана устойчивость к ряду лек. средств. Эти плазмиды имеют ген образования конъюгационного мостика. Такие мостики образуются между кишечной палочкой, обитающей в кишечнике и патогенными бактериями и фактор R может переходить от кишечной палочки к ним. В результате они становятся нечувствительными к тем лекарствам, которые обычно для них губительны.

Благодарю за внимание