Основы молекулярной биологии клетки

основными являются белки и нуклеиновые кислоты.
Молекулярная биология  исследует основные свойства

и проявления жизни на молекулярном уровне. Выясняет, каким образом и в какой мере рост и развитие организмов, хранение и передача наследственной информации, превращение энергии в живых клетках и другие явления обусловлены структурой и свойствами биологически важных макромолекул (главным образом белков и нуклеиновых кислот).
Отличительная черта молекулярной биологии — изучение явлений жизни на неживых объектах или таких объектах, которым присущи самые примитивные проявления жизни.

генетической информации (РНК).
Молекулы ДНК и РНК сходны по строению.

Это полинуклеотиды (нуклеотид–мономер), отличающиеся по углеводу (рибоза и дезоксирибоза) и одному из четырех азотистых оснований (Т-ДНК; У-РНК).
ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей, а РНК — из одной.

молекулу сахара с другой молекулой. Гликозидная связь образуется между полуацетальной

группой сахара и гидроксильной группой органического соединения, например, спирта. В нуклеозидах и нуклеотидах N-гликозидная связь - это связь между 1-м углеродным атомом сахара - пентозы и атомом N1 пиримидина (1.52 А) или N9(1.46 А) пурина. N-гликозидная связь имеет бета- конфигурацию.
Фосфодиэфирная связь — высокоэнергетическая совокупность ковалентных связей, образуемая атомом фосфора в фосфатной группе и двумя молекулами посредством двух эфирных связей.

в большом количестве других важных функций:
Служат источником энергии в реакциях

по переносу фосфатных групп-АТФ;
Являются простетической группировкой ферментов-NAD+, NADP+, FAD, coA;
Контролируют ряд ферментативных процессов посредством аллостерических влияний на соответствующие ферменты;
Являются предшественниками в биосинтетических процессах.

Аденозин-5’-трифосфат

поверхности клетки на внутриклеточные белки путем фосфорилирования. цАМФ также способен

взаимодействовать с белками ионных каналов, регулируя их активность.

S-аденозилметионин-активная форма метионина, служит донором метильных групп в реакциях метилирования и источником пропиламина в синтезе полиаминов (путрисцин-регенирация клеток).

крысы). Черные точки - зерна восстановленного серебра, являющиеся показателями включения

в ядра тимидина, меченного по тритию.

Ядро в интерфазе

Ядро в S-периоде

Ядро в S-периоде

Мишером в клеточных ядрах лейкоцитов, отсюда и название – нуклеиновая

кислота (лат. «nucleus» - ядро). В 20-30-х годах XX в. определили, что ДНК – полимер (полинуклеотид), в эукариотических клетках сосредоточенный в хромосомах. Предполагали, что ДНК играет структурную роль.
В 20-30-х годах XX века Э. Чаргаф сформулировал два правила, получивших его имя. Первое правило касалось специфического баланса пуриновых и пиримидиновых остатков в ДНК. Второе правило указывало на видоспецифичность нуклеотидного состава ДНК.
В 1928 году Фредерик Гриффит, доказывает, что бактерии способны передавать генетическую информацию по механизму трансформации.
В 1944 году Освальда Эвери, Колин Маклауд и Маклин Маккарти по средствам химического анализа доводят до конца эксперимент Гриффита и доказывают, что веществом, вызывающим трансформацию бактерий, является ДНК. Это явилось первым материальным доказательством роли ДНК в наследственности.

где в которой дискутировались вопросы негативной энтропии живых систем, и

высказывалась концепция о комплексе молекул со свойствами генетического кода для живых молекул. Данный труд, предположительно, оказал решающее влияние на мировоззрение Дж. Уотсона и Ф. Крика относительно хранения генетической информации в биологических молекулах.
В 1952 году Херши и Чейз доказали существование трансдукции, показав тем самым, что информация, необходимая для синтеза новых вирусных частиц содержится в вирусной ДНК.
1950 г.-Розалинда Франклин установила, двухцепочечность ДНК.

спираль, в которой 2 полинуклеотидные цепи удерживаются водородными связями между

комплементарными основаниями.
Данная модель была основана на следующих фактах:
Данные химического анализа (ДНК – полинуклеотид);
Работа Эрвина Чаргаффа о равном соотношении в ДНК аденина и тимина, цитозина и гуанина;
Рентгенограмма ДНК, полученная Розалиндой Франклин и Морисом Уилкинсом.
Именно модель Уотсона-Крика позволила объяснить, каким образом при делении клетки в каждую дочернюю клетку попадает идентичная информация, содержащаяся в материнской клетке. Это происходит в результате удвоения молекулы ДНК, то есть в результате репликации.

кислоты и углеводом через фосфат, причем углерод в положении 5

последующего нуклеотида соединяется с углеродом в положении 3 предыдущего.
Фермент ДНК-полимераза присоединяет нуклеотиды только в одном направлении, а именно: 2-й — к 1-му, 3-й — ко 2-му. Таким образом, удлинение (рост) цепи идет всегда в одном направлении от 5' → 3', начало цепи обозначается как 5'-конец, а окончание — 3'-конец (5‘-pApGpC…-3’) .
В молекуле ДНК цепи антипараллельны, нуклеотиды противоположных цепей связаны между собой по правилу комплементарности (А–Т; Г–Ц).

соответствия парных нуклеотидов или способность нуклеотидов объединяться попарно
Согласно правилам Эдвина

Чаргаффа :
Молярная доля пуринов равна молярной доле пиримидинов-А+Г=Ц+Т;
Количество аденина и цитозина равно количеству гуанина и тимина А+Ц=Г+Т;
Количество аденина равно количеству тимина, а количество гуанина равно количеству цитозина-А = Т и Г = Ц;
Существенным для характеристики вида (таксономическое значение) оказался так называемый коэффициент специфичности, отражающий отношение.

структуру – последовательность нуклеотидов, вторичную – образование петель за счет

спаривания комплементарных нуклеотидов, или третичную структуру – образование компактной структуры за счет взаимодействия спирализованных участков вторичной структуры.
Водородные связи в молекуле РНК являются внутренними , а не межцепочечными соединения комплементарных нуклеотидов.
Цепи РНК значительно короче цепей ДНК.
Информация о структуре молекулы РНК заложена в молекулах ДНК. Синтез молекул РНК происходит на матрице ДНК с участием ферментов РНК-полимераз и называется транскрипцией.
Если содержание ДНК в клетке относительно постоянно, то содержание РНК сильно колеблется. Наибольшее количество РНК в клетках наблюдается во время синтеза белка.

— иРНК (5%);
транспортные РНК — тРНК (10%);
рибосомальные РНК — рРНК

(85%).
Все виды РНК обеспечивают биосинтез белка.

они являются переносчиками генетической информации из ядра в цитоплазму. Они

служат матрицей для синтеза молекулы белка, т.к. определяют аминокислотную последовательность первичной структуры белковой молекулы. Размеры – в зависимости от размеров белка – до 30 000 нуклеотидов.

На долю иРНК приходится до 5% от общего содержания РНК в клетке.

приходится до 10% от общего содержания РНК в клетке.
Функции: они

доставляют аминокислоты к месту синтеза белка, в рибосомы;
В клетке содержится более 30 видов тРНК. Каждый вид тРНК имеет характерную только для него последовательность нуклеотидов.

(Y), псевдоуридин (Ψ), дигидроуридин (D); часто встречаются метилированные обычные азотистые

основания.
Внутримолекулярные комплементарные связи приводят к образованию конфигурации молекулы «клеверный лист». Сдвоенные участки — ветви (стебли), а одноцепочечные участки — петли.
Таким образом, формируются 4 ветви и 3 петли. Ветви: акцепторная, D (включает основание D), антикодоновая, T (включает псевдоуридин). Петли: D, Т и антикодоновая.

седиментации (единица Сведберга — S). Так, в состав малой субъединицы

у прокариот входит рРНК 16S, а у эукариот — рРНК 18S, а в состав большой субъединицы у прокариот входят рРНК 5S и 23S, а у эукариот 5S, 5,8S и 28S. Кроме того, в состав рибосом входят разнообразные белки (у прокариот — более 50 уникальных молекул, у эукариот — более 70).
На долю рибосомальной РНК (рРНК) приходится 80-85% от общего содержания РНК в клетке, состоят из 3 000 – 5 000 нуклеотидов.
Набор рРНК и белков определяет константу седиментации (S) малой и большой субъединиц рибосом (у прокариот 30S и 50S, у эукариот 40S и 60S) и общую константу седиментации (S) рибосом (у прокариот 70S, у эукариот 80S).

Репликация необходима перед делением клетки, чтобы каждая дочерняя клетка обладала

таким же объемом информации, как и материнская. Репликация — реакция матричного синтеза, матрицей является материнская ДНК, процесс протекает по правилу комплементарности, поэтому дочерние молекулы идентичны материнской. В каждой новой молекуле одна цепь — старая (материнская), которая служила матрицей, а вторая — вновь синтезированная, дочерняя (полуконсервативный способ).
Таким образом, биологическое значение репликации ДНК — структурная и функциональная преемственность клеток (сохранение специфичности клеток) при воспроизведении себе подобных.

прокариот репликон один, а у эукариот на одной молекуле ДНК

может быть несколько репликонов. В области репликона цепи разъединены; участки, ограничивающие репликон— репликативные вилки.
Процесс репликации идет по-разному на противоположных цепях, а также вправо и влево от точки инициации на одной цепи. Это определяется несколькими моментами:
Направление разъединения цепей одно для обеих цепей.
Цепи ДНК антипараллельны.
Разъединение цепей идет в обе стороны от точки инициации (середины репликона).
Фермент ДНК-полимераза работает только в одном направлении, соединяя нуклеотиды от 5-го положения последующего нуклеотида к 3-му предыдущего.
Иногда в клетке проходит многократная репликация ДНК без по- следующего деления клетки и возникают «многонитчатые» гигантские хромосомы, содержащие сотни и тысячи молекул ДНК. Такие хромо- сомы называются политенными. Биологический смысл политении — резкое увеличение количества определенных генов и, как следствие, резкая интенсификация синтеза определенного белка.

на участке, включающем около 300 пар нуклеотидов - это место

называется точка инициации. Так как разъединение цепей ДНК от точки инициации идет вправо и влево одновременно, цепи ДНК антипараллельны, а фермент ДНК-полимераза может работать только в одном направлении, то синтез дочерних цепей идет по-разному на разных участках одного репликона. Одна цепь - лидирующая, синтезируется непрерывно, а вторая - отстающая, синтезируется фрагментарно.
На цепи 3’- 5’ рядом с точкой инициации есть особая последовательность нуклеотидов - сайт инициации, на котором синтезируется небольшая молекула РНК (РНК-затравка). У РНК-затравки свободен 3’ - конец, к которому присоединяется первый нуклеотид ДНК, к нему второй и т. д. В результате синтезируется лидирующая дочерняя цепь. На противоположной, антипараллельной цепи (5’ – 3’) сайта инициации нет и проходит время, пока в результате разрыва водородных связей обнаружится такой сайт;
РНК-затравка синтезируется и от неё в сторону противоположную направлению разъединения ДНК синтезируется небольшой фрагмент дочерней цепи. После разъединения следующего участка молекулы ДНК, следующая молекула РНК-затравка находит свой сайт и синтезируется новый фрагмент дочерней цепи ДНК в направлении 5’ -3’ и т.д. Таким образом, эта цепь синтезируется небольшими фрагментами (фрагменты Оказаки) и отстаёт во времени.

другую сторону, также, в одном направлении дочерняя цепь синтезируется непрерывно,

в другом - фрагментарно. Затем рестриктазы вырезают РНК-затравки (одну - из лидирующей цепи и от каждого фрагмента Оказаки на отстающей цепи), ДНК-полимераза достраивает молекулу ДНК на местах вырезанных РНК-затравок, а лигазы соединяют фрагменты в непрерывную цепь. В каждой новой молекуле ДНК одна цепь старая (материнская), а вторая - новая (дочерняя). Такой способ репликации называется полуконсервативным.

изменения.
С позиций молекулярного механизма первичные повреждения в молекулах ДНК могут

быть устранены тремя путями:
Прямым возвращением к исходному состоянию;
Вырезанием поврежденного участка и заменой его нормальным;
Рекомбинационным восстановлением в обход поврежденного участка.
По отношению к процессу репликации различают два основные типа репарации ДНК:
Дорепликативную (фотореактивация и эксцизионная форма;
Пострепликативную (рекомбинационная).

азотистых оснований из нуклеотида);
Дезаминирование (отщепление аминогруппы).
Индуцированные повреждения ДНК:
Димеризация (сшивание соседних

пиримидиновых оснований с образованием димера);
Разрывы в ДНК: однонитевые и двунитевые;
Поперечные сшивки между нитями ДНК.

1. Нормальная молекула ДНК

↓
Облучение УФ-светом
↓
2. Мутантная молекула ДНК – образование пиримидиновых димеров
↓
Действие видимого света
↓
3. Синтез фермента фотолиазы
↓
4. Расщепление димеров пиримидиновых оснований
↓
5. Восстановление нормальной структуры ДНК

ферментом по обе стороны от повреждения;
3. Эксцизия (вырезание и удаление)

повреждения при помощи геликазы;
4. Ресинтез: ДНК-Полимераза застраивает брешь
5.Лигаза соединяет концы ДНК;

доживает до фазы репликации (слишком много повреждений, или повреждение возникло

непосредственно перед репликацией) или имеет такую природу, которая делает невозможным его исправление с помощью эксцизионной репарации (например, сшивка цепей ДНК).
Эта система играет особенно важную роль у эукариот, обеспечивая возможность копирования даже с поврежденной матрицы (хотя и с увеличенным количеством ошибок). Одна из разновидностей этого типа репарации ДНК - рекомбинационная репарация.