Биохимические и молекулярные основы наследственности

Биохимические и молекулярные основы наследственности

1. Строение и функции нуклеиновых кислот

1.1. ДНК.

1.2. Репликация.

1.3. РНК.

1.4. Сходства и отличия НК.

• К нуклеиновым кислотам относят высокополимерные соединения, распадающиеся при гидролизе на пуриновые и пиримидиновые основания, пентозу и фосфорную кислоту.
• Мономерами нуклеиновых кислот являются нуклеотиды.

• Азотистые основания  — гетероциклические органические соединения, производные пиримидина и пурина, входящие в состав нуклеиновых кислот.

Для сокращенного обозначения пользуются большими латинскими буквами. К азотистым основаниям относят аденин (A), гуанин (G), цитозин (C), тимин (T) и урацил (U).

Моносахариды

Рибоза и дезоксирибоза относятся к группе пентоз, входят в состав нуклеотидов РНК и ДНК, рибонуклеозидтрифосфатов и дезоксирибонуклеозидтрифосфатов и др. Дезоксирибоза (С 5 Н 10 О 4 ) отличается от рибозы (С 5 Н 10 О 5 ) тем, что при втором атоме углерода имеет атом водорода, а не гидроксильную группу, как у рибозы.

Схема образования водородных связей в молекуле ДНК

Комплементарность – структурное соответствие двух цепей нуклеиновых кислот, при которой аденину и гуанину в одной цепи соответствуют тимин (или урацил в другой, и наоборот.

Нуклеотиды – мономеры нуклеиновых кислот

• ДНК — полимер, мономерами которой являются дезоксирибонуклеотиды .

Строение ДНК

• Расположение нуклеотидов в двух цепях не случайное, а строго определенное: против аденина одной цепи в другой цепи всегда располагается тимин, а против гуанина — всегда цитозин, между аденином и тимином возникают две водородные связи, между гуанином и цитозином — три водородные связи. Закономерность, согласно которой нуклеотиды разных цепей ДНК строго упорядоченно располагаются (аденин — тимин, гуанин — цитозин) и избирательно соединяются друг с другом, называется принципом комплементарности . Э. Чаргафф, изучив огромное количество образцов тканей и органов различных организмов, установил, что в любом фрагменте ДНК содержание остатков гуанина всегда точно соответствует содержанию цитозина, а аденина — тимину ( «правило Чаргаффа» ).

Репликация (редупликация) ДНК

• Репликация ДНК — процесс самоудвоения, главное свойство молекулы ДНК.
• Репликация относится к категории реакций матричного синтеза, идет с участием ферментов.

• РНК — полимер, мономерами которой являются рибонуклеотиды .

Выделяют три вида РНК :

• информационная (матричная) РНК — иРНК (мРНК),

2) транспортная РНК — тРНК,

3) рибосомная РНК — рРНК.

ВСЕ ВИДЫ РНК СИНТЕЗИРУЮТСЯ НА МАТРИЦЕ ДНК

Транспортные РНК

• содержат обычно 76 (от 75 до 95) нуклеотидов; молекулярная масса — 25 000–30 000. На долю тРНК приходится около 10% от общего содержания РНК в клетке.
• Функции тРНК:

• транспорт аминокислот к месту синтеза белка, к рибосомам,

2) трансляционный посредник.

Рибосомные РНК

• содержат 3000–5000 нуклеотидов; молекулярная масса — 1 000 000–1 500 000. На долю рРНК приходится 80–85% от общего содержания РНК в клетке. В комплексе с рибосомными белками рРНК образует рибосомы — органоиды, осуществляющие синтез белка. В эукариотических клетках синтез рРНК происходит в ядрышках.
• Функции рРНК :

• необходимый структурный компонент рибосом и, таким образом, обеспечение функционирования рибосом;

2) обеспечение взаимодействия рибосомы и тРНК;

3) первоначальное связывание рибосомы и кодона-инициатора иРНК и определение рамки считывания,

4) формирование активного центра рибосомы.

Информационные РНК

• разнообразны по содержанию нуклеотидов и молекулярной массе (от 50 000 до 4 000 000). На долю иРНК приходится до 5% от общего содержания РНК в клетке.
• Функции иРНК :

• перенос генетической информации от ДНК к рибосомам,

2) матрица для синтеза молекулы белка,

3) определение аминокислотной последовательности первичной структуры белковой молекулы.

Различия ДНК и РНК

2. Биосинтез белка и роль НК в этом процессе

2. Биосинтез белка и роль НК в этом процессе

2.1. Генетический код и его свойства.

2.2. Природа генов.

2.3. Транскрипция.

2.4. Трансляция.

• В процессе биосинтеза белка выделяют два основных этапа:

• транскрипция — синтез РНК на матрице ДНК (гена)
• трансляция — синтез полипептидной цепи.

• Генетический код — система записи информации о последовательности аминокислот в полипептиде последовательностью нуклеотидов ДНК или РНК. В настоящее время эта система записи считается расшифрованной.

Свойства генетического кода:

• триплетность: каждая аминокислота кодируется сочетанием из трех нуклеотидов (триплетом, кодоном);
• однозначность (специфичность): триплет соответствует только одной аминокислоте;
• вырожденность (избыточность): аминокислоты могут кодироваться несколькими (до шести) кодонами;
• универсальность: система кодирования аминокислот одинакова у всех организмов Земли;
• неперекрываемость: последовательность нуклеотидов имеет рамку считывания по 3 нуклеотида, один и тот же нуклеотид не может быть в составе двух триплетов;
• из 64 кодовых триплетов 61 — кодирующие, кодируют аминокислоты, а 3 — бессмысленные (в РНК — УАА, УГА, УАГ), не кодируют аминокислоты. Они называются кодонами-терминаторами , поскольку блокируют синтез полипептида во время трансляции. Кроме того, есть кодон-инициатор (в РНК — АУГ), с которого трансляция начинается.

Таблица генетического кода

* Первый нуклеотид в триплете — один из четырех левого вертикального ряда, второй — один из верхнего горизонтального ряда, третий — из правого вертикального.

Природа генов

• Ген — участок молекулы ДНК, кодирующий первичную последовательность аминокислот в полипептиде или последовательность нуклеотидов в молекулах транспортных и рибосомных РНК.

Ген как единица рекомбинации

• Ген – самый короткий участок хромосомы, который может быть отделен от примыкающих к нему участков в результате кроссинговера.
• Т.е. ген – конкретный отрезок хромосомы, определяющий тот или иной признак.

Ген как единица функции

• Ген - наименьший участок хромосомы, обуславливающий синтез определенного продукта.
• Т.е. ген – участок ДНК, кодирующий определенный полипептид.

Особенностями строения гена эукариот являются:

• наличие достаточно большого количества регуляторных блоков,

2) мозаичность (чередование кодирующих участков с некодирующими).

• Экзоны (Э) — участки гена, несущие информацию о строении полипептида.
• Интроны (И) — участки гена, не несущие информацию о строении полипептида.

Транскрипция у эукариот

• Транскрипция — синтез РНК на матрице ДНК. Осуществляется ферментом РНК-полимеразой.
• Синтез РНК происходит на одной из двух цепочек ДНК в соответствии с принципами комплементарности и антипараллельности. Строительным материалом и источником энергии для транскрипции являются рибонуклеозидтрифосфаты (АТФ, УТФ, ГТФ, ЦТФ).

• Сплайсинг (от англ. splice — сращивать или склеивать концы чего-либо) — процесс вырезания определенных нуклеотидных последовательностей из молекул РНК и соединения последовательностей, сохраняющихся в «зрелой» молекуле

«ДНК создает РНК, а РНК создает белок»

ДНК контролирует жизнедеятельность клетки

Белки (пептиды, протеины) — высокомолекулярные органические полимерные соединения, состоящие из остатков (мономерных звеньев) α-аминокислот.

Образование пептидов происходит в результате реакции конденсации аминокислот. При взаимодействии аминогруппы одной аминокислоты с карбоксильной группой другой между ними возникает ковалентная азот-углеродная связь, которую и называют пептидной .

• Трансляция — синтез полипептидной цепи на матрице иРНК.

• В пятидесятых годах XX века было установлено, что синтез белка происходит в рибонуклеопротеиновых частицах, называющихся рибосомами . Диаметр рибосомы бактерии E. coli составляет 18 нм, а их общее количество – десятки тысяч в клетке. Рибосомы эукариот несколько крупнее (21 нм).

Схема строения рибосомы, сидящей на мембране эндоплазматической сети:

• 1 - малая субъединииа; 2 иРНК; 3 - аминоацил-тРНК; 4 - аминокислота; 5 - большая субъединица; 6 - -мембрана эндоплазматической сети; 7 — синтезируемая полипептидная цепь

Транспорт аминокислот к рибосомам: 1 — фермент; 2 — тРНК; 3 — аминокислота.

1 — антикодон; 2 — участок, связывающий аминокислоту.

Процесс протекает в пять этапов:

1. Активация аминокислот.

Процесс протекает в пять этапов:

2. Инициация белковой цепи.

Процесс протекает в пять этапов:

3. Элонгация.

Процесс протекает в пять этапов:

4. Терминация

Процесс протекает в пять этапов:

5. Сворачивание и процессинг

Структура белка

3.Реакции матричного синтеза

Это особая категория химических реакций, происходящих в клетках живых организмов. Во время этих реакций происходит синтез полимерных молекул по плану, заложенному в структуре других полимерных молекул-матриц. На одной матрице может быть синтезировано неограниченное количество молекул-копий.

Название реакции матричного синтеза

Характеристика процесса

Репликация

Основные компоненты

Синтез ДНК на матрице ДНК

Транскрипция

Синтез РНК на матрице ДНК

Дезоксирибонуклеозидтрифосфаты, ферменты

Трансляция

Участок ДНК, рибонуклеозидтрифосфаты, ферменты

Синтез полипептида на матрице РНК

Рибосомы, иРНК, аминокислоты, тРНК, АТФ, ГТФ, ферменты