БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ
Кафедра ЭТТ
РЕФЕРАТ
На тему:
«Основные понятия о молекулярной биохимической генетике»
МИНСК, 2008
Материальными носителями наследственной информации от поколения к поколению у человека, как и у большинства организмов, являются хромосомы клеточных ядер. Каждый биологический вид характеризуется определенным числом и строением хромосом, в совокупности составляющих хромосомный набор, или кариотип. Для соматических клеток человека характерно наличие в кариотипе 46 хромосом, составляющих 23 пары. Кариотипы будущего организма определяются в процессе оплодотворения яйцеклетки, когда при слиянии женского и мужского пронуклеусов их хромосомные наборы (из 23 хромосом) объединяются в один двойной, диплоидный набор, из 46. Каждой хромосоме одинарного, гаплоидного набора яйцеклетки соответствует гомологичная ей хромосома гаплоидного набора сперматозоида. Это правило распространяется на 22 из 23 хромосом – эти хромосомы- аутосомы. 23 хромосома во всех яйцеклетках одинакова – это так называемая Х-хромосома. Сперматозоиды различаются по 23 хромосоме: половина содержит Х- , а половина У- хромосомы. При оплодотворении яйцеклетки сперматозоидом формируется набор из 46 хромосом с двумя Х-хромосомами, такая оплодотворенная яйцеклетка (зигота) дает начало женскому организму. При оплодотворении яйцеклетки У- сперматозоидом формируется кариотип ХУ, такая зигота дает начало мужскому организму.
Независимо от пола, рост и развитие эмбриона, плода, ребенка происходит путем митозов – митотических делений клеток. Имеются две особенности митотического размножения клеток: период между двумя митозами – интерфаза. В ней происходит удвоение хромосом диплоидного набора. На каждой хромосоме строится ее точная копия. На следующем этапе такой набор распределяется строго поровну между двумя дочерними ядрами, каждое из которых получает, таким образом, полный диплоидный набор, в котором представлены копии всех хромосом, полученных как от яйцеклетки, так и от сперматозоида. При делениях созревания половых клеток на смену митозу приходит мейоз. Это сложный процесс. В мейозе происходит 2 генетически важных события – рекомбинации, т.е. перегруппировки хромосомного материала. В результате этого в числе 23 хромосом, оказавшихся в одном дочернем ядре будут различные сочетания хромосом материнского и отцовского происхождения. Число таких сочетаний 223 , или около 10 млн. вариантов. Это обеспечивает широчайший спектр наследственной изменчивости и генетическую неповторимость индивидов. Другой процесс генетической рекомбинации – кроссинговер – обмен участками между гомологичными хромосомами. Частота кроссинговера пропорциональна расстоянию между генами на хромосоме, причем каждый ген в норме имеет на ней вполне определенное место – локус.
Количество генов на каждой из хромосом исчисляется многими тысячами. Общее число генов у человека составляет несколько десятков или даже сотен тысяч. Каждый ген представляет собой отрезок гиганского полимера ДНК, основного носителя наследственной информации и главного структурного компонента хромосом.
В 60-х годах 19 века из ядер клеток было выделено вещество, которое было названо нуклеиновой кислотой. В 40 годах 20 столетия установлено, что нуклеиновая кислота ДНК, ответственна за передачу наследственной информации. В 1953 году Уотсон и Крик сообщили о расшифровке молекулярной структуры ДНК.
В каждом живом организме присутствуют 2 типа нуклеиновых кислот – РНК и ДНК. Биологическая функция нуклеиновых кислот заключается в хранении, репликации, рекомбинации и передаче генетической информации. Именно нуклеиновые кислоты определяют вид, форму, состав живой клетки и ее функции. Все нуклеиновые кислоты – высокомолекулярные соединения. И РНК и ДНК состоят из мономерных единиц – нуклеотидов. Каждый нуклеотид содержит 3 химически различных компонента: неорганический фосфат, моносахарид и остаток пурина или пиримидина, называемый азотистым основанием. Эти составные части соединены друг с другом в следующем порядке: фосфат-остаток моносахарида-азотистое основание.
Моносахариды – важная составная часть РНК – рибоза и ДНК – дезоксирибоза. Эти углеводы являются пентозами.
Азотистые основания – это:
-Пурины: аденин и гуанин
-Пиримидины: цитозин, тимин, урацил.
Благодаря своей гетероциклической ароматической природе пурины и пиримидины поглощают электромагнитную энергию в УФ диапазоне, максимум поглощения 260 нм. На этом свойстве основаны лабораторные методы обнаружения и количественного определения нуклеиновых кислот. Фосфатная группа в составе органической биомолекулы обычно входит как компонент.
Структура нуклеозидов : фрагмент нуклеотида, представляющий собой азотистое основание с присоединенным к нему углеводным остатком, называют нуклеозидом.
Для наиболее распространенных рибонуклеозидов приняты тривиальные названия: аденозин, гуанозин, уридин и цитозин. Обычно встречающиеся в ДНК дезоксирибонуклеозиды называются дезоксиаденозин, дезоксигуанозин, дезоксицитидин и тимидин.
Нуклеотид представляет собой нуклеозид с присоединенной эфирной связью к углеводному остатку фосфатной группой. В зависимости от строения пентозы все нуклеотиды делят на рибонуклеотиды и дезоксирибонуклеотиды. В зависимости от числа имеющихся остатков фосфорной кислоты различают нуклеозидмонофосфаты, нуклеозиддифосфаты и нуклеозидтрифосфаты. Таким образом, семейство аденозина включает АМФ, АДФ и АТФ.
Циклические нуклеотиды.
Аденозин –3-5-цикломонофосфат - широко распространен. Адреналин активирует фермент, ответственный за синтез ц-АМФ, который контролирует активность других ферментов. Известны еще 2 циклических нуклеотида: циклический гуанозинмонофосфат и циклический цитозинмонофосфат.
Именно последовательность азотистых оснований вдоль сахарофосфатной цепи определяет уникальную структуру и функциональную индивидуальность молекул ДНК и РНК. Термин нуклеотидная последовательность и последовательность азотистых оснований взаимозаменяемы.
Наиболее важна следующая функция нуклеозидтрифосфатов: во всех живых клетках АТФ выступает в качестве депо для хранения и переноса химической энергии (разумеется на молекулярном уровне). Процесс превращения АТФ в АДФ или АМФ составляет молекулярную основу переноса химической энергии внутри всех живых клеток.
Нуклеиновые кислоты (структура полинуклеотидов)
Полипептиды состоят из АК, соединенных пептидными связями. Полинуклеотиды состоят из нуклеотидов, соединенных фосфоэфирными связями. И РНК и ДНК можно выделить из клеток, субклеточных фракций. Для разделения смеси РНК и ДНК на компоненты используются различные методы: ионообменная, адсорбционная гель-проникающая и аффинная хроматография, а также электрофорез в полиакриламидном геле.
Каждая РНК и ДНК имеет определенный нуклеотидный состав, но он не является уникальной характеристикой структуры. Уникальность определяется последовательностью оснований.
Для нуклеотидного состава ДНК известны важные общие закономерности, известные как правила Чаргаффа:
1.Число пуриновых оснований (А+G), равно числу пиримидиновых оснований (Т+С). т.е. соотношение пуринов и пиримидинов равно единице).
2.Число остатков аденина равно числу остатков тимина, т.е. отношение аденина к тимину равно 1.
3. Число остатков гуанина равно числу остатков цитозина, т.е.отношение гуанина к цитозину равно единице.
Нуклеазы, ферменты, катализирующие гидролиз нуклеиновых кислот. Эндонуклеазы расщепляют внутрицепочечные диэфирные связи, а экзонуклеазы действуют на концевые диэфирные связи.
Известно, что живые клетки содержат 3 типа РНК, выполняющие определенные функции. РНК бывает – 1) информационной - мРНК, 2) транспортной-тРНК и 3) рибосомной-рРНК.
Эукариотические клетки содержат и другие типы РНК, функции которых еще не установлены. Некоторые из них обнаружены в ядре, другие в цитоплазме.
Что касается основных типов РНК с известными функциями, то каждая из них выполняет специфическую роль в сложном процессе биосинтеза белка, при котором последовательность АК определяется нуклеотидной последовательностью ДНК.
В ходе процесса, называемого транскрипцией нуклеотидная последовательность гена в ДНК копируется в молекулу РНК. Транскрипты генов рРНК используются в синтезе рибосом, нуклеотидные последовательности транскриптов мРНК представляют собой инструкции для синтеза полипептидов на поверхности рибосом, а транскипты ионов тРНК соединяются с АК, которые затем переносят в рибосомный синтезирующий центр в порядке, указанном в мРНК (трансляция).
Информационные РНК представляют собой одноцепочечные молекулы разной длины. Вероятнее всего молекула мРНК – это просто незамкнутая цепочка. Характерная особенность любой мРНК заключена в уникальной последовательности нуклеотидов, содержащих азотистые основания. Каждый последовательно присоединенный набор из трех нуклеотидов (кодон) обеспечивает информацию для последовательного присоединения АК при биосинтезе полипептида.
Например, ИИИ обеспечивает присоединение фенилаланина, АИА – изолейцина, ГАИ – аспарагиновой кислоты.Следующий тип РНК – транспортные. Каждая клетка содержит несколько различных видов молекул тРНК, до 60.
Что же собой представляет матричная РНК? Начало белкового синтеза в интактных клетках иногда совпадает во времени с увеличением количества или скорости обновления цитоплазматической РНК. Анализируя этот факт, возникла гипотеза о матричной или информационной РНК. Это быстро меняющаяся РНК, образующаяся во время или перед началом белкового синтеза. Она функционирует в качестве посредника, переносящего генетическую информацию от хромосомной ДНК на поверхность рибосом. Молекула матричной РНК содержит полную генетическую информацию, необходимую для специфического синтеза одной или нескольких полипептидных цепей. Эта молекула связывается с рибосомами и служит рабочей матрицей при белковом синтезе. Синтез матричной РНК – транскрипция. Необходим фермент РНК-полимераза, эта реакция требует наличия ионов магния и при этом высвобождается пирофосфат. РНК-полимераза наиболее активна если в качестве матрицы используется двухцепочечная ДНК. Если же в системе используется одноцепочечная или денатурированная ДНК, то активность фермента ниже.
Синтез РНК, катализируемый ДНК-зависимой РНК-полимеразой специфически ингибируется актиномицином Д, который связывается с ДНК.
Где же синтезируется белок? В рибосомах. Рибосомы – мультимолекулярные агрегаты, состоящие из белков и РНК (рибосомной РНК). Интактная рибосома представляет собой комплекс из двух субъединиц. Интактный комплекс может диссоциировать на субъединицы и далее с образованием рРНК и ряда белков.
Рассмотрим рибосомы как место синтеза белка. Для выяснения функций рибосом проведены эксперименты. После введения радиоактивных АК животным, проведен забор печени, ее гомогенизирование и фракционированние методом дифференциального центрифугирования,. Далее сделан анализ и установлено, что белки синтезируются первоначально во внутриклеточных структурах, образующих микросомную фракцию. В ходе дальнейших исследований рибосомы отделяли от эндоплазматической сети обработкой нейтральными растворами желчных кислот. Очищенные таким путем рибосомы включают АК в синтезируемые белки при инкубации с АТФ и ионами магния.
Молекулы транспортной РНК (растворимой РНК) самые маленькие из всех нуклеиновых кислот. Каждая транспортная РНК присоединяется к определенной АК, чтение кодонов мРНК достигается тем, что в каждой тРНК уникальная тринуклеотидная последовательность – антикодон, последовательность которого комплементарна последовательности кодона.
Рибосомы состоят из двух субъединиц, в состав которых входят рибосомная РНК и белок. Известно, что некоторые рибосомные белки выполняют каталитические функции. Функция рибосомной РНК до сих пор неясна. Вероятно, она и белки участвуют в конформационных изменениях, сопровождающих биосинтез белка, когда новая полипептидная цепь и мРНК перемещаются на рибосоме. Рибосомы должны связывать во-первых, матрицу (мРНК), во-вторых, строящуюся полипептидную цепь и в третьих , вновь поступающие молекулы аминоацил- тРНК. Что такое полирибосомы? Если рибосомы выделяют в условиях, когда они не подвергаются действию рибонуклеаз или механическим воздействиям, то их получают в виде скопления рибосом. Такие скопления – полирибосомы. (полисомы) Поскольку полисомы можно расчленить на рибосомы, то ясно, что последние удерживаются вместе при помощи цепи РНК. Поскольку число рибосом в полисоме пропорционально числу АК остатков в синтезируемых полипептидных цепях, был сделан вывод, что цепь РНК, соединяющая рибосомы – это мРНК, которая считывается одновременно несколькими рибосомами, расположенными на некотором расстоянии одна от другой. Каждая отдельная рибосома в полисоме способна синтезировать полную полипептидную цепь и не нуждается в присутствии других рибосом.
Белковый синтез
Схема ДНК – РНК – белок, 1 часть (ДНК – РНК) транскрипция, т.е. биосинтез молекул РНК, нуклеотидная последовательность которых комплементарна какому-либо участку (гену) молекулы двухцепочечной ДНК.
2 часть (РНК- белок) - это трансляция, биосинтез полипептидных цепей. Процесс трансляции включает активацию и отбор АК, инициацию синтеза полипептидной цепи (узнавание), элонгацию полипептидной цепи (наращивание) и терминацию синтеза полипептидной цепи (окончание)
Таким образом, синтез полипептидных цепей протекает в несколько стадий. 1. Активация АК. 2. Инициация полипептидной цепи. 3.Элонгация.4. Терминация.
1.Первая стадия белкового синтеза, называющаяся стадией активации, которая протекает в растворимой части цитоплазмы.
2. На второй стадии образуется инициирующий комплекс.
3. На третьей стадии белкового синтеза пептидная цепь удлиняется (элонгация) путем последовательного присоединения новых аминоацильных остатков.
4.На последней стадии синтез полипептидной цепи заканчивается (терминация). Сигналами терминации служат определенные участки мРНК, когда при транслокации до них доходжит очередь, синтез останавливается и готовая цепь отделяется от рибосомы.
Таким образом, синтез белка у эукариотов протекает на рибосомах, связанных с эндоплазматической сетью. Синтез белка может осуществляться также и в митохондриях, содержащих специфическую кольцевую ДНК, специфические митохондриальные формы мРНК и активирующие ферменты, а также рибосомы, сходные с рибосомами бактерий.
Вся программа химических процессов в организме записана в ДНК, молекулярном хранилище генетической информации. Расшифрована нуклеотидная последовательность ДНК и РНК, т.е. первичная структура. В 1953 году Уотсон и Крик предположили, что молекула ДНК состоит из двух правозакрученных спиральных полинуклеотидных цепей, переплетенных друг с другом и противоположно направленных. Следовательно, ДНК обладает первичной структурой – нуклеотидной последовательностью. Вторичной структурой – это 2 правозакрученные спиральные полинуклеотидные цепи, переплетенные друг с другом и противоположно направленные. Двухцепочечную структуру стабилизируют водородные связи, электростатические взаимодействия. При различных химических и физических воздействиях двухцепочечная ДНК может быть раскручена.
Данное открытие сыграло решающую роль для биологической науки 20 столетия.
Предположение о взаимодействии между азотистыми основаниями, помещенными друг напротив друга, полностью соответствует правилу Чаргаффа. Пурин всегда связан водородными связями с пиримидином (1:1). Аденин всегда связан с тимином (А=Т), а гуанин всегда связан водородными связями с цитозином (Г=Ц). Пары А=Т и Г=Ц называются комплементарными парами оснований. Более того последовательность одной из цепей полностью комплементарна последовательности второй. Противоположная полярность двух цепей в дуплексе обеспечивает пространственную ориентацию азотистых оснований.
Двухцепочечную структуру ДНК стабилизируют: водородные связи между парами оснований, электростатические взаимодействия с неорганическими противоионами, гидрофобные взаимодействия в плотно упакованных азотистых основаниях
При различных химических или физических воздействиях двухцепочечная ДНК может быть раскручена. Самый простой способ – нагревание. Повышение оптической плотности при 260 нм при нагревании известно как гиперхромный эффект.
Рассмотрим ДНК с точки зрения ее способности хранить информацию.
Четкие аргументы в пользу генетической функции ДНК были получены следующими способами. Установлено, что количество ДНК в любой клетке и организме строго постоянно и не зависит от условий внешней среды. От питания или от воздействия различных факторов, влияющих на метаболизм клетки, эта особенность ДНК вполне соответствует предполагаемым свойствам генетического материала. Содержание ДНК в клетке увеличивается с возрастанием сложности клетки и, следовательно, с возрастанием количества генетической информации в клетке.
Одним из наиболее веских аргументов в пользу генетической функции ДНК служат данные о том, что препараты ДНК, выделенные из различных тканей одного и того же организма, имеют одинаковый нуклеотидный состав. У различных видов он отличен. Таким образом, нуклеотидный состав ДНК у организма данного вида не зависит от возраста организма, условий питания и внешней среды. ДНК близких видов имеют сходный нуклеотидный состав, а эволюционно отдаленные организмы заметно отличаются один от другого по своему нуклеотидному составу.
Число пиримидиновых остатков равно числу пуриновых остатков.
Согласно модели Уотсона и Крика молекула ДНК состоит из двух правозакрученных полинуклеотидных цепей, имеющих общую ось. Две полинуклеотидные цепи в двойной спирали ДНК отличаются одна от другой как последовательностью оснований, так и нуклеотидным составом. Цепи комплементарны друг другу. Модель Уотсона и Крика объясняет, что репликация ДНК в клетке происходит в результате разделения двух цепей и последующего синтеза двух новых..
Клетки эукариотов содержат в ядре несколько или много хромосом (в зависимости от вида организма) причем в каждой хромосоме содержится одна или несколько молекул ДНК. В митохондриях эукариотических клеток содержится небольшое количество ДНК, эта ДНК отличается от ядерной. Митохондриальная ДНК – двухцепочечная, обычно кольцевая.
Денатурация двухцепочечной спирали ДНК происходит:
При экстремальных значениях рН, при нагревании, приуменьшении электрической постоянной водной среды, при обработке амидами карбоновых кислот, мочевиной. В процессе денатурации все ковалентные связи в ДНК сохраняются. Таким образом, можно сделать вывод, что ДНК представляет собой генетический материал хромосом.
Как же происходит репликация ДНК? Каковы ее ферментативные механизмы? При участии фермента ДНК полимеразы катализируется система синтеза. Эта реакция протекает только в присутствии некоторого количества преобразованной ДНК. В ее отсутствие фермент неспособен синтезировать полимер.
Преобразованная ДНК также служит и матрицей на которой фермент строит параллельную цепь ДНК, комплементарную преобразованной ДНК по составу и последовательности оснований.
Что такое репарация ДНК?
Имеются данные, что есть ферменты, способные ликвидировать разрывы, возникающие в ДНК под влиянием случайных воздействий. Такие разрывы, вероятно, реплицируются ферментом ДНК-лигазой. Также имеются данные, что репликация ДНК, чуждых данной клетке, предотвращается вследствие разрушения эндогенными нуклеазами.
Цикл элонгации протекает в 3 этапа:
Вновь поступающая аминоацил тРНК связывается с аминоацильным участком полного рибосомного комплекса, расположенного возле следующего по порядку кодона мРНК.
Для этого процесса связывания требуется ГТФ и специфический цитоплазматический белок (фактор Т).
В результате взаимодействия аминогруппы аминоацил тРНК образуется пептидная связь. Освобождающаяся транспортная РНК остается связанной в пептидильном участке. Для этого требуется фермент пептидилтрансфераза, который является частью субъединицы рибосомы.
На 3 этапе цикла элонгации пептидил тРНК физически перемещается с аминоацильного участка на пептидильный, вытесняя из него “пустую” тРНК. На этой стадии необходим специфический белок – фактор G. При каждом акте транслокации пептидил тРНК с рибосомой связывается новый комплекс фактора G с ГТФ. Одновременно с транслокацией пептидил тРНК происходит и транслокация мРНК вдоль рибосомы на один колдон.
Завершение синтеза полипептидной цепи и ее отделение от рибосомы происходит путем, отдельные этапы которого еще не изучены. Сигнал об окончании синтеза полипептидной цепи подается 3 специальными терминирующими кодонами в мРНК. Отделение полипептидил тРНК от рибосомы по достижении терминирующего кодона осуществляется при помощи специфического фактора освобождения (фактора R), который связан с рибосомой и облегчает гидролиз сложноэфирной связи между полипептидом и тРНК. Затем рибосома сходит с мРНК и после диссоциации на субъединицы может включаться в новый цикл.
Регуляция синтеза белка
Основным условием существования любых живых организмов
8-09-2015, 20:03