Структура и организация генома Молекулярная модель ДНК Репликация ДНК:

передаваемых от клетки к клетке, от родителя потомку

о строении и функции всего организма
2. Передача: должен передаваться от

родителей потомству
3. Репликация: должен копироваться
Для передачи потомству
4. Изменчивость: должен иметь способность изменяться
В соответствие с известным фенотипическим варьированием в пределах вида

Доказательство генетической роли ДНК

Г.Менделя, согласуются с четырьмя перечисленными свойствами
Однако, химическая природа генетического материала

не может быть определена только на основе генетических скрещиваний
И в самом деле, идентификация ДНК в качестве генетического материала потребовала проведения серии экспериментов

Все началось с Г.Менделя...

сейчас известную как Streptococcus pneumoniae
S. pneumoniae делится на два штамма
S

тип  Гладкие
Имеют полисахаридную капсулу, защищающую бактерию от иммунной системы животных
Образуют гладкие колонии на питательной среде
R тип  Шероховатые
Не способны формировать капсулу
Образуют колонии с шероховатым внешним видом

pneumoniae: тип IIIS и тип IIR
1. При инфицировании мышей живыми

бактериями IIIS
Мыши погибали
Бактерии IIIS типа обнаруживали в крови мыши
2. При инфицировании мышей живыми бактериями IIR
Мыши выживали
В крови живых бактерий не обнаруживали
3. При инфицировании мышей бактериями IIIS убитыми нагреванием
Мыши выживали
В крови живых бактерий не обнаруживали
4. При инфицировании мышей живыми бактериями IIR в смеси с IIIS убитыми нагреванием
Мыши погибали
Бактерии IIIS типа обнаруживали в крови мыши

выживает
Мышь выживает
Инфицирование мышей живыми бактериями R типа
Инфицирование мышей бактериями S

убитыми нагреванием

Инфицирование мышей живыми бактериями R в смеси с S убитыми нагреванием

Бактерия S типа была выделена из крови мертвой мыши

Живые бактерии не были обнаружены в крови мыши

Живые бактерии не были обнаружены в крови мыши
.

Бактерия S типа была выделена из крови мертвой мыши

(a) Живые бактерии типа S

(b) Живые бактерии типа R

(c) Мертвые бактерии типа S

(d) Живые типа R + мертвые бактерии типа S

Через несколько дней

Через несколько дней

Через несколько дней

Через несколько дней

типа трансформировало бактерии R типа в S тип
Он назвал данный

процесс трансформацией

Субстанцию позволившую этому произойти назвали трансформационным элементом
Гриффитц не знал, что это за вещество
Предположил, что молекулы с генетической информацией устойчивы к высоким температурам
Большинство белков деградирует при нагревании

Чейза с бактериофагом T2
В 1952, А.Херши и М.Чейз представили еще

одно доказательство того, что ДНК ответственна за передачу наследственной информации

Они исследовали бактериофага T2
С простой организацией – состоит из
ДНК и белка

Состоит из белков

Внутри капсида

(белок) связывается с бактериальной клеткой
ДНК внутри клетки
Фаг впрыскивает свою ДНК

в клетку хозяина

Экспрессия генов фага приводит к синтезу фаговых компонентов

Осуществляется сборка фаговых компонентов

Клеточная стенка бактерии лизируется и новые фаги освобождаются

Фаг связывается с клеткой хозяина

и белка
32P специфично меченая ДНК
35S специфично меченный белок
Радиоактивно меченные фаги

использовали для инфицирования нерадиоактивные клетки Escherichia coli
Через время, необходимое для заражения разделяли остатки фаговых частиц и клетки E. coli
Оценивали их радиоактивность по отдельности
Результат:
Отделенные белковые оболочки имели 35S изотоп
Бактерии содержали 32P изотоп
Некоторые из вновь образованных фаговых частиц содержали 32P изотоп, но ни одна не содержала в оболочке 35S изотоп
Вывод: для образования новых копий фага необходима ДНК-фага, а белки не передаются им следовательно не несут генетических функций

вируса табачной мозаики (ВТМ)
Очищенная РНК вызывала такие же симптомы поражения

как и первоначальный ВТМ вирус

РНК является генетическим материалом у некоторых вирусов

уровнями сложности
1. Нуклеотиды – основные структурные единицы нуклеиновой кислоты
2. Нуклеотиды

связаны и формируют линейную структуру РНК и ДНК
3. Две цепи могут взаимодействовать и образовывать двуцепочечную структуру
4. 3-D структура ДНК образуется в результате спирализации цепей. Взаимодействие ДНК с белками образует хромосомы у живых организмов

Нуклеотиды

Одноцепочечная нить

Двуцепочечная нить

Трехмерная структура

в РНК
Тимин (Т) в ДНК
Цитозин (Ц)
Аденин (А)
Гуанин (Г))
N
H
2
N
H
H
H
H
H
O
N
4
3
2
1
5
6
7
8
9
4
3
2
1
5
6
O
CH3
H
4
3
2
1
5
6
7
8
9
5′
O
NH2
H
H
N
N
N
N
NH2
N
N
H
N
N
N
H
H
O
N
4
3
2
1
5
6
O
H
H
O
4
3
2
1
5
6
N
4′
1′
2′
3′
5′
4′
1′
3′
2′
N
Нуклеотиды
Нуклеотид это основной

структурный элемент ДНК и РНК










Содержит три компонента
Фосфатную группу
Пентозный сахар
Азотистое основание

рибонуклеиновой кислоты (РНК)
Фосфат
Дезоксирибоза
H
H
OH
O
CH2
Фосфат
Рибоза
5′
OH
OH
4′
1′
3′
2′
5′
4′
1′
3′
2′
O
O
O
P
O–
O
O
P
O–
O
H
H
H
H
A, Г, Ц или T
Гидроксильная (ОН) группа одного

нуклеотида (при 3’ конце) атакует трифосфат (при 5’ конце) другого ДНТФ в результате чего происходит присоединение нуклеотидов друг к другу с образованием цепочек ДНК и РНК

A, Г, Ц или У

Структура нуклеотидов (a) ДНК и (b) РНК

Основание

Аденозин
Аденин + дезоксирибоза = Дезоксиаденозин

Основание + сахар + фосфат(ы) 

нуклеотид
Пример
Аденозин монофосфат (АМФ)
Аденозин дифосфат (АДФ)
Аденозин трифосфат (АТФ)

мостами
Фосфаты связываются 5’ углеродом одного нуклеотида с 3’ углеродом другого
Поэтому

цепочка имеет направленность
От 5’ к 3’
В цепочке все молекулы сахара ориентированы в одно положение

Молекулы фосфатов и сахара формируют остов цепи нуклеиновой кислоты
Основания выступают от остова

ДНК

Открытие структуры ДНК
(a) Watson и Crick
Научные основы для прорыва были

обеспечены исследованиями:
Linus Pauling
Rosalind Franklin и Maurice Wilkins
Erwin Chargaff

(b) Оригинальная двуспиральная модель ДНК

оснований и 3.4 нм на один виток вокруг оси
Две цепочки

являются антипараллельными
Одна имеет 5’ - 3’ направление, а другая 3’ - 5’
Спираль правозакрученная

Двуцепочечная структура стабилизирована
1. Водородными связями между комплементарными основаниями
A связывается двумя водородными связями с T
Ц связывается тремя водородными связями с Г
2. Расположение оснований
В ДНК основания расположены таким образом, что их плоские части соприкасаются друг с другом

в соответствии с правилом комплементарности AT/ГЦ
Две цепи являются антипараллельными в

отношении направления 5′ - 3′

Около 10 нуклеотидов в каждой цепи составляют полный 360° оборот спирали

2 нм

Один нуклеотид

0.34 нм

Один полный оборот 3.4 нм

T

A

G

C

T

A

P

P

P

P

P

S

S

S

S

S

S

S

S

S

A

C

G

C

G

C

G

G

C

G

C

G

C

G

C

C

P

P

S

P

P

P

P

P

S

S

S

S

S

P

P

P

P

P

P

P

P

P

P

S

S

S

S

S

S

S

S

S

P

S

S

P

P

P

S

S

S

S

P

3

¢

5

¢

G

S

3

¢

5

¢

S

A

P

P

C

T

A

O

N

N

N

N

A

H

H

NH

2

N

O

H

N

CH

3

H

T

H

H

H

2

N

N

N

C

O

3

¢

конец

5

¢

конец

H

H

H

H

O

O

O

O

P

CH

2

O

H

H

H

H

H

H

O

O

O

O

P

CH

2

O

H

H

H

H

O

O

O

O

P

CH

2

O

H

H

H

H

O

O

O

O

P

CH

2

O

HO

N

O

H

N

CH

3

H

T

O

N

H

N

N

N

G

H

2

N

H

H

H

N

N

N

N

A

H

H

2

N

H

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

бороздка
Малая бороздка
Большая бороздка
Рестриктазы
Спираль имеет две ассиметричные бороздки:
1. Большая бороздка
2. Малая

бороздка

Определенные белки связываются с этими бороздками

2 нм)
Нуклеосомы
(11 нм в диаметре)
Гистоновый белок
Каждая хроматида
(700 нм в диаметре)
30

нм фибры

Для размещения внутри живой клетки спираль ДНК должна быть компактизована в 3-D конформацию
Это осуществляется с помощью ДНК-связывающих белков

Трехмерная структура ДНК

метров от Земли до Луны

В развернутом состоянии ДНК одного человека

может быть растянута от Земли до Луны и обратно ~40,000 раз!!

ДНК, то эта модель должна была содержать в себе идею

того как воспроизводится ген.

То есть каким образом наследственная информация хранителем которой является молекула ДНК воспроизводится в ряду поколений и передаётся от материнской клетки к дочерней.

Их модель была хороша именно тем, что она объясняла этот факт. То есть она содержала в себе идею воспроизведения гена.

В основе воспроизведения гена лежит процесс удвоения или репликации ДНК.

процесс удвоения генетического материала
Репликация проходит очень быстро и очень аккуратно

в S-периоде клеточного цикла
Репликация основывается на комплементарности цепочек ДНК
AT/ГЦ правило Чаргаффа

Цепочки ДНК разъединяются, каждая цепь служит матрицей для синтеза новой цепи

цепи связанные между собой более слабыми водородными связями, то можно

сообщив молекуле энергию разорвать водородные связи (этот процесс называется плавлением или денатурацией ДНК).

При этом освобождаются две цепи и у них обнажаются азотистые основания которые в них содержатся. В результате этого можно каждую из этих цепей использовать как матрицу для синтеза новой цепи.

Этот синтез управляется двумя основными принципами, которые и лежат в основе структуры ДНК – это комплементарность и антипараллельность.

сверхспирализацию ДНК;
белки SSB связываются с одиночными цепями, стабилизируют их состояние,

оставляя их доступными для ДНК-полимеразы;
ДНК-праймаза синтезирует РНК-праймер для инициации синтеза ДНК на матрице, при этом синтез идет от 5’ конца к 3’ концу;

для начала синтеза ДНК-полимеразе III необходимо наличие нуклеотидной затравки, поэтому

на одной из родительских цепей ДНК (ведущей цепи) синтез идет непрерывно, а на другой цепи (отстающей цепи) синтез идет фрагментами;

фрагментами;
ДНК-лигаза сшивает фрагменты отстающей цепи

цепи РНК от нескольких сотен до нескольких тысяч нуклеотидов
При синтезе

РНК в качестве матрицы используется только одна цепь ДНК

Структура РНК

Структура РНК во многом схожа со структурой ДНК

display
Обычно РНК молекулы являются одноцепочечными, но могут формировать короткие двуцепочечные

участки
Вторичные структуры образуются в следствие комплементарного спаривания оснований
A с У и Ц с Г
This allows short regions to form a double helix

RNA double helices typically
Are right-handed
Have the A form with 11 to 12 base pairs per turn

Different types of RNA secondary structures are possible
Refer to Figure 9.22

McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display.
Copyright ©The

McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display

Figure 9.22

Also called hair-pin

Complementary regions

Held together by hydrogen bonds

Have bases projecting away from double stranded regions

and base stacking within the RNA itself

Interactions with ions, small

molecules and large proteins

Copyright ©The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display

Figure 9.23 depicts the tertiary structure of tRNAphe
The transfer RNA that carries phenylalanine

Molecule contains single- and double-stranded regions

These spontaneously fold and interact to produce this 3-D structure

Figure 9.23

(a) Ribbon model

Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display.

молекулой
Для построения и поддержания организма информация ДНК должна быть декодирована
Конечная

цель: Образование активных молекул РНК и белков, которые выполняют структурную функцию в клетке и катализируют химические реакции
Два шага: транскрипция и трансляция

связь РНК полимеразы с промотером, формирующих закрытый промотерный комплекс
Вслед за

связыванием ДНК денатурирует образуя открытый промотерный комплекс

Инициация

Элонгация

РНК полимераза скользит вдоль ДНК в открытом комплексе и синтезирует РНК транскрипт

Терминация

По достижению терминаторного сайта РНК полимераза отсоединяется от ДНК

Стадии транскрипции

РНК
Ген так же называют транскрипционной единицей
Молекула РНК образующаяся на основе

гена называется транскрипт
В процессе экспрессии гена, последовательности ДНК окружающие его определяют:
Силу экспрессии гена
Время экспрессии
Место (ткань или тип клеток) экспрессии гена

Структура гена

Транскрипция осуществляется большим ферментативным комплексом называемым РНК полимераза
В большинстве случаев РНК полимераза связывается со специфической последовательностью ДНК перед геном, называемой промотером
Промотер привлекает РНК полимеразу к гену и «сообщает» ферменту о гене

место прикрепления РНК полимеразы, определяет место начала транскрипции
Терминатор: определяет конец

транскрипции

Организация гена и транскрипта простейших

мРНК
Рибосом связывающий сайт: место прикрепления к рибосоме, область начала трансляции мРНК
Старт кодон: определяет первую аминокислоту в полипептидной цепи, у высших - метионин
Кодоны: 3-х нуклеотидные последовательности мРНК, определяющие аминокислоты
Стоп кодон: определяет завершение – конец полипептидного синтеза

цепочка ДНК используется в качестве основы для синтеза комплементарной цепи

мРНК

Правило комплементарности АУ/ГЦ

основные этапы:
активизация определенной аминокислоты и её присоединение к тРНК, образование

молекулярного комплекса: аминокислота-фермент аминоацил-тРНК-синтетаза -тРНК;
образование пептидных связей между отдельными аминокислотами, происходящее с участием рибосом: рибосома присоединяется к 5’ концу молекулы мРНК и считывает информацию от 5’ конца к 3’ концу; тРНК, несущие аминокислоту внутри рибосомы связываются своими антикодонами с соответствующими кодонами мРНК; в результате выстраивается цепочка аминокислот в соответствии с закодированной генетической информацией мРНК;
когда рибосома доходит до стоп-кодона на мРНК, синтез белковой молекулы прекращается и она отделяется от рибосомы. При этом освободившаяся мРНК и рибосома могут быть снова вовлечены в процесс биосинтеза новой белковой молекулы. При значительной длине мРНК на ней одновременно могут работать несколько рибосом (полисом), находящихся на разных стадиях синтеза соответствующего белка;
после освобождения от рибосомы белковая молекула приобретает вторичную структуру, скручиваясь в альфа или бета-спирали; третичную структуру белки приобретают, когда отдельные спирали объединяются в глобулы; четвертичная структура белка представляет собой ассоциации из различных глобул; эти преобразования белковых молекул происходят с участием особых ферментов – шаперонов.

рРНК и 36% белка,
состоит из малой 30S и большой

50S субъединиц;
в цитоплазме рибосомы расположены группами, образуя полисомы

трехмерной структуре тРНК напоминает форму клеверного листа

Для каждой из 20

аминокислот своя тРНК

Длина молекулы тРНК примерно 80 нуклеотидов

Антикодона определяет связываемую аминокислоту

Акцепторный сайт удерживает аминокислоту

Присоединение аминокислот к тРНК обеспечивает фермент аминоацил-тРНК-синтетаза.

А

Б

белков аминокислот кодируется тремя нуклеотидами (кодоном)
Ген. код вырожденный - одна

аминокислота может быть закодирована не одним, а несколькими триплетами нуклеотидов, например, метионин кодируется одним кодоном АУГ, а валин - четырьмя кодонами ГУА, ГУЦ, ГУГ, ГУУ
Ген. код неперекрывающийся - началом старта считывания любого гена является кодон АУГ, задающий состав нуклеотидов последующих триплетов
Ген. код универсален для практически всех живых организмов, от бактерий до человека