ОТЧЕТ: Лекция «Введение в курс молек. биологии» + практика «Нуклеиновые кислоты»
10.02.22
Введение в курс молекулярной биологии
План
Молекулярная биология. Определение.
История молекулярной биологии
Доказательства генетической роли нуклеиновых кислот
Структура и функции нуклеиновых кислот
1. Молекулярная биология. Определение.
Молекулярная биология изучает явления жизни на уровне макромолекул в субклеточных структурах, в вирусах, в клетках.
Цель молекулярной биологии -установление роли и механизма функционирования этих макромолекул на основе знания их структуры и свойств. Исторически молекулярная биология сформировалась в ходе развития направлений биохимии, изучающих белки и нуклеиновые кислоты. В то время как биохимия исследует обмен веществ и биоэнергетику процессов, происходящих в живой клетке, молекулярная биология главное внимание сосредоточивает на изучении способа хранения наследственной информации, механизма ее передачи дочерним клеткам и реализации этой информации.
Начав с изучения биологических процессов на молекулярно- атомном уровне, молекулярная биология перешла к сложным над молекулярным клеточным структурам и в настоящее время успешно решает проблемы генетики, физиологии, эволюции и экологии.
Молекулярная биология изучает связь между генетической информацией и признаками организма, которые реализуются с помощью белков. Основными процессами, которые исследуются в молекулярной биологии, являются репликация, транскрипция и трансляция. Именно благодаря им происходит передача и реализация наследственной информации, и потомки получают те же признаки, что и родители.
2. История молекулярной биологии
Молекулярная биология возникла на границе биохимии, биоорганической химии, биофизики, органической химии, микробиологии, цитологии и генетики. Формальной датой возникновения молекулярной биологии считают 1953 год. В 1953 г. Дж. Уотсон и Ф. Крик, используя рентгенограммы ДНК, впервые полученные Розалиндой Франклин и М. Уилкинсом, и правила Э. Чаргаффа о закономерностях первичной структуры ДНК, установили пространственную структуру ДНК и высказали подтвердившееся позже предположение о механизме ее репликации (удвоении), лежащем в основе наследственности.
Важнейшие достижения молекулярной биологии:
1868 г. - первым исследовал ДНК был шведский химик Фридрих Мишер. Из суспензии клеточных ядер он выделил кислое вещество, которое назвал нуклеином.
1927 г. - Кольцов Н. К. предположил, что наследственные признаки передаются с помощью «гигантской наследственной молекулы, построенной, возможно, из двух зеркальных цепей».
1927 г. - Г. Миллер показал, что тончайшие наследственные структуры хромосом могут скачкообразно изменяться под действием рентгеновских лучей: таким образом возникают превращения одних генов в другие.
1939 г. - в работе Торбьёрна Касперсона, Жена Брата и Джека Шульца была предсказана определяющая роль РНК в синтезе белка.
1944 г. Доказательство генетической роли ДНК – Освальд Эйвери, Колин МакЛеод, Маклин Мак-Карти.
1953 г. Установление структуры ДНК - Д. Уотсон, Ф. Крик. Для понимания закономерностей строения нуклеиновых кислот и процессов с их участием в клетке важнейшее значение имеет принцип комплементарности пуриновых и пиримидиновых оснований.
1956-1957 гг. - А. Н. Белозерский и А. С. Спирин независимо доказали существование мРНК, а также выяснили, что основную массу РНК в клетке составляет рибосомальная РНК (рРНК).
1961 г. Открытие генетической регуляции синтеза ферментов - Андре Львов, Франсуа Жакоб, Жак Моно.
1966 г. Расшифровка генетического кода - М. Ниренберг, С. Очоа, Г. Корана.
1967 г. Синтез in vitro биологически активной ДНК – Артур Корнберг (1918) - американский биохимик, открыл фермент ДНК-полимеразу, помощью которого синтезировал биологически активную ДНК.
1970 г. Химический синтез гена - Г. Корана (1922) американский биохимик, впервые синтезировал ген аланиновой тРНК.
1970 г. Открытие фермента обратной транскриптазы и явления обратной транскрипции - Говард Темин, Дэвид Балтимор, Ренато Дульбекко.
1974 г. Открытие ферментов рестрикции – рестриктаз Гамильтон Смит, Даниэль Натанс, Вернер Арбер.
1990 г. Стартовал международный проект «Геном человека». В этом проекте участвовали учёные из США, Великобритании, Франции, Германии, Японии и Китая. Эти страны образовали Международный консорциум по секвенированию генома человека. В нашей стране с идеей секвенирования генома человека выступил в 1988 г. академик А. А. Баев, и в 1989 г. был организован Научный совет по программе «Геном человека». В 1990 г. была создана Международная организация по изучению генома человека (HUGO), вице президентом которой в течение нескольких лет был академик Андрей Дарьевич Мирзабеков (1937-2003). С самого начала работ по геномному проекту учёные договорились об открытости и доступности всей получаемой информации для его участников независимо от их вклада и государственной принадлежности. Работа над всеми 23 хромосомами человека была поделена между странами-участницами. Российские учёные должны были исследовать структуру 3-й и 19-й хромосом. К 2001 г. было секвенировано примерно 90 % генома, но значительная часть всей последовательности оставалась всё ещё в виде фрагментов длиной в несколько тысяч пар нуклеотидов. В апреле 2003 г. было объявлено о завершении расшифровки практически всей последовательности генома человека - около 99 % районов, содержащих гены, были секвенированы с точностью 99,99 %.
1993 г. При изучении ретровирусов обнаружена и описана микроРНК – это конечная двухцепочечная молекула РНК, функция которой связываться с зрелой мРНК при участии комплекса ферментов. В настоящее время у человека описано 738 микроРНК.
1998 г. Крейг Меллоу и Эндрю Файер открыли явление РНК- интерференции - в результате связывания микроРНК с мРНК происходит частичная или полная приостановка трансляции белка с мРНК, или же полный распад молекулы мРНК при участии РНКаз цитоплазмы. В 2006 г. Эндрю Файер и Крейг Мэллоу получили Нобелевскую премию за это открытие.
Исследование механизма биосинтеза белка позволило установить центральную догму молекулярной биологии, которая характеризует направление движения генетической информации в организме: ДНК -> матричная рибонуклеиновая кислота (мРНК) -> белок.
3. Доказательства генетической роли нуклеиновых кислот
Самый первый и наиболее яркий пример, демонстрирующий роль ДНК как вещества наследственности, относится к 1928 г. Явление, получившее название трансформации, впервые было обнаружено бактериологом Фредериком Гриффитом при изучении пневмококковой инфекции у мышей.
Гриффит брал два штамма пневмококков - капсульный и бескапсульный. Капсульный — это патогенный (вирулентный) штамм, при инфицировании таким штаммом мыши погибают. Бескапсульный - непатогенный штамм, бескапсульные клетки легко фагоцитируются в организме мышей и поэтому непатогенны для животных. Если же животных инфицировать смесью живых бескапсульных невирулентных и инактивированных (убитых) нагреванием капсульных клеток, то животные погибают от пневмококковой инфекции. В лёгких погибших животных были обнаружены вирулентные клетки. На основании полученных результатов Гриффит сделал вывод, что в убитых нагреванием патогенных клетках присутствует трансформирующий фактор, превращающий непатогенные живые клетки в вирулентные. Трансформированные пневмококки давали патогенное потомство.
Обнаруженное явление Ф. Гриффит назвал трансформацией. Трансформация — это приобретение одним организмом некоторых признаков другого организма за счет захвата части его генетической информации. Это открытие Ф. Гриффита положило начало исследованиям, направленным на установление химической природы трансформирующего фактора.
В 1944 г. этот эксперимент был повторен Освальдом Эйвери, Колином Мак-Леодом и Маклином МакКарти. Им удалось выделить трансформирующий фактор и показать, что это молекула ДНК
Они смешивали вирулентные пневмококки с взятыми от вирулентных пневмококков белками, липидами, углеводами, РНК и ДНК. Так была выявлена природа трансформирующего фактора.
Экспериментальное трансформирующий фактор доказательство того, что — это ДНК, сводилось к следующим положениям:
1)Элементный химический состав очищенного трансформирующего фактора был близок к рассчитанному элементному составу для ДНК;
2) оптические, электрофоретические свойства, поведение при ультрацентрифугировании соответствовали свойствам ДНК;
3) экстракция белков и липидов не вызывали потери трансформирующей активности;
4) обработка препарата трипсином и химотрипсином не влияла на трансформирующую активность;
5) обработка препарата РНКазой не влияла на трансформирующее начало;
6) только обработка препарата ДНКазой приводила к потере трансформирующей активности.
Таким образом, было показано, что в результате трансформации бескапсульных пневмококков, именно ДНК определяет появление соединения, отличного по химической природе от самой нуклеиновой кислоты, а именно синтез капсульного полисахарида.
Однако даже после таких достаточно убедительных экспериментальных данных долгое время считали, что ДНК может определять биосинтез только полисахаридов и только у бактерий, но не является веществом наследственности вообще.
Следующее доказательство генетической роли ДНК было получено в 1952г в экспериментах, проведённых на совершенно другой системе. Альфред Херши и Марта Чейз инфицировали клетки кишечной палочки (Е. coli) фагом T2 (фаги или бактериофаги — это вирусы, размножающиеся в бактериях), у которого белковая оболочка была мечена радиоактивной серой (S35), а ДНК - радиоактивным фосфором (P32). Затем полученную смесь встряхивали в блендере, чтобы отделить заражённых бактерий от пустых вирусных оболочек.
Когда исследователи измерили радиоактивность, они обнаружили, что большая часть помеченной P32 ДНК попала внутрь бактериальных клеток, тогда как большая часть помеченных S35 белков осталась в растворе с пустыми оболочками вирусов.
Эксперимент доказал, что вирусная ДНК попадает внутрь бактериальных клеток, а вирусные белки нет. Значит, генетический материал в вирусах представлен ДНК. B совокупности с исследованиями, проведёнными Эйвери, Мак- Леодом и МакКарти, этот эксперимент окончательно доказал, что носитель генетической информации - ДНК.
На сегодняшний день существует сотни тысяч доказательств генетической роли нуклеиновых кислот. Приведённые три являются классическими.
4. Структура и функции нуклеиновых кислот
В 1861 г. швейцарский врач И. Ф. Мишер выделил из ядер лейкоцитов вещество кислой природы, которое назвал нуклеином; позже это вещество начали называть нуклеиновой кислотой. Рихард Альтман в 1889 г. разделил нуклеин на нуклеиновую кислоту и белок. Появился термин «нуклеиновая кислота». В 1891 г. благодаря работам А. Косселя стал известенсостав нуклеиновых кислот. После гидролиза в них обнаружили сахар, фосфат и азотистые основания: Пуриновые ипиримидиновые.
Долгое время РНК считалась компонентом растений, включая грибы, а ДНК рассматривалась как типичный компонент животных клеток. Затем оказалось, что ДНК наряду с РНК, широко распространена у растений. В 1930-х гг. благодаря работам A. H. Белозерского установилось окончательное понимание того, что и РНК, и ДНК - два универсальных типа нуклеиновых кислот, присущих всем царствам живого мира.
B 1940-х гг. на основе цитологических и биохимических исследований стало складываться представление, что ДНК, постоянно локализующаяся в ядрах клеток, в их хромосомах, самым тесным образом связана с аппаратом наследственности, а РНК — это обязательный компонент клеточной цитоплазмы, ответственный за биосинтез белка.
Было установлено, что:
1. Содержание ДНК в любой клетке организма постоянно и не зависит от условий внешней среды.
2. Количество ДНК увеличивается по мере нарастания сложности клетки.
3. Каждый вид имеет свой специфический нуклеотидный состав ДНК.
4. Каждый организм содержит участки ДНК, сходные с участками ДНК его родителей, но ДНК каждого индивидуального живого организма уникальна.
В конце 1940-х годов Эрвин Чаргафф (1905-2002) показал, что при разложении самых разных образцов ДНК образуется столько же молей тимина, сколько и аденина, а количество молей цитозина равно количеству молей гуанина. Однако соотношение тимина и цитозина в ДНК разных организмов неодинаково. Установленные им закономерности получили название «правила Чаргаффа».
Фактическим материалом для расшифровки структуры ДНК стали рентгенограммы, сделанные в Королевском колледже Лондонского университета, в отделении биофизики, которым руководил сэр Джон Рэндалл. Знаменитая «фотография 51», была получена молодой исследовательницей Розалиндой Франклин (1920-1958). Дифракционные данные указывали на то, что ДНК имеет спиральную структуру, но другие особенности строения оставались пока непонятными. Д. Уотсону и Ф. Крику было известно, что:
1) молекула ДНК — это спираль;
2) согласно «правилу Чаргаффа» аденинов в ДНК должно быть поровну с терминами, а гуанинов - с цитозинами;
3) гидрофильные фосфаты находятся снаружи молекулы, существующей в водном растворе, а гидрофобные азотистые основания - внутри.
Примечание: пятна образуют крест в центре различимой спиральной структуры. Тёмные полосы по бокам образованы повторяющимися основаниями.
В конце 1952 года Фрэнсис Крик задумался о возможности образования нековалентных водородных связей между двумя азотистыми связями. Джон Гриффит (химик-теоретик) рассчитал, что наиболее прочные связи образуются между аденином и тимином, а также между гуанином и цитозином.
Идея о том, как может быть устроена ДНК, пришла в голову Джеймсу Уотсону 28 февраля 1953 года. Из этой идеи стало принципиально понятно, каким образом ДНК может самокопироваться и воспроизводить свою структуру из поколения в поколение. Проверка показала, что расчётные рентгенограммы такой модели совпадают с реальными.
Таким образом, по Уотсону и Крику ДНК — это полимер, состоящий из двух цепей, соединённых множеством водородных связей. Эти связи образуются между азотистыми основаниями, причём аденин всегда связан с тимином, а гуанин с цитозином.
В конце 1953 года Ф. Крик и Д. Уотсон высказывают мнение о том, что в последовательности азотистых оснований в молекулах ДНК закодированы последовательности аминокислот в белках - т.е. все наследственные признаки живых организмов.
H. К. Кольцов сообщил в докладе (1927 г.) на 3-м Всесоюзном съезде зоологов, анатомов и гистологов -признаки, передаваемые по наследству, определяются линейным расположение мономеров в полимерных молекулах. Эти гигантские полимерные молекулы (их в самом деле мало в клетки) размножаются по принципу матриц… Эта идея матричного синтеза была забыта не понявшими её современниками.
Н. В. Тимофеев-Ресовский, К. Г. Циммер и М. Дельбрюк определяли частоту мутаций у дрозофил в зависимости от интенсивности радиоактивного облучения. В результате был оценён размер гена. - ген оказался молекулярных размеров, его длина порядка трёх ангстрем.
ДНК и РНК — это полимерные макромолекулы, участвующие в хранении и переносе генетической информации. Они построены из мономерных звеньев нуклеотидов Нуклеотиды присутствуют во всех без исключения живых клетках, выполняя целый ряд важных функций. В их числе:
1) построение нуклеиновых кислот;
2) перенос энергии (АТФ);
3) образование коферментов (НАДН);
4) участие в роли акцепторов в окислительном фосфорилирование (АДФ);
5) выступают в качестве регуляторов активности ряда ферментов и «вторичных посредников».
Нуклеотид состоит из трёх частей - азотистого основания, моносахарида и одной или нескольких фосфатных групп. В составе ДНК и РНК к нуклеотидам присоединена одна фосфатная группа. Сахар, входящий в состав нуклеотида - это пентоза, которая может присутствовать в одной из двух форм: B-D-рибозы и B-D-2-дезоксирибозы. Азотистые основания представляют собой производные одного из двух соединений - пурина или пиримидина. В нуклеиновых кислотах в основном присутствуют два пуриновых производных - аденин и гуанин и три пиримидиновых - цитозин, тимин и урацил.
Некоторые названия азотистых оснований отражают историю их открытия. Так, гуанин изначально был выделен из гуано (птичьего помёта), а тимин - из тимуса.
В рибонуклеиновых кислотах используются основания A, G, C и U, а в дезоксирибонуклеиновых - A, G, С и T. Основание присоединяется к сахару с помощью B-N-гликозидной связи, соединяющей Cl-атом пентозы с N1-атомом пиримидина или с N9-атомом пурина.
РНК и ДНК построены из ковалентно связанных рибонуклеотидов или дезоксирибонуклеотидов, соответственно.
Нуклеотиды соединяются между собой помощью фосфодиэфирных мостиков, связывающих 5'-гидроксильную группу одного нуклеотида c 3'-гидроксильной группой следующего. При этом образуется регулярная основная цепь, называемая сахарофосфатный остов. Порядок следования оснований вдоль цепи называется первичной структурой нуклеиновой кислоты. Полинуклеотидная цепь обладает полярностью, а последовательность оснований читается в направлении от 5' к 3'.
Молекула ДНК представляет собой двойную спираль, которая удерживается за счёт двух типов сил - водородных связей между парами оснований и взаимодействий между параллельными плоскостями соседних оснований.
Водородные связи между основаниями строго специфичны, и этот факт имеет очень большое значение, как для структуры ДНК, так и для её биологической функции. Эти связи были открыты и изучены Э. Чаргаффом в 1945 г. и получили название принципа комплементарности, а особенности образования водородных связей между основаниями называются правилами Чаргаффа.
Независимо от видовых различий, во всех ДНК:
1) молярное соотношение аденин к тимину равно 1 (А=Т, или A/T=1);
2) молярное соотношение гуанина к цитозину равно 1 (Г=Ц, или Г/Ц=1);
3) сумма пуриновых нуклеотидов равна сумме пиримидиновых нуклеотидов;
4) в ДНК из разных источников отношение Г+Ц/А+Т, называемое коэффициентом специфичности, неодинаково.
Определённые последовательности ДНК могут иметь необычное пространственное строение. Так, в спиралях ДНК встречаются изгибы везде, где расположены подряд четыре или более остатков аденозина. Шесть аденозинов подряд образуют изгиб под углом 18°. Такая кривизна, образуемая этой или другой последовательностью, играет важную роль при связывании ДНК с некоторыми белками. Достаточно распространённый тип последовательности ДНК — это так называемый палиндром. Палиндром — это слово, фраза или предложение, которое звучит одинаково при чтении слева направо и справа налево, например, КАЗАК. Этот термин применяется для обозначения участков ДНК cинвертированными повторами последовательностей оснований, которые имеют симметрию второго порядка для двух цепей ДНК
Примечание: А - форма и химическое строение азотистых оснований делают возможным образование устойчивых водородных связей только между аденином и тимином и между гуанином и цитозином, в которых атомы, способные образовывать водородные связи, оказываются близко друг к другу; В - короткий участок ДНК, вид сбоку. Нуклеотиды соединены между собой ковалентными фосфодиэфирными связями между 3'- гидроксильной (-ОН) группой одного сахара и 5'-фосфатной (-PO4) группой следующего за ним сахара. Такая связь придаёт каждой полинуклеотидной цепи направленность, а два конца одной цепи отличаются друг от друга по своему химическому строению: 3'-конец несёт свободную ОН-группу, присоединённую к 3'-атому дезоксирибозы, 5'-конец несёт фосфатную группу, присоединённую к 5'-атому дезоксирибозы.
Примечание: последовательности ДНК (или РНК) могут по-разному сворачиваться с образованием пар между основаниями внутри цепи.
Такая последовательность комплементарна самой себе, и поэтому может образовывать структуры типа шпилька или креста (две симметричные шпильки). Если инвертированные повторы встречаются в одной цепи ДНК, такие последовательности называют зеркальными повторами зеркальные повторы не являются комплементарными последовательностями для самих себя и не способны образовывать шпильки и крестообразные структуры.
Некоторые необычные структуры ДНК образуются из трёх или более цепей ДНК. Нуклеотиды, участвующие в образовании Уотсон-Криковских пар, могут иметь ряд дополнительных водородных связей, особенно с функциональными группами, расположенными в большой бороздке. Например, остаток цитидина (протонированный) может связываться с остатком гуанозина, участвующим в образовании нуклеотидной пары G=C, а тимидин - с аденозином A=Т пары.
Благодаря нетипичным водородным связям формируется трёхцепочечная ДНК (триплекс). Некоторые трёхцепочечные структуры ДНК содержат две пиримидиновые цепи и одну пуриновую; другие состоят из двух пуриновых и одной пиримидиновой.
Четыре цепи ДНК также могут связываться друг с другом, образуя четырёхцепочечную структуру (тетраплекс или квадруплекс), но это происходит только между цепочками ДНК с высоким содержанием гуанозиновых остатков (G-тетраплекс).
Функции ДНК:
1. ДНК является носителем генетической информации. Функция обеспечивается фактом существования генетического кода.
2. Воспроизведение и передача генетической информации в поколениях клеток и организмов. Функция обеспечивается процессом репликации.
3. Реализация генетической информации в виде белков, а также любых других соединений, образующихся с помощью белков-ферментов. Функция обеспечивается процессами транскрипции и трансляции.
Рибонуклеиновые кислоты
РНК повсеместно распространены в живой природе. Биологическая функция РНК обусловлена тем, что они обеспечивают реализацию в клетке наследственной информации, которая передаётся с помощью ДНК.
В клетке существует три главных типа РНК: информационная (матричная) РНК (иРНК или мРНК), рибосомальная РНК (рРНК) и транспортная РНК (тРНК). Рибосомальная РНК составляет около 80 82 % от содержания суммарной клеточной РНК, тРНК - 15-16 % и иРНК - 2-10 %. Все типы РНК принимают участие в синтезе белка.
Как и ДНК, РНК представляют собой линейные полинуклеотиды с тем же принципам организации:
- состоят из четырёх видов нуклеотидов, каждый из которых включает азотистое основание, пентоза и фосфатный остаток;
- нуклеотиды связаны в цепь с помощью 5',3'-фосфодиэфирных связей;
-полинуклеотидные цепи полярны, то есть имеют 5'- и 3'- концы.
Единственная нить PHK принимает, как правило, правозакрученную конформацию благодаря взаимодействиям между основаниями, причём они намного сильнее между двумя пуринами, чем между пурином и пиримидином или двумя пиримидинами.
Но имеются и отличия от ДНК:
1) В отличие от ДНК молекулы всех трёх типов РНК является то, что для неё не характерно устойчивое спиральное строение.
2) Пентоза в РНК представлена рибозой, имеющей во втором положении углеродного атома гидроксильную группу. Последняя делает двухцепочечную структуру менее компактной.
3) В РНК содержатся 4 азотистых основания - аденин, цитозин, гуанин и урацил, отличающийся от тимина лишь отсутствием метильной группы в 5-м положении.
4) В РНК (особенно в тРНК) высоко содержание оснований и нуклеозидов. Среди них - дигидроуридин (в урациле нет одной двойной связи), псевдоуридин, диметиладенин и диметилгуанин и многие другие.
Показано, что:
1)РНК могут формировать вторичную структуру – набор коротких спиральных участков, которые образуются за счёт антипараллельного комплементарного спаривания смежных отрезков цепи.
2) РНК способны образовывать третичную структуру за счёт дальних комплементарных взаимодействий внутри цепи и межспиральных взаимодействий.
3) Высокополимерные РНК способны сворачиваться в компактные частицы.
4) РНК обладают значительной конформационной подвижностью.
Специфические функции РНК:
Долгое время за нуклеиновыми кислотами, и в том числе за РНК, признавалась лишь генетическая функция.
1. РНК, как и ДНК могут служить матрицей для собственного воспроизведения через комплементарные цепи РНК репликация РНК на матрице РНК - была показана на примере репликативного цикла ряда РНК-содержащих вирусов. Кроме того, PHK могут служить матрицей для синтеза ДНК - явление обратная транскрипция, открытое в 1970 г.
2. Кодирующая функция - программирование белкового синтеза (мРНК) линейными последовательностями нуклеотидов.
Кодирующие РНК составляют лишь малую долю клеточных РНК, а основная часть РНК представлена некодирующими РНК, куда относятся в первую очередь рибосомные РНК.
3. Структурная функция - полинуклеотидные цепи РНК, как и полипептидные цепи белков, способны самосворачиваться в компактные структуры с образованием специфических третичных структур.
4. Функция молекулярного узнавания. Способность РНК к формированию компактных трёхмерных структур даёт основу для специфического взаимодействия с другими молекулами. Например, тРНК - среднего размера компактно свёрнутые молекулы поочерёдно и очень избирательно взаимодействуют сначала с аминоацил-тРНК-синтетазой и соответствующей аминокислотой, затем с фактором элонгации трансляции EF 1, вместе с которым она поступает в рибосому.
5. Каталитическая функция - РНК может быть специфическим катализатором биохимических реакций (энзимы- рибозимы).
Таким образом, РНК является уникальным биополимером, которому свойственны как функции ДНК, так и функции белков.
Особенности строения мРНК. Линейная цепь мРНК содержит несколько областей с различной функциональной ролью:
1) На 5 -конце находится кэп («шапочка») - участок из одного- четырёх модифицированных нуклеотидов, например, 7- метилгуанин. Такая необычная структура необходима для защиты мРНК от экзонуклеаз.
2) За кэпом идёт последовательность из нескольких десятков нуклеотидов. Эта область комплементарна одному из участков pРНК, входящей в малую субъединицу рибосомы. За счёт этого соединение служит для первичного связывания мРНК с рибосомой, но сама не транслируется.
3) Считывание мРНК начинается всегда с так называемого инициирующего кодона. Во всех мРНК это - AUG, который кодирует аминокислоту метионин.
4) За инициирующим кодоном в мРНК следует транслируемая область, в которой и содержится информация последовательности аминокислот в белке.
5) По окончании этой области находится кодон терминации (UAA, UAG или UGA), который сигнализирует об остановке синтеза белка.
6) За этим кодоном следует 3 -НТО, значительно превышающая по длине 5'-НТО.
7) Почти все зрелые мРНК эукариот на 3 -конце содержат поли (А)-фрагмент из 150-200 адениловых нуклеотидов. Они играют важную роль в регуляции продолжительности жизни мРНК.
Особенности строения тРНК. Транспортные РНК - относительно небольшие молекулы, длина их цепей варьирует от 74 до 95 нуклеотидных остатков. Среди них высоко содержание минорных, или модифицированных, нуклеотидов: дигидроуридин псевдоуридин; инозин, метилинозин, метилгуанин и другие.
Наличие стабильной третичной структуры - ещё одна особенность тРНК: 4 двухцепочечных участка, попарно сближаясь, образуют примерно два витка двойной спирали, расположенные почти перпендикулярно друг другу, в результате молекула приобретает G-образную форму. Основной функцией тРНК является транспорт аминокислоты на соответствующий участок мРНК в рибосомах.
Особенности строения рнк.
Рибосомальные РНК - основа формирования субъединиц рибосом. Малая субъединица содержит 1 молекулу 18S рРНК и около 30 молекул различных белков. Большая субъединица включает три разные молекулы рнк. Все трнк обладают развитой вторичной структурой: около 70% нуклеотидов собрано в шпильки. Кроме того, рРНК в значительной степени метилированы (CH3-группа во втором положении рибозы, а также в азотистых основаниях).
Выделяют несколько функций, которые выполняют рРНК.
4) За инициирующим кодоном в мРНК следует транслируемая область, которой и содержится информация последовательности аминокислот в белке.
5) По окончании этой области находится кодон терминации (UAA, UAG или UGA), который сигнализирует об остановке синтеза белка.
6) За этим кодоном следует 3 -НТО, значительно превышающая по длине 5'-НТО.
7) Почти все зрелые мРНК эукариот на 3 -конце содержат поли (А)-фрагмент из 150-200 адениловых нуклеотидов. Они играют важную роль в регуляции продолжительности жизни мРНК.
Особенности строения тРНК
Транспортные РНК - относительно небольшие молекулы, длина их цепей варьирует от 74 до 95 нуклеотидных остатков. Среди них высоко содержание минорных, или модифицированных, нуклеотидов: дигидроуридин псевдоуридин; инозин, метилинозин, метилгуанин и другие. 16.02.22
Нуклеиновые кислоты
Практическая часть:
1. Базовые знания, необходимые для решения задача по молекулярной биологии.
2. Типы задач по молекулярной биологии.
3. Требования к решению задач.
4. Изучение решения типовых задач по теме «Нуклеиновые кислоты».
5. Самостоятельное решение типовых задач по теме.
Объяснение правилам Чаргаффа дали Уотсон и Крик
ДНК — это 2 цепочки соединенные по принципу комплементарности
Отличия РНК от ДНК
Одноцепочечные молекулы
Сахар- рибоза вместо дезоксирубозы
У вместо Т
Намного меньше сравнимы п размеру с белками
1.Базовые знания, необходимые для решения задача по молекулярной биологии.
1) Строение ДНК и РНК;
2) Базовую терминологию молекулярной биологии, необходимую для понимания и решения типовых задач молекулярной биологии;
3) Правила комплементарности пар оснований;
4) Правила Чаргаффа;
5) Виды РНК и их классификацию;
6) Среднюю массу нуклеиновых кислот и аминокислот;
7) Расстояние между нуклеотидами в цепи ДНК;
8) Трехнуклеотидный код;
9) Методы молекулярной биологии;
Требования к решению задач:
1. Ход решения должен соответствовать последовательности процессов, протекающих в клетке;
2. Решать задачи осознано, обосновывать каждое действие теоретически;
3. Запись решения оформлять аккуратно: цепи ДНК, и РНК, тРНК прямые, символы нуклеотидов четкие, расположены на одной линии по горизонтали;
4. Цепи ДНК, иРНК, тРНК размещать на одной строке без переноса;
5. Ответы на все вопросы выписывать в конце решения.
Задачи на установление последовательности нуклеотидов в ДНК, иРНК, антикодонов тРНК
Задача 1. Участок правой цепи молекулы ДНК имеет последовательность нуклеотидов: А-Г-Т-Ц-Т-А-А-Ц-Т-Г-А-Г-Ц-А-Т. Запишите последовательность нуклеотидов левой цепи ДНК.
Дано: ДНК А-Г-Т-Ц-Т-А-А-Ц-Т-Г-А-Г-Ц-А-Т
Решение: (нуклеотиды левой цепи ДНК подбираем по принципу комплементарности А-Т, Г-Ц)
ДНК АГТЦТААЦТГАГЦАТ
ДНК ТЦАГАТТГАЦТЦГТА
Ответ: Левая цепь ДНК имеет последовательность нуклеотидов Т-Ц-АГАТ-Т-Г-А-Ц-Т-Ц-Г-Т-А
Задача 2. Участок цепи молекулы ДНК имеет последовательность нуклеотидов: Ц-Т-А-А-Ц-Ц-А-Т-А-Г-Т-Т-Г-А-Г. Запишите последовательность нуклеотидов иРНК.
Дано: ДНК Ц-Т-А-А-Ц-Ц-А-Т-А-Г-Т-Т-Г-А-Г
Решение: (нуклеотиды иРНК подбираем по принципу комплементарности ДНК: А-У, Г-Ц, Т-А)
ДНК ЦТААЦЦАТАГТТГАГ
иРНК ГАУУГГУАУЦААЦУЦ
Ответ: иРНК имеет последовательность нуклеотидов Г-А-У-У-Г-Г-У-А-У-Ц-А-А-Ц-У-Ц
Задача 3. Одноцепочный фрагмент молекулы ДНК имеет следующую последовательность нуклеотидов: ЦГТГАТТТТГГТТГТА. Какой будет структура этой ДНК после репликации?
Задача 4. Какое строение будет иметь молекула и-РНК, если порядок нуклеотидов в цепочке гена, на котором она синтезируется, имеет следующую последовательность: ГТГТААЦГАЦЦГАТАТТТГТА? Какова длина молекулы ДНК, если длина одного нуклеотида 0,34 Нм?
Задача 5. Химический анализ показал, что фрагмент кодирующей цепи молекулы ДНК (гена) бактериофага имеет такую структуру: TTTTТТАГГАТЦА. Укажите состав противоположной цепи ДНК, состав и-РНК.
Задачи на вычисление количества нуклеотидов, их процентное соотношение в цепи ДНК, иРНК
Задача 6. В одной молекуле ДНК нуклеотидов с тимином Т-22%. Определите процентное содержание нуклеотидов с А, Г, Ц по отдельности в этой молекуле ДНК.
Дано: Т -22%
Найти: % А, Г, Ц
Решение 1.
1) Согласно правилу Чаргаффа А+Г = Т+Ц, все нуклеотиды в ДНК составляют
100%. Так как тимин комплементарен аденину, то А=22%.
22+22=44% (A+T)
100-44 =56% (Г+Ц)
2) Так как гуанин комплементарен цитозину, то их количество тоже равно, поэтому 56 : 2=28% (Г,Ц)
Решение 2:
1) Согласно правилу Чаргаффа А+Г = Т+Ц, все нуклеотиды в ДНК составляют 100% или А+Г и Т+Ц по 50 %
Так как тимин комплементарен аденину, то А=22%.
Следовательно, 50 -22=28% (Г, Ц, т.к. они комплементарны)
Ответ: A=22%, Г=28%, Ц=28%
Задача 7. Сколько содержится нуклеотидов А, Т, Г, во фрагменте молекулы ДНК, если в нем обнаружено 1500 нуклеотидов Ц, что составляет 30% от общего количества нуклеотидов в этом фрагменте ДНК?
Дано: Ц -30% = 1500 нуклеотидов
Найти: количество нуклеотидов А, Т, Г
Решение: согласно правилу Чаргаффа А+Г = Т+Ц, все нуклеотиды в ДНК составляют 100% или А+Г и Т+Ц по 50 %
Так как цитозин комплементарен гуанину, то Г=30%=1500
Следовательно, 50 -30=20%= 1000 (А, Т, т.к. они комплементарны)
Ответ: во фрагменте молекулы ДНК содержится: Г=1500 нуклеотидов, А=1000 нуклеотидов, Т=1000 нуклеотидов.
Задача 8. Участок молекулы ДНК (одна цепочка) содержит: 150 нуклеотидов -А, 50 нуклеотидов -Т, 300 нуклеотидов -Ц, 100 нуклеотидов -Г.
Определите: количество нуклеотидов во второй цепи с А, Т, Г, Ц и общее количество нуклеотидов с А, Т, Ц, Г в двух цепях ДНК.
Дано: Нуклеотидов в 1-й цепи ДНК: А -150, Т -50, Ц-300, Г-100.
Ответ: Нуклеотидов во второй цепи Т -150, А -50, Г -300, Ц -100; 1200 нуклеотидов в двух цепях.
Задача 9. Сколько содержится тимидиловых, адениловых и цитидиловых нуклеотидов (в отдельности) во фрагменте молекулы ДНК, если в нем обнаружено 880 гуаниловых нуклеотидов, которые составляют 22% от общего количества нуклеотидов в этом фрагменте молекулы ДНК? Какова длина этого фрагмента ДНК, если длина одного нуклеотида 0,34 нм?
Задача 10. В молекуле ДНК адениловые нуклеотиды составляют 15%. Определить процентное содержание остальных нуклеотидов и длину этого фрагмента ДНК, если в нем содержится 700 цитидиловых нуклеотидов, а длина одного нуклеотида равна 0,34 нм.
Задача 11. Какова длина фрагмента молекулы ДНК, если в ней содержится 3600 адениловых нуклеотидов, что составляет 18% от количества всех нуклеотидов, а длина одного нуклеотида 0,34 нм?
Задачи на вычисление количества водородных связей
Задача 12. Две цепи ДНК удерживаются водородными связями. Определите число: двойных и тройных водородных связей в этой цепи ДНК, если известно, что нуклеотидов с аденином 12, с гуанином 20 в обеих целях.
Дано: А -12, Г-20
Найти: количество 2-х и 3-х, водородных связей в ДНК
Решение: Водородные связи образуются между определенными основаниями: А = Т - соединены двумя водородными связями, между Г = Ц - тремя водородными связями.
В данной цепи А-Т 12х2= 24; Г-Ц 20х3=60 итого 84 связей
Ответ: 24 двойных водородных связей, 60 тройных водородных связей, всего 84 водородных связей.
Задача 13. Фрагмент нуклеотидной цепи ДНК имеет последовательность ЦЦАТАГЦ. Определите нуклеотидную последовательность второй цепи и общее число водородных связей, которые образуются между двумя цепями. Объясните полученные результаты.
Задача 14. Фрагмент и-РНК имеет следующую последовательность нуклеотидов УАУЦГАГУЦАЦГЦ. Определите последовательность нуклеотидов число водородных связей во фрагменте молекулы ДНК, с которой транскрибирован данный фрагмент и-РНК.
Генетический код — это система записи генетической информации о последовательности расположения аминокислот в белках в виде последовательности нуклеотидов в ДНК или РНК.
Свойства генетического кода:
1. Код триплетен. Одна аминокислота кодируется тремя нуклеотидами.
2. Код универсален. Все живые организмы (от бактерии до человека) используют единый генетический код.
3. Код вырожден. Одна аминокислота кодируется более чем одним триплетом.
4. Код однозначен. Каждый триплет соответствует только одной аминокислоте.
5. Код не перекрывается. Один нуклеотид не может входить в состав нескольких кодонов в цепи мРНК.
Последовательность нуклеотидов в молекуле ДНК определяет её специфичность, а также специфичность белков организма, которые кодируются этой последовательностью.
Задачи на определение последовательности аминокислот по таблице генетического кода
Задача 15. Фрагмент цепи ДНК имеет последовательность нуклеотидов: ТГГАГТГАГТТА Определите последовательность нуклеотидов на иРНК, антикодоны тРНК и аминокислотную последовательность фрагмента молекулы белка.
Дано: ДНК Т-Г-Г-А-Г-Т-Г-А-Г-Т-Т-А
Найти: иРНК, тРНК и аминокислотную последовательность белка
Решение: 1) на участке ДНК по принципу комплементарности (А-У, Г-Ц) построим иРНК, затем по цепи иРНК построим тРНК по принципу комплементарности (А-У, Г-Ц)
ДНК Т-Г-Г-А-Г-Т-Г-А-Г-Т-Т-А
иРНКА-Ц-Ц-У-Ц-А-Ц-У-Ц-А-А-У
ТРНК У-Г-Г-А-Г-У-Г-А-Г-У-У-А
2) иРНК разделим на триплеты и по таблице генетического кода определим аминокислотную последовательность белка: А-Ц-Ц тре, У-Ц-А сер, Ц-У-Ц лей, А-А-У асн.
Ответ: иРНКА-Ц-Ц-У-Ц-А-Ц-У-Ц-А-А-У
тРНК У-Г-Г-А-Г-У-Г-А-Г-У-У-А
аминокислотную последовательность белка тре, сер, лей, асн
Задача 16. При синдроме Фанкони у больного с мочой выделяются аминокислоты, которым соответствуют кодоны в иРНК: АУАГУЦАУГУЦАУУГГУУАУУ. Определите, выделение каких аминокислот с мочой характерно для синдрома Фанкони, если у здорового человека в моче содержатся аминокислоты аланин, серин, глутаминовая кислота, глицин.
Задача 16. Вирусом табачной мозаики (РНК-содержащий вирус) синтезируется участок белка с аминокислотной последовательностью: Ала -Тре- Сер -Глу -Мет.
Под действием азотистой кислоты (мутагенный фактор) цитозин в результате дезаминирования превращается в урацил. Какое строение будет иметь участок белка вируса табачной мозаики, если все цитидиловые нуклеотиды подвергнутся указанному химическому превращению?
Решение (для удобства используем табличную форму записи решения): Используя принцип комплементарности, таблицу генетического кода получаем:
Задача 17. Участок молекулы ДНК имеет следующее строение: ГГА-АЦЦ-АТА-ГТЦ-ЦАА
Определите последовательность нуклеотидов соответствующего участка иРНК. Определите последовательность аминокислот в полипептиде, синтезируемом по иРНК. Как изменится последовательность аминокислот в полипептиде, если в результате мутации пятый нуклеотид в ДНК будет заменён на аденин? Ответ объясните.
Дано: ДНК ГГА -АЦЦ-АТА-ГТЦ-ЦАА
Найти: аминокислотную последовательность белка исходного, мутированного
Задачи на определение массы белка, количества аминокислот, нуклеотидов
Задача 18. Фрагмент молекулы ДНК содержит 1230 нуклеотидных остатков. Сколько аминокислот будет входить в состав белка?
Дано: 1230 нуклеотидов
Найти: количество аминокислот
Решение: Одной аминокислоте соответствует 3 нуклеотида, поэтому 1230:3= 410 аминокислот.
Ответ: 410 аминокислот.
Задача 19. Определите число аминокислот, входящих в состав белка, число триплетов и число нуклеотидов в гене, который кодирует этот белок, если в процессе трансляции участвовало 30 молекул тРНК.
Дано: 30 тРНК
Найти: число аминокислот, триплетов, нуклеотидов в гене
Задача 20. Молекулярная масса полипептида составляет 40000. Определите длину кодирующего его гена, если молекулярная масса одной аминокислоты в среднем равна 100, а расстояние между соседними нуклеотидами в цепи ДНК составляет 0, 34 нм.
Дано: масса белка – 40000, масса аминокислоты -100, расстояние между нуклеотидами 0,34нм
Найти: длину гена
Решение: ((40000/100)*3)*0,34= 408 нм
Ответ: длина гена 408 нм
Задача 21. ДНК фага имеет молекулярную массу 106. Сколько белков может быть в ней закодировано, если принять, что типичный белок состоит из 50 аминокислот? Определите, что имеет большую молекулярную массу - ген или белок.
Решение: 1. Определяем молекулярную массу одного белка, зная, что средняя молекулярная масса аминокислоты 120. 50×120=6000
2. Определяем молекулярную массу одного гена. По условию задачи типичный белок состоит из 50 аминокислот, значит, один ген состоит из 50 триплетов (соответственно из 150 нуклеотидов). Известно, что средняя молекулярная масса нуклеотида - 345. 150×345=51750
3. Определяем число белков, закодированных в ДНК фага.
106= 1 000 000
1 000 000: 51750 = 19
Таким образом молекулярная масса гена больше молекулярной массы белка.
Задача 22. Какую длину имеет участок молекулы ДНК, в котором закодирована первичная структура инсулина, если молекула инсулина содержит 51 аминокислоту, а один нуклеотид занимает 0,34 нм в цепи ДНК? Какое число молекул тРНК необходимо для переноса этого количества аминокислот к месту синтеза? (Следует учитывать, что одна тРНК доставляет к рибосоме одну аминокислоту.) Ответ поясните.
 |
Скачать 3.81 Mb.