Главная страница
qrcode

Лекция 2 Молекулярные основы генетики. Тезисы лекции Тема лекции молекулярные основы наследственности. Реализация наследственной информации. Что такое наследственная информация


Скачать 114.5 Kb.
НазваниеТезисы лекции Тема лекции молекулярные основы наследственности. Реализация наследственной информации. Что такое наследственная информация
АнкорЛекция 2 Молекулярные основы генетики.doc
Дата22.09.2017
Размер114.5 Kb.
Формат файлаdoc
Имя файлаЛекция 2 Молекулярные основы генетики.doc
ТипТезисы
#23655
Каталогid50997451

С этим файлом связано 19 файл(ов). Среди них: Shmidt_R_Tevs_G_Fiziologia_cheloveka_tom_3.pdf, Shmidt_R_Tevs_G_Fiziologia_cheloveka_tom_2.pdf, Тесты для подготовки к Крок-1.doc, Gayvoronskiy_Metodichka_Osteologia.pdf, Lektsia_2_Molekulyarnye_osnovy_genetiki_Prezentatsia.pdf и ещё 9 файл(а).
Показать все связанные файлы


Тезисы лекции

Тема лекции: МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ОСНОВЫ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ. РЕАЛИЗАЦИЯ НАСЛЕДСТВЕННОЙ ИНФОРМАЦИИ.

Что такое наследственная информация?

Под наследственной информацией мы понимаем информацию о строении белков и характере синтеза белков в организме человека. Синоним – генетическая информация.

В хранении и реализации наследственной информации ведущую роль играют нуклеиновые кислоты. Нуклеиновые кислоты – это полимеры, мономерами которых являются нуклеотиды. Впервые нуклеиновые кислоты были открыты Ф. Мишером в 1869 г в ядрах лейкоцитов из гноя. Название происходит от латинского nucleus –ядро. Различают два вида нуклеиновых кислот: ДНК и РНК

Функции нуклеиновых кислот

ДНК хранит генетическую информацию. В ДНК находятся гены. РНК принимают участие в биосинтезе белка (т.е. в реализации наследственной информации)

Открытие роли ДНК в хранении наследственной информации. В 1944 г. Oswald Avery, Macklin McCarty, and Colin MacLeod представили доказательства того, что гены находятся в ДНК. Они работали с пневмококками, у которых есть два штамма: патогенный (S-штамм) и непатогенный (R- штамм). Заражение S-штаммом мышей приводит к их гибели

Если вводят R- штамм, то мыши выживают. Из убитых бактерий S-штамма выделили ДНК, белки и полисахариды и добавляли к R- штамму. Добавление ДНК вызывает трансформацию непатогенного штамма в патогенный.

История открытия строения ДНК.

Строение ДНК открыли в 1953 г Дж.Уотсон и Ф.Крик. В своей работе они использовали данные, которые получили биохимик Е.Чаргафф и биофизики Р.Франклин, М.Уилкинс.

Работа Е.Чаргаффа: В 1950 г. биохимик Ервин Чаргафф установил, что в молекуле ДНК:

1) А=Т и Г=Ц

2) Сумма пуриновых оснований (А и Г) равна сумме пиримидиновых оснований (Т и Ц): А+Г=Т+Ц

Или А+Г/Т+Ц=1

Работа Р.Франклин и М.Улкинс: В начале 50-х г.г. биофизики Р.Франклин и М.Уилкинс получили рентгенограммы ДНК, которые показали, что ДНК имеет форму двойной спирали. В 1962 г. Ф.Крик, Дж.Уотсон и Морис Уилкинс получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине за расшифровку строения ДНК

Строение ДНК

ДНК – это полимер, который состоит из мономеров – нуклеотидов. Строение нуклеотида ДНК: нуклеотид ДНК состоит из остатков трех соединений:

1) Моносахарида дезоксирибозы

2) Фосфата - остатка фосфорной кислоты

3) Одного из четырех азотистых оснований – аденина (А), тимина (Т), гуанина (Г) и цитозина (Ц).

Азотистые основания: А и Г – производные пурина (два кольца), Т и Ц- производные пиримидина (одно кольцо).

А комплементарен Т

Г комплементарен Ц

Между А и Т образуется 2 водородные связи, между Г и Ц - 3

В нуклеотиде атомы карбона в дезоксирибозе пронумерованы от 1’ до 5’.
К 1’-карбону присоединяется азотистое основание, а к 5’-карбону – фосфат. Нуклеотиды соединяются между собой фосфодиэфирными связями. В результате образуется полинуклеотидная цепьСкелет цепи состоит из чередующихся молекул фосфата и сахара дезоксирибозы.

Азотистые основания расположены сбоку молекулы. Один из концов цепи обозначают 5’, а другой - 3’ (по обозначению соответствующих атомов карбона). На 5’ – конце находится свободный фосфат, это начало молекулы. На 3’- конеце находится ОН-группа. Это хвост молекулы. Новые нуклеотиды могут присоединяться к 3’- концу.

Строение ДНК:

  • Согласно модели Крика –Уотсона, ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей, которые свернуты в спираль. Спираль правая (В-форма)

  • Цепи в ДНК расположены антипараллельно. 5’-конец одной полинуклеотидной цепи соединяется с 3’-концом другой.

  • В молекуле ДНК видны маленькая и большая борозды.

К ним присоединяются разные регуляторные белки.

  • В двух цепях азотистые основания расположены по принципу комплементарности и соединены водородными связями

  • А и Т – двумя водородными связями

  • Г и Ц - тремя

Размеры ДНК: толщина молекулы ДНК составляет 2 нм, расстояние между двумя витками спирали – 3,4 нм, в одном полном витке - 10 пар нуклеотидов. Средняя длина одной пары нуклеотидов 0,34 нм. Длина молекулы варьирует. В бактерии кишечная палочка кольцевидная ДНК имеет длину 1,2 мм. У человека суммарная длина 46 ДНК, выделенных из 46 хромосом составляет около 190 см. Следовательно, средняя длина 1 молекулы ДНК человека более 4 см.

Линейное изображение ДНК. Если цепи ДНК изображают в виде линии, то принято вверху изображать цепь в направлении от 5‘ к 3‘.

5‘ АТТГТЦЦГАГТА 3‘

3‘ ТААЦАГГЦТЦАТ 5'

Локализация ДНК в клетках эукариот:

  1. Ядро – входит в состав хромосом;

  2. Митохондрии;

  3. У растений – пластиды.

Функция ДНК: хранит наследственную (генетическую) информацию. В ДНК находятся гены. У человека в клетке менее 30 000 генов.

Свойства ДНК

  • Способность к самоудвоению (редупликации) Редупликация – синтез ДНК.

  • Способность к репарации – восстановлению повреждений ДНК.

  • 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 свойство используется в ДНК-диагностике.

Редупликация – это синтез ДНК.

Процесс идет перед делением клетки в синтетическом периоде интерфазы.

Суть процесса: Фермент геликаза разрывает водородные связи между двумя цепями ДНК и раскручивает ДНК. На каждой материнской цепи по принципу комплементарности синтезируется дочерняя цепь. Процесс катализирует фермент ДНК-полимераза.

В результате редупликации образуется две дочерние ДНК, которые имеют такое же строение как и материнская молекула ДНК.

Рассмотрим процесс редупликации более подробно

1) Редупликация – полуконсервативный процесс, т.к. дочерняя молекула получает одну нить от материнской ДНК, а вторую синтезирует вновь

2) ДНК синтезируется из нуклеотидов с тремя фосфатами – АТФ, ТТФ,ГТФ,ЦТФ. При образовании фосфодиэфирной связи два фосфата выщепляются.

3) Синтез ДНК начинается в определенных точках – точках инициации репликации. В этих участках много А-Т пар. Специальные белки присоединяются к точке инициации.

Фермент геликаза начинает раскручивать материнскую ДНК. Нити ДНК расходятся.

Редупликацию катализирует фермент ДНК-полимераза.
От точки инициации фермент ДНК-полимераза движется в двух противоположных направлениях. Между расходящимися цепями образуется угол- репликационная вилка.

3) Цепи материнской ДНК антипараллельны. Дочерние цепи синтезируются антипараллельно материнским, поэтому синтез дочерних цепей в области репликационной вилки идет в двух противоположных направлениях. Синтез одной цепи идет в направлении движения фермента. Эта цепь синтезируется быстро и непрерывно (лидирующая). Вторая синтезируется в противоположном направлении маленькими фрагментами – фрагментами Оказаки (отстающая цепь).

4) Фермент ДНК-полимераза не может сам начать синтез дочерней цепи ДНК.

Синтез лидирующей цепи и любого фрагмента Оказаки начинается с синтеза праймера. Праймер - кусочек РНК длиной 10-15 нуклеотидов. Праймер синтезирует фермент праймаза из нуклеотидов РНК. К праймеру ДНК-полимераза присоединяет нуклеотиды ДНК.

В последующем праймеры вырезаются, брешь застраивается нуклеотидами ДНК.

Фрагменты сшиваются ферментами - лигазами

5) Ферменты, участвующие в редупликации: геликаза, топоизомераза, дестабилизирующие белки, ДНК-полимераза, лигаза.

6) Молекула ДНК длинная. В ней образуется большое число точек начала репликации.
ДНК синтезируется фрагментами – репликонами. Репликон – участок между двумя точками инициации репликации. В соматической клетке человека в 46 хромосомах более 50000 репликонов. Синтез ДНК 1 соматической клетки человека длится более 10 часов.

Самокоррекция ДНК (ДНК-редактирование)

В процессе редупликации ДНК полимераза иногда делает ошибки (неправильно включает нуклеотиды). Она проверяет свою работу. Если обнаруживает ошибку, то вырезает последние нуклеотиды и включает в ДНК новые.

Это процесс называется самокоррекция ДНК. Она уменьшает частоту ошибок при редупликации (неправильно включенные нуклеотиды) в 10 раз – с 1/100000 нуклеотидов до 10/1000000

Значение редупликации: в результате редупликации образуется две дочерние ДНК, которые как две капли воды похожи на материнскую молекулу ДНК. При делении клеток дочерние ДНК расходятся в дочерние клетки. Таким образом, редупликация обеспечивает передачу наследственной информации в дочерние клетки.

Строение РНК

РНК – это полимер, состоящий из мономеров – нуклеотидов. Главные отличия РНК от ДНК:

  1. ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей, РНК - из одной;

  2. ДНК содержит моносахарид дезоксирибозу, РНК - рибозу;

  3. ДНК содержит Тимин, РНК - Урацил

Виды РНК и функции

иРНК

Переносит информацию о строении белка из ядра в цитоплазму

рРНК

Структурная функция. Входит в состав рибосом. Синтезируется в ядрышках.

тРНК

Транспортирует аминокислоты в рибосомы для синтеза белка. Играет важную роль в переводе последовательности нуклеотидов в иРНК в последовательность аминокислот в белке

Малые ядерные РНК

Принимают участие в процессинге (созревание иРНК)

Малые ядрышко-вые РНК

Принимают участие в созревании рРНК



Все перечисленные РНК закодированы в ДНК и синтезируются в ядре клетки. Общая функция всех РНК – обеспечивают синтез белка.

Что такое ген?

Термин «ген» предложил В. Йогансен в 1909 г. Ген ( в узком смысле слова) – это участок ДНК, в котором закодирована информация о строении одного белка.

Однако, в ДНК закодированы не только белки, но и строение всех видов РНК. В ДНК также находятся регуляторные участки, которые регулируют процессы транскрипции: ускоряют или замедляют транскрипцию, блокируют транскрипцию или, наоборот, активируют.

Ген в более широком смысле слова – это 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 – это гены, которые кодируют белок или РНК (рРНК, тРНК или др. вид РНК).

2. Регуляторные гены – гены, которые регулируют процессы биосинтеза белка (у эукариот – это промоторы –место присоединения РНК-полимеразы, энхансеры – ускоряют транскрипцию, сайленсеры - тормозят)

Что такое ген?

Строение гена эукариот, кодирующего белок:

  1. Промотор –участок гена, к которому присоединяется фермент РНК-полимераза. Определенные участки промотора (ГЦ-мотивы, ЦААТ-бокс) нужны для присоединения регуляторных белков. ТАТА-бокс – участок, где много АТ-пар. Здесь ДНК начинает раскручиваться.

  2. Транскриптон – транскрибируемый участок гена. Он включает :

    • лидер- нужен для соединения иРНК с рибосомой,

    • участок гена, кодирующий полипептид начинается с инициального триплета и заканчивается стоп-кодоном. У эукариот он состоит из экзонов и интронов. Экзоны кодируют белки, а интроны – нет. Интроны в последующем вырезаются из иРНК.

    • трейлер- необходим для отсоединения иРНК от рибосомы,

  1. Терминатор – место окончания транскрипции.

Типичный ген человека состоит примерно из 28 000 оснований и имеет 8 экзонов. Он кодирует полипептид, состоящий в среднем из 447 аминокислот.

Самый длинный ген, найденный в геноме человека, это ген мышечного белка дистрофина, содержащий 2,4 · 106 п.н.

Что такое генетический код?

Генетический код – система записи генетической информации о строении белков в ДНК в виде определенной последовательности нуклеотидов

Основные свойства генетического кода:

  1. Триплетность

  2. Вырожденность (избыточность)

  3. Специфичность

  4. Неперекрываемость

  5. Однонаправленность

  6. Наличие инициирующего кодона (АУГ) и нонсенс-кодонов

  7. Колинеарность

  8. Универсальность

Экспрессия гена

Под экспрессией гена понимают реализацию записанной в нем наследственной информации. Синтез белка – это процесс, который обеспечивает реализацию наследственной информации в клетке. Согласно центральной догме молекулярной биологии он идет в следующем направлении:

ДНК → иРНК → белок →признак.

Этапы синтеза белка

  1. Транскрипция – синтез иРНК

  2. Активация аминокислот и соединение с тРНК

  3. Трансляция - синтез первичной структуры белка в рибосоме

  4. Посттрансляционные процессы образование пространственных структур белка (вторичной, третичной, четвертичной), модификация аминокислот.

Транскрипция.

Транскрипция – это синтез иРНК. У эукариот трнаскрипция имеет свои осрбенности.

Ген эукариот состоит из экзонов и интронов. Интроны – не кодируют белок. Они вырезаются из иРНК. Таким образом, транскрипция у эукариот включает два этапа:

  1. Синтез про-иРНК (незрелой иРНК), которая полностью комплементарна гену.

  2. Процессинг-созревание иРНК. Процессинг включает:

  • сплайсинг (вырезание интронов и сшивание экзонов),

  • образование кэпа и поли-А-хвоста. Кэп (модифицированный гуанин) прикрепляется к начальному концу иРНК, поли-А-хвост – большое количество А-нуклеотидов прикрепляются к концу иРНК. Кэп и хвост обеспечивают стабильность иРНК в цитоплазме.

Активация аминокислот и соединение с тРНК.

В клетках эукариот около 50 видов РНК (в связи с избыточностью генетического кода). Каждая тРНК имеет антикодон (для взаимодействия с кодоном иРНК) и акцепторный участок (куда присоединяется аминокислота). Соединение тРНК с аминокислотой катализирует фермент аминоацил-тРНК –синтетаза. Процессу предшествует активация аминокислот (соединение с остатком АТФ -АМФ).
Аминокислота+АТФ= Аминокислота+АМФ (АК+АМФ)
АК+АМФ +ТРНК =АК+ТРНК +АМФ

Трансляция.

Трансляция – синтез первичной структуры белка в рибосоме. Этапы трансляции:

  1. Инициация – начало трансляции. Рибосома соединяется с иРНК и захватывает два кодона (первый – инициальный -оказывается в пептидильном центре). К инициальному триплету подходит тРНК с инициальным метионином. Образуется инициальный комплекс- рибосома, инициальный триплет, тРНК

  2. Элонгация – синтез полипептида. Ко второму кодону иРНК подходит вторая тРНК с аминокислотой. Если антикодон тРНК комплементарен кодону иРНК, две аминокислоты соединяются пептидной связью. Затем первая тРНК выходит из рибосомы, рибосома перемещается на один триплет вперед. К этому триплету подходит новая тРНК с аминокислотой. Если антикодон тРНК комплементарен кодону иРНК, то между двумя последними аминокислотами вновь образуется пептидная связь и процесс повторяется. Процесс продолжается до тех пор, пока рибосома не дойдет до стоп-кодона

  3. Терминация транскрипции – окончание. Рибосома доходит до стоп-кодона. Синтез полипептида останавливается.

  4. Посттрансляционные процессы- образование вторичной, третичной, четвертичной структуры белка, модификация аминокислот Процесс может идти в цитоплазме, гранулярной ЭПС, комплексе Гольджи. После того как белок образовал третичную или четвертичную структуру, он может выполнить свои функции.

Регуляция экспрессии генов у прокариот. Оперон.

У прокариот кольцевидная ДНК, которая кодирует небольшое количество белков (у кишечной палочки более 4000). Для многих генов характерна оперонная регуляция активности.

Оперон – это группа структурных генов, которые кодируют белки-ферменты одного метаболического процесса и работы которых находится под контролем общих регуляторных генов. Опероны позволяют маленькой ДНК кодировать много белков.

Оперон был открыт в 1961 г. французскими учеными Жакобом и Моно. Они открыли лактозный оперон у кишечной палочки. Если кишечную палочку поместить в среду, содержащую лактозу, то она начинает вырабатывать три фермента, участвующих в метаболизме лактозы.

Ферменты кодируют три структурных гена:

  • lacZ - галактозидаза – расщепляет лактозу на глюкозу и галактозу

  • Lac Y –фермент пермеаза (обеспечивает поступление лактозы в клетку)

  • lacA – трансацетилаза, участвует в удалении из клетки токсичных продуктов расщепления лактозы.

Структурные гены находятся в окружении регуляторных генов:

  • Ген-регулятор – кодирует белок-репрессор

  • Ген-промотор – место присоединения РНК-полимеразы для начала транскрипции

  • Ген-оператор. Если к нему присоединен белок-репрессор, то он блокирует транскрипцию.

  • Терминатор – на нем заканчивается транскрипция.


Оперон инактивирован, если белок-репрессор соединен с геном-оператором. Оперон в активном состоянии если в клетку попадает лактоза. Она соединяется с белком-репрессором и инактивирует его. Начинается синтез трех ферментов.

Отличия организации генома и экспрессии генов
у прокариот и эукариот


Прокариоты

Эукариоты

ДНК кольцевидной формы, не соединена с белками, расположена в цитоплазме

ДНК линейная,соединяется с гистоновыми и негистоновыми белками, находится в ядре клетки

В генах нет интронов

Есть интроны

Мало генов (у кишечной палочки около 4000)

Много генов (у человека до 30000)

Есть опероны

Нет оперонов

Каждый ген окружен группой регуляторных генов


Регуляция экспрессии гена у эукариот.

В каждой клетке у эукариот экспрессируется 7-10% всех генов. Остальные гены находятся в репрессированном (неактивном) состоянии. У эукариот преобладает так называемый позитивный генетический контроль, при котором основная часть генома репрессирована, и регуляция идет путем активации необходимых генов.

На уровне транскрипции регуляция может идти следующими путями:

  • Амплификация (увеличение числа копий) гена;

  • Связывание с промотором факторов транскрипции - белков, облегчающих или затрудняющих транскрипцию;

  • С помощью регуляторных генов -энхансеров и сайленсеров;

  • Влияние гормонов, которые часто служат активаторами транскрипции; например, стероидные гормоны проникают в цитоплазму клетки, соединяются со специальным белком-рецептором, поступаю в ядро и активируют несколько генов.

  • Альтернативный сплайсинг – из одной про-иРНК могут вырезаться разные интроны

  • Метилирование нуклеотидов ДНК, в основном, в области промотора, богатой ГЦ-парами; это делает невозможным присоединение факторов транскрипции к промотору и выключает ген;

  • Ацетилирование белков - гистонов, что уменьшает степень связывания с ними ДНК и облегчает транскрипцию.

Контроль на уровне трансляции

  • Идет путем регуляции образования комплекса мРНК — стартовая тРНК— рибосома и изменении времени жизни иРНК за счет различных цитоплазматических факторов.

  • С помощью микроцитоплазматических РНК – маленьки РНК, которые соединяются с иРНК и блокируют трансляцию

  • Регуляция образования белков возможна и путем изменения быстроты и активности посттрансляционной модификации полипептидной цепи

Репарация ДНК

Репарация ДНК – это исправление ошибок ДНК. Если ошибки остаются, то они могут привести к генным мутациям и генным болезням. Репарация поддерживает генетическую целостность организма и их выживание

1) Фоторепарация у прокариот. Облучение клетки ультрафиолетовыми лучами вызывает образование в ДНК тиминовых димеров. УФ лучи активируют фермент фотореактивации, который связывается с тиминовыми димерами и разрывают их.

2) Эксцизионная репарация у прокариот и эукариот - ферменты-нуклеазы вырезают ошибочное основание или участок поврежденной цепи ДНК, фермент ДНК-полимера 1 типа встраивает нормальные нуклеотиды, ферменты лигазы сшивают фрагменты.

3) Репарация во время репликации – самокоррекция ДНК

4) Пострепликационная репарация – если не удалены ошибочные нуклеотиды во время репликации, то происходит рекомбинация поврежденной цепи с цепью ДНК во второй дочерней молекуле и ошибка устраняется

5) SOS-репарация – при репликации ДНК- полимераза перескакивает место повреждения и продолжает репликацию без разрывов, но последовательность нуклеотидов меняется

Болезни репарации ДНК.

При нарушении репарации ДНК в клетках накапливаются мутации, что со временем приводит: 1) к развитию опухолей, 2) преждевременному старению, 3) наследственным заболеваниям – болезням репарации.

Наследственные болезни, которые обусловлены мутацией генов репарации ДНК, называются болезнями репарации ДНК. Пример - пигментная ксеродерма – генная болезнь с аутосомно-рецессивным типом наследования. У больных нарушена эксцизионная репарация ДНК, которые повреждены УФ лучами и др. мутагенами. Под действием солнечного света на коже появляются веснушки, пигментные пятна, со временем у 100% больных развивается рак кожи
Схема переноса генетической информации в клетке – центральная догма молекулярной биологии

  1. От ДНК к ДНК – редупликация ДНК.

  2. От ДНК к РНК – транскрипция.

  3. Возможна передача информации от РНК на ДНК – обратная транскрипция (в жизненном цикле вирусов и у эукариот)

  4. С РНК на белок – трансляция




перейти в каталог файлов


связь с админом