Тема: Молекулярні основи спадковості. Реалізація спадкової інформації

1.

Лекція 2
Тема: Молекулярні основи
спадковості. Реалізація
спадкової інформації
Лектор:
канд. біол. наук
Шкарупа Володимир Миколайович

2. Питання:

1. Рівні організації спадкового матеріалу. ДНК та РНК – їх роль
в збереженні та перенесенні інформації.
2. Генетичний код .
3. Ген, визначення, класифікація і будова.
4. Молекулярні механізми реалізації генетичної інформації в
клітині та їх регуляція.
5. Нехромосомна спадковість
6. Генна інженерія і біотехнологія.

3. Рівні організації спадкового матеріалу. ДНК та РНК – їх роль в збереженні та перенесенні інформації

1. Генний. Структурна одиниця рівня – ген. В генах закодована
інформація про будову макромолекул, які обумовлюють розвиток
ознак організму. Порушення структури гена змінює сенс
генетичної інформації, призводить до появи генних мутацій.
2. Хромосомний. Структурна одиниця рівня – хромосома. При
мітозі, завдяки розходженню хромосом, спадковий матеріал
рівномірно розподіляється між дочірніми клітинами. Различные
гены, находящиеся в хромосомах, способны оказывать влияние
друг на друга. Под воздействием разнообразных факторов
структура хромосом может изменятся, что сопровождается
хромосомными перестройками (мутациями).
3. Геномний. Всю совокупность взаимодействующих генов,
содержащуюся в гаплоидном наборе хромосом клеток данного
организма, называют геномом.

4.

ДНК и РНК матеріальні носії
генетичної
інформації

5.

НУКЛЕЇНОВІ КИСЛОТИ – нерегулярні біополімери (маркомолекули),
(ДНК И РНК)
мономерами яких є НУКЛЕОТИДИ.
(мононуклеотид)n =
Азотиста
основа
пентоза
полінуклеотид
Зал. Н3РО4
зв’язок
п
Ф
АО
п
Ф
АО
п
Ф
Полінуклеотидний ланцюг
•рибоза
Пуринові:
(РНК)
А, Г
•дезоксирибоза
Піримідинові:
(ДНК)
Ц, Т (ДНК),
У (РНК)
Фосфо- диефірний
АО

6.

Нуклеотид
5’
1’
фосфат
Азотиста
основа –
одна з 4-х
3’
Пентоза (рибоза / дезоксирибоза)

7.

8.

Нуклеїнові кислоти
ДНК
РНК
рРНК ( 80%)
іРНК=мРНК (10%)
тРНК (10%)
ДНК
РНК
Збереження
рРНК - структурний
Функції
Будова
АО
A Г Ці передача
Т
A Г Ц У і
інформації
функціональний компонент
нуклеотида пентоза генетичної
дезоксирибоза
рибосом рибоза
Будова
2-ний полінуклеотидний
1-ний
ланцюг
тРНКполінуклеотидний
- транспорт АК до
ланцюг (правозакручена
рибосом
макромолекули
спіраль)
иРНК - передача коду
еукаріоти:
прокаріоти
еукаріоти: про
спадковоїта
інформації
Локалізація в клітині
ядро (хромосоми)
первинну
структуру
білка
цитоплазма,
рибосоми
мітохондрії,пластиди
прокаріоти: цитоплазма
Здатність до
самоподвоєння
Реплікація за принципом
комплементарності
еукаріоти: ядро
мітохондрії, пластиди
-

9.

тРНК
іРНК
I
АК
III
II
II
III
антикодон
Субодиниці рибосом
рРНК
білки
I
II ,III

10.

1 виток – 10 н.п.
II
Вторинна структура ДНК

11.

1950
Правила Чаргаффа
[ А ] + [ Г ] = [ Т ] + [ Ц ] = 50%
Пояснення правилам Чаргаффа дали Уотсон и Крик
ДНК – це 2 ланцюги, зєднанні за принципом
комплементарності

12.

1953
Відкрита
структура
ДНК
Дата
молекулярної
біології
нарождення
1962
Нобелевска
премія
Джеймс
Уотсон
Фрэнсис
Крик

13.

14.

Принципи будови ДНК
3'
А
Г
Г
Т
Ц
А
А
Ц
5'
5'
Нерегулярність
Т
Ц
Ц
А
Дволанцюговість
Г
Т
Антипаралельність
Комплементарність
Т
Г
3'

15.

ДНК бактеріальних плазмід
ДНК, виділена
з однієї хромосоми людини
Електронні фотографії

16. Рівні організації (компактизації) хроматину.

1
2
3
Рівні організації (компактизації) хроматину.
1. Розпрямлена нитка : 1 молекула ДНК
+ молекули гістонов, розміщених
паралельно. Неактивний хроматин.
2. Нуклеосома: 8 молекул гістонов +
ділянка ДНК ( ~ 200 нуклеотидів).
Найбільш активний хроматин.
3. Хроматинова фибрилла: соленоїд (1
виток- 6-7 нуклеосом) або нуклеомера
(объеднання 8-10 нуклеосом).
4. Петельна структура: хроматиновая
фібрила утворює петлі або «розетки»
(хромомеры).
5. Хромонема: зближення хромомерів
за довжиною
6. Хроматида: спірально або
петлеподібно упаковані хромонеми.
Хроматида – нереплікована
хромосома.
4
5
6

17.

18.

1 молекула ДНК
ген
ще ген
хромосома
хромосомы в
ядре
ДНК
клетка

19.

Хроматин (ДНП – дезоксирибонуклеопротеїд)/хромосоми
Хімічний склад: ДНК (30-40%) + білки (65%) + РНК + ліпіди, іони
Білки:
гістонові = основні (5 фракцій: Н1, Н2ά, Н2β,Н3, Н4)
негістонові = кислотні (~ 100 фракцій)
Функції білків:
компактизація ДНК
регуляторна
В розтянутому стані довжина 2-ної спіралі ДНК, що міститься в кожній
хромосомі людини = 5 см.
При компактизації відбувається вкорочення у 8000-10 000 разів.
Хроматин – диспергований стан ДНП, в інтерфазних ядрах
Хромосоми – суперспиралізований, конденсований стан ДНП, в цитозолі
клітин, що діляться.
Найменша хромосома людини містить 50 млн пар нуклеотидів,
найбільша– 250 млн пар нуклеотидів.

20.

Еухроматин – деспіралізована ділянка хроматину, містить ділянки ДНК,
що транскрибуються.
Функціонально активний хроматин
Гетерохроматин – конденсована, компактна, (генетично неактивна –не
транскрибується) ділянка хроматину
.
Функціонально НЕактивний хроматин
Конститутивний гетерохроматин Факультативний гетерохроматин –
– постійно конденсовані ділянки ділянки ДНК, які можуть
ДНК у всіх клітинах організму.
деконденсуватись й переходити в
Функції:
активний (транскрибується) стан еухроматин, що забезпечує
1. прикріплення хроматину
обеспечивает диференціювання
до ядерної оболонки
2. впізнавання гомологічних клітин.
хромосом при мейозі
3. «розділення» структурних
генів.

21. Будова метафазної хромосоми. Після реплікації ДНК хромосома складається з 2 хроматид (2 молекули ДНК) – це реплікована хромосома.

22.

МАТРИЧНІ
СИНТЕЗИ
Принципи
передачі
інформації
1. Матричний
2. Посилення в результаті
багатократного копіювання

23.

Центральна догма
Матрицями можуть бути
лише
нуклеинові кислоти
Реплікация
Транскрипція
ДНК
Зворотна
транскрипція
Трансляція
РНК
білок
Реплікація
РНК
Ретро-РНК-віруси
Тільки РНК-віруси
Інші організми отримали від вірусів
цей фермент і використовують в
деяких випадках

24.

«Заборонені» матричні синтези
РНК
ДНК
білок
Білки ніколи не бувають матрицями
за матричним принципом синтезуються всі
нерегулярні полімеры: ДНК, РНК, білки.
Але матрицями можуть бути лише нуклеінові
кислоти.

25. Центральна догма

Другий принцип матричних синтезів – принцип посилення
- в ході копіювання інформації стає більше
в тілі людини в середньому
= 37 трильйонів клітин
Реплікація ДНК
Зигота
Развиток багатоклітинного організму
Мільярди копій ДНК
ДНК однієї клітини
Транскрипція
1 ген (ділянка ДНК)
в клітині
тисячі РНК – копій
одного гена
Трансляція
Мільйони молекул
одного білка

26. «Заборонені» матричні синтези

Матричні процеси
Реплікація
Транскрипція
ДНК
ДНК
(2 ланцюги)
ДНК
іРНК
ДНК
рРНК
(ген 1 ланцюга) тРНК
Трансляція
рибосома (рРНК)
іРНК
белок
тРНК х АК

27. Другий принцип матричних синтезів – принцип посилення - в ході копіювання інформації стає більше

Реплікація
ДНК
ДНК
(2 ланцюгова) ДНК
Необхідні умови:
1. Матриця – 2-й ланцюг ДНК
2. «Будівельний матеріал» –
dНТФ
3. Макроерги – АТФ, dНТФ
4. Ферменти (основний –
ДНК-полімераза)
- в S-період інтерфази
- у еукаріот: в ядрі,
мітохондріях,
пластидах
- у прокаріот: в цитозолі
Етапи
• ДНК розплітається
(топоізомерази, ε - хелікази)
• на кожному ланцюгу ДНК
за принципом
комплементарності
будується дочірній
ланцюг
(ε – ДНК-полімерази)

28.

Місце реплікації в клітинному циклі
Реплікация ДНК завжди передує поділу клітини
Інтерфаза
Поділ
Реплікація
S-період
Кожна дочірня клітина отримує точну копію всієї ДНК

29.

Напівконсервативність реплікації
Старі (материнські) ланцюги ДНК
Новосинтезовані ланцюги
ДНК
Напівконсервативний
Консервативний
Дисперсійний

30. Місце реплікації в клітинному циклі

ori
ДНК
Хелікази руйнують водневі
зв’язки
Реплікативні вилки
ori

31. Напівконсервативність реплікації

ДНК-полімераза використовує нуклеотиди
у вигляді 5' трифосфатів
5'
3'
«Наростаючий» 3‘
кінець ланцюга
Дезокси-нуклеотид
трифосфат
3'
5'

32.

Ц
5’
3’
ОН
5’
3’
ОН
Т

33. ДНК-полімераза використовує нуклеотиди у вигляді 5' трифосфатів

Ц
5’
Фосфодиефірний
зв’язок
3’
ОН
Н
5’
3’
ОН
Т

34.

Напрямок росту
5' кінець
ланцюга
Ц
5’
Фосфодиефірний
звязок
Т
3’
Фосфодиефірний
ОН
ланцюг
3' кінець ланцюга
5’
3’
ОН
A

35.

Уніполярність:
Реплікативна вилка
«Наростаючий» кінець нового
ланцюга – завжди 3'
Напрямок руху вилки
3'
3'
Лідируючий
ланцюг
5'
3'
Ланцюг
запізнюється
Фрагменти Оказакі

36.

Тр а н с к р и п ц і я
іРНК
ДНК
рРНК
(ділянка 1 ланцюга)
тРНК
Необходимые условия:
1. Матриця – ділянка 1 ланцюга, що
транскрибується (транскриптон)
2. «Будівельний матеріал» – НТФ
3. Макроерги – АТФ
4. Ферменти (основний – РНКполімераза)
• ДНК расплетается на
определенном участке
(транскриптон, оперон)
• внутри транскриптона на
1 нити ДНК по правилу
комплементарности
синтезируется РНК
(ε – РНК-полимераза)
- в інтерфазі
- у эукаріот: в ядрі,
мітохондріях,
пластидах
- у прокаріот: в цитозолі

37. Реплікативна вилка

3'
Матричний ланцюг
А Ц А
Т
У Г
Г
Т Т
5'
Г А А
ДНК
У
Т Ц А А Ц У
Т Т
У
РНК
ДНК
5'
Змістовний ланцюг
3'

38.

РНКполімераза

39.

Процесинг

40.

Етапи процесингу
1. Кепування
2. Поліаденілування
3. Сплайсинг
4. Метилування

41. Процесинг

42. Етапи процесингу

43.

Ген
Транскрибується не вся ДНК, а лише окремі ії ділянки – гени
ДНК одной
хромосомы
Некодирующая ДНК между генами
РНК
ГЕН - одиниця спадковості данної ознаки,
- фрагмент молекули ДНК , який несе інформацію про
первинну структуру конкретного білка (поліпептиду), тРНК, рРНК, що
забезбечує прояв конкретної ознаки в організмі

44.

Центральна догма
транскрипція
ДНК
трансляція
РНК
білок
Принцип
копіювання
Комплементарність
Генетичний код

45. Ген

ГЕНЕТИЧНИЙ КОД – «словник кодонів» - строга
послідовність триплетів (кодонів)
нуклеотидів в молекулі ДНК
послідовність включення АК
в синетзі поліпептидного ланцюга.
Реалізація
генетичного коду
(експресія генів)
транскрипція
трансляція
матричні
процеси

46. Центральна догма

Властивості генетичного
коду
1. триплетність
АО1
2. універсальність
АО2
3. відсутність «розділових
знаків»
АО3
4. неперекривність
5. колінеарність
(лінійність)
АО4
АО5
АО6
к
о
д
о
н
АК
1
1
к
о
д
о
н
АК
2
2
6. вирожденість
7. наявність нонсенскодонів (стоп-кодонів)
ДНК
белок
признак

47.

Трансляція
рибосома (рРНК)
іРНК
білок
тРНК х АК
Т
Необхдні умови:
• матриця – іРНК
• тРНК х АК
• Макроерги –АТФ, ГТФ
• Ферменти - транспептидаза
Етапи:
• утворення комплексу тРНК
х АК
• Сборка рибосоми на іРНК
• антикодон тРНК
комплементарно
зєднується з с кодоном
іРНК
• амінокислоти
зєднуються в поліпептид
- в інтерфазі:
у эукаріот і прокаріот:
в рибосомах

48.

Транспортні РНК
Один кінець впізнає кодон в
м-РНК, інший– несе
амінокислоту.
Амінокислота
3'
Антикодон
т-РНК 3'
5'
Г Ц У
м-РНК 5'
Антикодон
Ц Г А
Кодон
3'

49.

Рибосома – молекулярний апарат трансляції
р-РНК + білки
Рибосома в
робочому стані
Функції р-РНК в
рибосомі
Велика
субодиниця
Мала
субодиниця
1. структурна (каркас)
2. каталітична (утворення пептидного
зв’язку)
3. впізнає сайт початку трансляції на мРНК (лідерна послідовність + АУГ)

50. Транспортні РНК

Иніціація
фМет
фМет
А У Г
Послідовність
Шайна-Дальгарно

51. Рибосома – молекулярний апарат трансляції

Элонгація
фМет
фМет
А У Г

52.

фМет
фМе
т
А У Г

53.

Термінація
фМет
А У Г
стоп

54.

Мет
А У Г
стоп

55.

На ГЕПР
( гранулярному
Место синтеза белка зависит
от назначения
В цитоплазмі
ендоплазматичному ретикулумі)
К-с Гольджи
В перокисоми
В ядро
В мітохондрії і пластиди
На експорт
В лізосоми
В мембрани

56.

транскрипція
рРНК
іРНК
тРНК
трансляція
білок

57. Место синтеза белка зависит от назначения

58.

иРНК
белок
белок
рибосома
шЭПР

59.

Регуляція експресії генів
Рівні регуляції:
1. Структурна організація генів
2. Структурна організація хроматину
3. Транскрипція
4. Процесинг
5. Трансляція
6. Посттрансляційна модифікація

60.

Регуляція експресії на рівні структурної
організації генів:
• ампліфікація генів
Регуляція експресії на рівні структурної
організації хроматину:
• Спіралізація-деспіралізація хроматину
Регуляція експресії на рівні транскрипції:
• Індукція синтезу білків (Lac-оперон)
• Репресія синтезу білків (триптофановий,
гістидиновий оперони)

61. Регуляція експресії генів

Лактозний оперон

62.

Гістидиновий оперон

63. Лактозний оперон

Регуляція транскрипції у еукаріот

64. Гістидиновий оперон

Регуляція процесингу
1. Альтернативний сплайсинг
(в процесі синтезу антитіл
утворюються мембранозвязані
і секреторні форми антитіл)
2. Редагування мРНК
(апопротеїн В в клітинах печінки
і тонкого кишечника)
3. Зміна стабільності мРНК.

65. Регуляція транскрипції у еукаріот

Регуляція трансляції
1. Зміна швидкості трансляції
• синтез білків в ретикулоцитах
• синтез ферритину - білка, що забезпечує зберігання іонів заліза в
клітині
(посилюється
при
підвищенні
внутрішньоклітинної
концентрації заліза)
2. Відмінності в тривалості життя молекул (залежить від активності
убіквітинової системи)
Фермент
T1/2,ч
Орнитиндекарбоксилаза
0,5
Тирозинаминотрансфераза
2,0
Карбоксикиназа фосфоенолпирувата
5,0
Аргиназа
96
Альдолаза
118
Лактатдегидрогеназа
144
Цитохром С
150

66. Регуляція процесингу

Цитоплазматична спадковість
— это явление, когда в наследовании признака
участвуют компоненты цитоплазмы.
За хранение и передачу наследственной информации
отвечает молекула ДНК
• Молекула ДНК есть не только в ядре. В клетках есть
органеллы, имеющие свою собственную ДНК:
митохондрии — их ДНК немного отличается от двухцепочечной
спирали — это кольцевые молекулы (больше похоже на
нуклеойд бактерий);
пластиды — (лейкопласты, хромо — и хлоропласты)- их ДНК
тоже имеет форму кольца.

67. Регуляція трансляції

• Характерная черта цитоплазматической наследственности
— это наследование по материнской линии
• Почему? Потому что яйцеклетка отличается от
сперматозойда большим количеством цитоплазмы, в
которой содержатся эти органеллы. Митохондрии есть и в
сперматозойде, но в жгутике, а он при оплодотворении
отваливается, так что эти митохондрии просто не попадают
в новый организм.
• Примеры цитоплазматической наследственности:

68. Цитоплазматична спадковість

69.

70.

Влияет ли цитоплазматическая наследственность на
другие виды наследственности?
Было доказано, что хромосомная и нехромосомная
наследственность могут взаимодействовать, приводя
к более сложным случаям наследования.

71.

Благодарю за
совместную работу!