биология. Законы е существования и развития. Термин биология
 Скачать 0.71 Mb.
|
|
45) Химический состав и строение ДНК (I, II и III структура). Пространственная модель ДНК Уотсона-Крика. Первичная структура ДНК Соединение нуклеотидов в макромолекулу нуклеиновой кислоты происходит путѐм взаимодействия фосфата одного нуклеотида с гидроксилом другого так, что между ними устанавливается фосфодиэфирная связь. В результате образуется полинуклеотидная цепь. Важно отметить, что сборка полипептидной цепи осуществляется строго в одном направлении, а именно, путем присоединения фосфатной группы, расположенной в 5’- положении последующего нуклеотида к 3’гидроксильной группе предыдущего нуклеотида. Вторичная структура ДНК В 1953 г Уотсон и Крик представили модель 3-х мерной молекулы ДНК. За это открытие в последующем они были удостоены Нобелевской премии. Ученые показали, что особенностью II структурной организации ДНК является то, что в ее состав входят 2 полинуклеотидные цепи, связанные между собой в соответствие с правилами комплементарности и антипараллельности. Комплементарное соединение означает возможность образования связи между пурином и пиримидином, а именно, Аденин (А) может связываться только с Тимином (Т), а Гуанин (Г, англ. G) – только с Цитозином (Ц, англ. C) и наоборот. При этом между А и Т образуются 2 водородные связи, а между Г и Ц – 3. Благодаря комплементарности соединения в цепь число пуринов в молекуле ДНК всегда равно числу пиримидинов, т.е. A + Г = T + Ц – это правило Чаргаффа (1951 г.) Хотя водородные связи между парами оснований относительно слабы, каждая молекула ДНК содержит приблизительно 3,3 млрд. пар, так что в физиологических условиях (Т0 , рН) цепи никогда не разрываются. Сахаро-фосфатный остов находится по периферии молекулы ДНК, а пуриновые и пиримидиновые основания – внутри. Другой важной особенностью молекулы ДНК является антипараллельность двух составляющих еѐ цепей, т.е. 5’– конец одной цепи соединяется с 3’-концом другой. Третичная структура ДНК Данные рентгеноструктурного анализа показали, что молекула ДНК образует правозакрученную спираль диаметром 2 нм; длиной шага – 3,4 нм. В каждый виток входит 10 п.н. 46) Отличия ДНК от РНК. 1. Молекула ДНК – двухцепочечная, молекула РНК - одноцепочечная. 2. По строению РНК сходна с одной из цепей ДНК, только вместо Тимина, входящего в состав молекулы ДНК в молекуле РНК присутствует Урацил (У) (пиримидиновый нуклеотид). 3. Между ДНК и РНК существуют различия в характере углевода: в ДНК- дезоксирибоза, в РНК – рибоза. В отличие от ДНК, содержание которого в клетке постоянно, содержание в них РНК сильно колеблется и зависит от интенсивности синтеза белка. 47) Генетический код – способ хранения наследственной информации. Свойства генетического кода. Генетический код – это определенная последовательность нуклеотидов, которая содержит информацию о последовательности аминокислот в молекуле полипептида. Ф. Крик и его коллеги предположили, что информация должна быть выражена через блоки – кодоны. Они предположили, что кодоны должны включать не менее 3-х нуклеотидов. В природе обнаружено 20 различных аминокислот, из которых комплектуются все белки. Для того, чтобы зашифровать 20 вариантов аминокислот, генетический код должен включить как минимум 3 нуклеотида, т.к. из двух нуклеотидов можно скомбинировать только 4^2 =16 вариантов, а из трех нуклеотидов – 4^3 = 64 варианта. Полная расшифровка генетического кода проведена в 60-х годах XX века. Оказалось, что из 64 возможных вариантов триплетов 61 кодирует различные аминокислоты, а 3 являются бессмысленными, или STOPкодонами: UAG, UAA, UGA кодонами, на которых прекращается считывание наследственной информации. Свойства генетического кода: 1. Триплетность: каждый кодон включает 3 нуклеотида. 2. Универсальность: у всех живых организмов, существующих на Земле, генетический код одинаковый, что свидетельствует о единстве происхождения всего живого. Кодон AGA кодирует аминокислоту аргинин и у бактерий, и у человека, и у всего живого. 3. Вырожденность: 61 триплет на 20 аминокислот. Отсюда следует, что некоторые аминокислоты должны шифроваться несколькими триплетами. Это имеет очень важное значение, поскольку замена нуклеотида не всегда может приводить к замене аминокислоты). Например, аминокислоту валин кодируют четыре триплета: GTT, GTC, GTA, GTG. 4. Специфичность: каждый триплет соответствует только 1 аминокислоте: GTT- только валин. Кодон ATG является стартовым (метионин). 5. Универсальность: у всех живых организмов, существующих на Земле, генетический код одинаковый, что свидетельствует о единстве происхождения всего живого. Кодон AGA кодирует аминокислоту аргинин и у бактерий, и у человека, и у всего живого. 6. Непрерывность и неперекрываемость (считывается без пропусков). 48) Структура и функции разных видов РНК (рибосомная - рРНК, транспортная - тРНК, информационная - иРНК). 1. Рибосомная РНК (рРНК) – составляет 85% от всей РНК в клетке. Это самые крупные молекулы РНК, в их состав входит 3-5 тысяч нуклеотидов, молекулярная масса достигает 1,0-1,5 млн. рРНК синтезируется на специальных генах в ядрышке (ядрышковый организатор) и в комплексе с белками формирует субъединицы рибосом. На рибосомах идет синтез белка. Рибосомная РНК, входящая в состав цитоплазматических рибосом эукариот, больше по размерам, чем рРНК рибосом прокариот, митохондрий и пластид. Функции рРНК заключаются, прежде всего, в формировании активного центра рибосомы и обеспечении взаимодействия рибосомы и тРНК. 2. Информационная РНК (иРНК), или матричная РНК (мРНК) – составляет 5% от всей РНК в клетке, количество зависит от стадии клеточного цикла. Так, при интенсивном синтезе белков количество иРНК повышается. Размеры иРНК различны, в зависимости от объема копируемой информации. Молекулы мРНК состоят из 300-3000 нуклеотидов. Синтезируются иРНК в ядре, в процессе транскрипции (у прокариот), а также процессинга и сплайсинга (у эукариот). иРНК участвует в переносе генетической информации о структуре белка от ДНК к месту синтеза белка на рибосомы. 3. Гетерогенная ядерная РНК (гяРНК) – смесь транскриптов многих ядерных генов; локализована в ядре. Некоторые из них являются первичными транскриптами и имеют такую же длину, как и гены, с которых они скопированы, другие – частично подверглись процессингу и сплайсин- 95 гу и утратили ряд интронов, превратившись в зрелые мРНК. 4. Малые ядерные РНК (мяРНК, snRNA) – короткие стабильные молекулы РНК размером около 400 нуклеотидов, большинство которых в составе нуклеопротеидных частиц присутствуют в ядре. Они обнаружены в составе сплайсосом млекопитающих. Это структуры, где идет процесс сплайсинга. Эти РНК называют U-РНК из-за необычайно большого содержания урацила и его модифицированных форм. Нуклеотидные последовательности всех U-РНК позвоночных совпадают на 95%. 5. Транспортная РНК (тРНК) – составляет 10 % от всей РНК в клетке (рис. 5.4). Существует более 40 видов тРНК. Молекулы тРНК самые короткие, состоят из 76 нуклеотидов. тРНК содержатся в цитоплазме клетки и образуют вторичную структуру, известную под названием «клеверный лист» (форма трилистника). На одном конце находится триплет нуклеотидов (антикодон), кодирующий определенную аминокислоту. На другом конце имеется триплет нуклеотидов, к которому присоединяется аминокислота. В результате специфического взаимодействия тРНК и соответствующей аминокислоты возникает аминоацил-тРНК – молекула, содержащая активированный аминокислотный остаток и соответствующий антикодон. Любая аминокислота, участвующая в синтезе белка, присоединяется к соответствующей тРНК вне рибосомы с помощью специальных ферментов, аминоацил-тРНК-синтетаз (кодаз). При комплементарности триплета т-РНК (антикодона) и триплета иРНК (кодона), аминокислота занимает определенное место в молекуле белка. 6. МикроРНК (мкРНК, miRNA), размер которых состваляет 21-22 нуклеотида - это эндогенные самокомплементарные одноцепочечные РНК, которые ингибируют трансляцию или удаляют поли(А)-хвосты. 7. Малые интерферирующие РНК (миРН, siRNA) – двухцепочечные РНК размером 20-25 н., подавляющие активность генов во время и после транскрипции. 8. Малые ядрышковые РНК (мякРНК, snoRNA) принимают участие в химической модификации рРНК, тРНК, мяРНК. 9. Рибозимы (каталитические РНК, cRNA) обладают каталитическим действием, расщепляя все виды РНК 49) Строение генов прокариот и эукариот. Экзон-интронная организация генов эукариот. Генетическая система прокариот называется опероном. Оперон содержит регуляторную (неинформативную) часть (10%) и структурную (информативную) – (90%) (рис. 5.8-А). В структурной части содержится информация об одном или нескольких белках (полицистронная единица транскрипции). Со структурной части считывается иРНК. Регуляторная часть включает промотор, оператор и терминатор – 100 элементы, которые управляют работой гена. Промотор (P) – точка узнавания начала (инициации) транскрипции. К данному участку прикрепляется фермент РНК-полимераза, синтезирующий мРНК. Оператор (O) может быть связан с белком-репрессором, тогда транскрипция заблокирована, но если оператор свободен, транскрипция возможна. У эукариот – транскриптон – генетическая система. На долю регуляторной части приходится 90%, структурной (информативной) – (10%) (рис. 5.9). В отличие от генов прокариот регуляция транскрипции у эукариот значительно сложнее. Регуляторная зона транскриптона представляет ряд последовательно расположенных промоторов и терминаторов. Кроме того, либо в составе гена, но чаще - на некотором расстоянии от промотора у эукариот имеется регуляторный элемент, в котором локализуются специальные участки: энхансеры – усилители транскрипции, сайленсеры – гасители транскрипции, инсуляторы – участки, выполняющие функции операторов у прокариот, т.е. включающие или блокирующие регуляцию транскрипции. Регуляторные элементы у эукариот могут влиять на скорость транскрипции, даже если они расположены за тысячи пар нуклеотидов от промотора. Регуляторные участки ДНК служат местами для узнавания и связывания с регуляторными белками, активирующими РНК-полимеразу, а регуляторные белки, в свою очередь, могут активироваться путем связывания с гормонами. Энхансер может обладать ткане- и видоспецифичностью. В структурной области генов эукариот закодирована информация только об одном белке. Структурный участок имеет мозаичное («прерывистое») строение, т.е. кодирующие участки – экзоны чередуются с некодирующими последовательностями нуклеотидов – интронами (экзонинтронная организация). 50) Классификация генов: структурные и функциональные (регуляторы и модификаторы: индукторы, супрессоры). 1. Структурные гены несут информацию о белках-ферментах и гистонах, о последовательности нуклеотидов в различных видах РНК. 2. Среди функциональных генов выделяют: - гены-модуляторы, усиливающие или ослабляющие действие структурных генов (супрессоры (ингибиторы), активаторы, модификаторы); - гены, регулирующие работу структурных генов (регуляторы и операторы). 51) Центральная догма молекулярной биологии. Основные этапы биосинтеза белка. Центральная догма молекулярной биологии — обобщающее наблюдаемое в природе правило реализации генетической информации: информация передаётся от нуклеиновых кислот к белку, но не в обратном направлении. Правило было сформулировано Френсисом Криком в 1958 году. Биосинтез белка начинается с транскрипции. Она происходит в ядре. В ходе данного процесса копируется информация о структуре белковой молекулы ДНК на и-РНК (м-РНК) по приницпу комплиментарности. Фермент РНК-полимераза «раскручивает» ДНК, состоящую из двух цепочек, и на одной из цепей начинает синтезировать и-РНК. Как только синтез и-РНК завершается, она выходит из ядра клетки в цитоплазму, и к ней моментально присоединяется рибосома. В этот же момент времени с помощью специальных ферментов активируется т-РНК, на вершине которой находится антикодоновая петля, которая считывает информацию с и-РНК, а на основании расположен акцепторный участок, к которому крепится аминокислота. Посте того, как т-РНК доставил аминокислоту к рибосоме, начинается второй этап биосинтеза белка — трансляция. На данном этапе антикодон связывается со своим кодоном по принципу комплиментарности, и при их соответствии аминокислота в активном центре рибосомы присоединяется к предыдущей аминокислоте. Далее т-РНК освобождается от аминокислоты, а рибосома продвигается по и-РНК на один триплет вперёд. Постепенно наступает финальный этап биосинтеза белка — его созревание. Белок начинает приобретать определённую пространственную конфигурацию. При участии ферментов происходит отщепление лишних аминокислотных остатков, а также введение фосфатных, карбоксильных и других групп. Процесс биосинтеза завершается, а белок становится функционально активным. 52) Экспрессия генов прокариот. Транскрипция (инициация, элонгация, терминация). Экспрессия генов начинается с момента связывания промотора с ферментом транскрипции – РНК-полимеразой. При позитивном контроле оператор находится перед промотором, регуляторный белок, присоединяясь к оператору, облегчает связывание с ним РНК-полимеразы, запуская, тем самым, транскрипцию. При этом регуляторный белок называется белком-апоиндуктором. При негативном контроле оператор находится после промотора, и, взаимодействуя с регуляторным белком, препятствует связыванию РНК-полимеразы с промотором, останавливая транскрипцию. В этом случае регуляторный белок называется белком-репрессором. Рассмотрим классическую схему регуляции работы (экспрессии) генов прокариот на примере негативной регуляции (или негативного контроля) лактозного оперона у бактерии кишечной палочки E.coli. Эта схема была предложена французскими учеными Жакобом и Моно в 1961 г. В состав лактозного оперона (lac-оперона) входят три структурных гена ( lас Z, lас Y, lac А). Продуктами структурных генов lас Y и lас Z являются ферменты, обеспечивающие транспортировку и расщепление лактозы, а продукт гена lac А превращает лактозу в алло-лактозу, связывающуюся с белком-репрессором и, следовательно, являющуюся индуктором лактозного оперона . Белок-репрессор блокирует оператор, оперон не работает. Если в клетку поступает индуктор - лактоза, то он связывает белок-репрессор. Оператор освобождается, происходит считывание информации с ДНК на мРНК, запускается биосинтез белка – фермента. Накопление фермента приводит к разрушению индуктора - лактозы. Белок-репрессор освобождается, оператор блокируется и работа оперона останавливается. Другой тип регуляции по типу репрессии обнаружен при изучении. Другой тип регуляции по типу репрессии обнаружен при изучении триптофанового оперона. Этот оперон содержит гены ферментов, участвующих в биосинтезе аминокислоты триптофан. В отличие от лактозного, триптофановый оперон подавляется триптофаном: при наличии триптофана он изменяет конформацию белка-репрессора и позволяет ему связаться с оператором, транскрипция ингибируется (в данном случае триптофан - корепрессор, белок-репрессор — апорепрессор); в отсутствие триптофана белок-репрессор распадается на мономеры и становится не активен, оператор не заблокирован, РНК-полимераза связывается с промотором и начинает транскрипцию структурных генов, происходит синтез триптофана. Как и у прокариот, регуляция транскрипции у эукариот опосредована ДНК - белковыми взаимодействиями. Белки позитивной и негативной регуляции связываются со специфическими областями ДНК и стимулируют, или ингибируют, транскрипцию. Группу таких белков называют транскрипционными факторами. Индукция генной экспрессии может быть обусловлена влиянием факторов внешней среды: температуры, света, а также действием факторов внутренней среды, таких как гормоны. У многоклеточных эукариот один тип клеток может подавать сигнал другому путем секреции гормонов. Гормоны циркулируют по телу. Разные гормоны проникают в разные клетки, вступая в контакт с соответствующими целевыми клетками и затем инициируют серию событий, которые регулируют экспрессию определенных тканеспецифических генов. В эмбриональный период развития особей гормоны являются одним из факторов дифференцировки клеток. (Трансляция – важнейший этап реализации генетической программы клеток, в процессе которого информация, закодированная в первичной структуре нуклеиновых кислот, переводится в аминокислотную последовательность синтезируемых белков, так же относится к реакциям матричного синтеза. Трансляция (синтез белка) у эукариот происходит вне клеточного ядра в рибосомах в цитоплазме. Трансляция включает 3 фазы: инициация, элонгация и терминация синтеза белка. Инициация - фаза начала синтеза полипептида. Рибосома в процессе трансляции выполняет ряд функций: · связывает и удерживает мРНК; · взаимодействует с аминоацил-тРНК, осуществляет синтез пептидной связи; · удерживает растущий полипептид, участвует в гидролизе ГТФ (гуанизинтрифосфата) и продвигается по мРНК, взаимодействует с белками – факторами трансляции. В присутствии иРНК происходит объединение субчастиц рибосом, формируется рибосома, в составе которой различают пептидильный (П) и аминоацильный (А) центры. В аминоацильном А-участке располагается аминоацил-тРНК, несущая определенную аминокислоту. В пептидильном П-участке располагается тРНК, которая нагружена цепочкой аминокислот, соединенных пептидными связями. Происходит присоединение к рибосоме первой аминоацил-тРНК. Ферментом, участвующим в реакции присоединения аминокислоты к тРНК в цитоплазме, является кодаза (т-РНК синтетаза). Процесс узнавания молекулой тРНК своей аминокислоты называется рекогницией. У эукариот мРНК имеет только один участок начала трансляции. Первый от 5'-конца АУГ-кодон оказывается инициирующим. Он кодирует стартовую аминокислоту – метионин. Единственным общепринятым и универсальным сигналом инициации является кэп-структура. Основную роль в поиске и закреплении малой субъединицы на инициирующем кодоне играют эукариотические инициирующие факторы, которые образуют белковый комплекс, связывающий малую субъединицу рибосомы с кэпструктурой мРНК. Элонгация - удлинение полипептида Внутри большой субчастицы рибосомы одновременно находятся около 30 нуклеотидов мРНК и только 2 информативных триплета-кодона: один - в А-участке, другой - в П-участке. Молекула тРНК с аминокислотой вначале подходит к А-центру рибосомы. В том случае, если антикодон т-РНК комплементарен кодону иРНК, происходит временное присоединение тРНК к кодону иРНК. После этого рибосома передвигается на 1 кодон по иРНК, а тРНК с аминокислотой перемещается в П-участок. К освободившемуся А-участку приходит новая аминоацил-тРНК с аминокислотой и вновь останавливается там в том случае, если антикодон тРНК комплементарен кодону иРНК. Основным ферментом, участвующим в образовании пептидной связи, является пептидилтрансфераза. Между аминокислотой и полипептидом в присутствии образуется пептидная связь и одновременно разрушается связь между аминокислотой и ее тРНК, а также между тРНК и иРНК. Освободившаяся от аминокислоты тРНК выходит из рибосомы в цитоплазму. Рибосома снова перемещается на 1 триплет. Терминация - завершение синтеза полипептида .Когда на рибосоме появляется один из Стоп-кодонов мРНК (УАА, УАГ или УГА) синтез белка прекращается. Стоп-кодоны соединяются с особыми белками – релизинг-факторами. К последней аминокислоте сформировавшегося полипептида присоединяется вода и ее карбоксильный конец отделяется от тРНК. В результате пептидная цепь теряет связь с рибосомой, и вся структура рибосомы распадается. Синтезировалась полипептидная цепь – первичная структура белка. Синтез однотипного полипептида в большом количестве происходит на полирибосомах. |