Лекция 2.
Лекция 2.
Молекулярные основы наследственности и изменчивости.
Структура и функции гена.
ДНК была открыта Иоганном Фридрихом Мишером в 1869 году. Из остатков клеток, содержащихся в гное, он выделил вещество, в состав которого входят азот и фосфор. Вещество получило название нуклеиновая кислота. Биологическая функция новооткрытого вещества была неясна, и долгое время ДНК считалась запасником фосфора в организме. Более того, даже в начале XX века многие биологи считали, что ДНК не имеет никакого отношения к передаче информации, поскольку строение молекулы, по их мнению, было слишком однообразным и не могло содержать закодированную информацию. Постепенно было доказано, что именно ДНК, а не белки, как считалось раньше, является носителем генетической информации.
Опыт Гриффитса.
Работал с двумя штаммами пневмококка, которые отличались по внешнему виду и болезнетворным свойствам. Штамм S – от него мыши сразу погибали. Штамм R – при введении гибели мышей не наступало. Он заметил, что при смеси убитых вирулетных и невирулетных мышы погибали. Это доказало процесс транформации.
Трансформация – включение чужеродной ДНК в бактериальную клетку. Это перенос наследственной информации от одной клетки прокариотов к другой посредством ДНК бактерии – донора или клетки – донора. (Гриффитс, 1928).
Опыт Херши и Чейза.
Доказательства генетической роли ДНК были получены в ряде опытов по заражению бактериальных клеток вирусами. Бактериофаг состоит из белковой капсулы правильной геометрической формы и молекулы нуклеиновой кислоты , свернутой в виде спирали. Фаг прикрепляется своими отростками к клеточной оболочке, с помощью ферментов разрушает участок клеточной мембраны и чрез образовавшееся отверстие вводит свою ДНК в клетку и т.д.
Когда белок фага был помечен радиоактивной серой 35S, а ДНК – радиоактивным фосфором 32Р оказалось, что вновь образованные фаги содержали только радиоактивный фосфор, которым была помечена ДНК. Эти опыты наглядно показали, что генетическая информация от внедрившегося фага его потомкам передается только проникающей в клетку нуклеиновой кислотой, а не белком, содержащимся в капсуле вируса.
Диаметр ДНК составляет 2 нм.
Расстояние между двумя витками спирали – 3,4 нм.
В одном полном витке – 10 пар нуклеотидов. Средняя длина одной пары нуклеотидов (п. н.) – 0,34 нм.
У человека суммарная длина 46 ДНК, выделенных из 46 хромосом составляет около 190 см. Следовательно, средняя длина 1 молекулы ДНК человека более 4 см.
Если цепи ДНК изображают в виде линии, то принято вверху изображать цепь в направлении
от 5′ к 3′
5′ АТТГТЦЦГАГТА 3′ -кодирующая
3′ ТААЦАГГЦТЦАТ 5′-матричная
Локализация ДНК в клетках эукариот:
Ядро – входит в состав хромосом;
2) Митохондрии;
3) Пластиды.
Способность к самоудвоению – редупликации.
Способность к репарации – восстановлению структуры ДНК после повреждения
Способность к денатурации и ренатурации. Денатурация – под действием высокой температуры и щелочей разрываются водородные связи между цепями ДНК и ДНК становится однонитевой. Ренатурация – обратный процесс. Это используется в методах ДНК-диагностики.
Функция ДНК: хранит наследственную (генетическую) информацию. В ДНК находятся гены. В каждой соматической клетке человека менее 25 000 пар генов
Термин «ген» предложил В. Йогансен
в 1909 г.
Ген (в узком смысле слова) – участок ДНК, в котором закодирована информация о строении одного белка.
Ген (в широком смысле слова) – участок ДНК, который кодирует первичную структуру белка, рРНК, тРНК или регулирует транскрипцию другого гена.
Классификация генов.
В зависимости от выполняемых функций выделяют две группы генов
1. Структурные гены – гены, которые кодируют белок или РНК.
. Регуляторные гены регулируют процессы биосинтеза белка.
У эукариот:
Промотор – место присоединения РНК-полимеразы
Энхансер – ускоряет транскрипцию
Сайленсер – тормозит транскрипцию
Промотор – участок гена, к которому присоединяется фермент РНК-полимераза, осуществляющий транскрипцию.
Транскриптон - участок гена, который транскрибируется. В нём выделяют участок, кодирующий белок и терминатор – участок гена, на котором заканчивается транскрипция
Участок, кодирующий белок, состоит из экзонов и интронов. Экзоны кодируют белок, интроны – некодирующие участки.
Экзоны и интроны выявлены только у эукариот.
У прокариот интроны отсутствуют.
Типичный ген человека состоит примерно из 28000 пар нуклеотидов (п. н.) и имеет 8 экзонов. Он кодирует полипептид, состоящий в среднем из 447 аминокислот.
Самый длинный ген, найденный в геноме человека, – ген мышечного белка дистрофина, он содержит 2,4·106 п. н.
Генетический код – система записи генетической информации о строении белков в ДНК в виде определенной последовательности нуклеотидов
Основные свойства генетического кода:
Триплетность
Вырожденность (избыточность)
Специфичность
Неперекрываемость
Однонаправленность
Наличие инициирующего кодона (АУГ) и нонсенс-кодонов (УАА, УАГ, УГА)
Колинеарность
Универсальность
Экспрессия гена – реализация наследственной информации.
Общая схема реализации наследственной информации
ДНК транскрипция иРНК трансляция белок
Биосинтез белка. Транскрипция
Транскрипция (переписывание) – синтез на ДНК–матрице мРНК (первичного продукта гена), осуществляющийся в ядре на смысловой нити ДНК, находящейся в деспирализованном состоянии. Это первый этап белкового синтеза.
Матричная РНК (мРНК) содержит генетическую инструкцию по синтезу определенного полипептида и переносит ее к белоксинтезирующим органеллам клетки – рибосомам. Синтез комплементарной нити РНК на молекуле ДНК осуществляется ферментом РНК-полимеразой. Каждый вид эукариотической РНК-полимеразы обладает своими специальными функциями, то есть транскрибирует определенный набор генов. Синтез мРНК имеет стадии инициации, элонгации и терминации.
Для инициации транскрипции необходимо наличие специального участка в ДНК, называемого промотором. Когда РНК-полимераза связывается с промотором, происходит локальное расплетание двойной спирали ДНК и образуется открытый промоторный участок.
Элонгация (удлинение) цепи РНК – это стадия транскрипции, которая наступает после присоединения первых 8 рибонуклеотидов. При этом движущаяся вдоль цепи ДНК РНК-полимераза действует подобно застежке-молнии, раскрывая двойную спираль, которая замыкается позади фермента по мере его продвижения.
Терминация (прекращение роста) цепи мРНК происходит на специфических участках ДНК, называемых терминаторами..
Процесс транскрипции эукариот имеет ряд особенностей. Так, для них характерно «кэпирование», т.е. образования на 5’-конце мРНК особой последовательности – кэп-структуры. Первичный продукт гена, формируемый в ядре – точная копия транскрибированного участка ДНК. Эта молекула называется незрелой гетерогенной ядерной РНК (гяРНК). Процесс формирования зрелых молекул РНК из предшественников называется процессингом. В результате этого процесса молекулы подвергаются модификации по 5’→3’ концам и сплайсингу. Сплайсинг гяРНК – это удаление последовательностей РНК, соответствующих интронным (не несущим информацию о структуре белка) областям ДНК, и соединение участков с транскрибируемыми последовательностями экзонов (участков, которые непосредственно кодируют аминокислотную последовательность в белке).
Биосинтез белка. Трансляция
Трансляция (перевод) – процесс воплощения генетической информации мРНК в структуру полипептида. Это второй этап белкового синтеза.
Зрелая матричная РНК выходит в цитоплазму, где осуществляется процесс трансляции – декодирование мРНК в аминокислотную последовательность белка. Процесс декодирования осуществляется в направлении от 5’→3’ и происходит в рибосомах. Комплекс мРНК и рибосом называется полисомой (рис.10).
Рис. 10. Схематическое строение полисомы
Подобно транскрипции механизм трансляции состоит из трех этапов: инициации, элонгации и терминации.
Трансляция начинается со стартового кодона АУГ, который при локализации в смысловой части структурного гена кодирует аминокислоту метионин. Каждую аминокислоту доставляет к полисоме транспортная РНК, специфичная к данной аминокислоте. Таким образом, тРНК выполняет роль посредника между кодоном мРНК и аминокислотой. Молекулы тРНК узнают в цитоплазме соответствующий триплет (кодон мРНК) по принципу спаривания комплементарных азотистых оснований. Молекула тРНК, которая подходит к малой субъединице, образует связь [кодон – антикодон], при этом одновременно передает свою аминокислоту в аминоацильный участок (А-участок) большой субъединицы рибосомы. К кодону АУГ «подходит» антикодон только той аминокислоты, которая переносит метионин. Поэтому, прежде всего к рибосоме доставляется метионин. Затем кодон АУГ переходит на пептидильный участок большой субъединицы (Р-участок). В результате этих процессов образуется транслирующая рибосома – инициирующий комплекс (рис.11)
Рис.11. Схема биосинтеза белка
Элонгация – это последовательное включение аминокислотных остатков в состав растущей полипептидной цепи. Каждый акт элонгации состоит из трех этапов:
· Узнавание кодона, которое заключается в связывании антикодона с очередной молекулой тРНК, несущей аминокислоту, с кодоном свободного А-участка на рибосоме;
· Образование пептидной связи, которое происходит лишь тогда, когда оба участка А и Р заняты молекулами тРНК. Часть большой субъединицы рибосомы – фермент пептидилтрансфераза, катализирующая образование пептидной связи
· Транслокация, где тРНК участка Р, не связанная с пептидом, покидает рибосому. Затем молекула тРНК с полипептидом переходит из А- на Р-участок, и наконец, рибосома перемещается вдоль РНК на один кодон.
Терминация (окончание синтеза) происходит по команде кодонов УАА, УАГ, УГА. В природе не существует таких молекул тРНК, антикодоны которых соответствовали бы этим кодонам.
Каждая мРНК транслируется, как правило, несколько раз, после чего разрушается. Среднее время жизни мРНК около 2 мин. Разрушая старые и образуя новые мРНК, клетка строго контролирует тип продуцируемого белка и его количество. Это регуляция синтеза белка на уровне транскрипции. У эукариот возможна регуляция и на уровне трансляции.
Синтез белка – один из существеннейших показателей жизни. Жизнь каждого индивидуума начинается с оплодотворенной яйцеклетки, которая многократно делится. Вскоре в образовавшейся клеточной массе начинается дифференцировка: между многими ранее однородными клетками возникают различия. Клетки дифференцируются потому, что в них содержатся разные белки, от присутствия которых зависит, какие реакции будут проистекать в клетке, а также свойства и функции данной клетки. Поскольку любой белок является продуктом гена, то дифференцировка обусловлена тем, что разные гены включаются и выключаются на разных этапах онтогенеза. Кроме того, каждый человек на Земле в прошлом, настоящем и будущем имеет свой неповторимый набор только ему свойственных белков, именно поэтому каждый человек уникален. Исключение – монозиготные близнецы, у которых генетический материал одинаков. Именно специфичность белковых наборов обеспечивает иммунный статус каждого человека.