Основы молекулярной биологии

1. ОСНОВЫ МОЛЕКУЛЯРНОЙ БИОЛОГИИ

Структурно-функциональная
организация передачи
генетической информации

2. Mолекулярная биология -

Mолекулярная биология наука о механизмах :
хранения,
воспроизведения,
передачи,
реализации
генетической информации, о
структуре и функциях
нерегулярных биополимеров
- нуклеиновых кислот и
белков.

3.

• Датой рождения
молекулярной биологии
принято считать апрель
1953 года, когда в
английском журнале
«Nature» появилась
статья Джеймса
Уотсона и Фрэнсиса
Крика с предложением
пространственной
модели молекулы ДНК.

4. ЦЕНТРАЛЬНАЯ ДОГМА МОЛЕКУЛЯРНОЙ БИОЛОГИИ обобщающее наблюдаемое в природе правило реализации генетической информации

1958:
ДНК
1960; 1975:
→
РНК
→
БЕЛОК

5. ЦЕНТРАЛЬНАЯ догма молекулярной биологии

6. Генетические манипуляции на уровне ДНК: Репликация; Репарация; Рекомбинация; Геномные перестройки

7. Структурно-функциональная организация передачи генетической информации: МАТРИЧНЫЙ СИНТЕЗ

В основе лежит принцип комплементарности
Репликация: Порядок нуклеотидов в "материнской"
цепочке ДНК определяет порядок нуклеотидов в
«дочерней», т.е. «материнская» цепочка ДНК является
матрицей для синтеза "дочерней").
Стадия реализации генетической информации :
Транскрипция: yуклеотидная последовательность ДНК
считывается в виде нуклеотидной последовательности
РНК.
Трансляция: нуклеотидной последовательности РНК
переводится в аминокислотную последовательность
белка

8.

1. РЕПЛИКАЦИЯ.
ДНК способна
к репликации (самоудвоению)
.
В ДНК закодирована информация о механизме ее
удвоения.
«Материнская» цепочка ДНК является матрицей для
синтеза «дочерней»: во время деления клеток
генетическая информация должна перейти в «дочерние»
клетки.
Вся ДНК клетки копируется, при этом каждая ее цепь
служит матрицей для синтеза комплементарной
последовательности.
Репликация происходит в ядре.

9.

Биологический смысл репликации ДНК:
копирование генетической информации для
переноса ее следующему поколению
Репликация происходит с помощью
полуконсервативного синтеза:
1. Двойная спираль раскручивается;
2. Каждая родительская цепь служит в качестве матрицы для
синтеза новой дочерней цепи;
3. В ходе синтеза дочерних цепей возникают новые
комплементарные пары;
4. В результате репликации образуются две новые одинаковые
дочерние цепи.

10.

Репликация (от лат. replicatio –
повторение) –
это самовоспроизведение нуклеиновых
кислот, обеспечивающее точное
копирование генетической информации
и передачу ее от поколения к поколению.
Артур Корнберг
Нобелевская премия по
физиологии и медицине за
открытие механизмов
биосинтеза ДНК
1959 год

11.

Молекулы ДНК приобретают способность к
автономной репликации в том случае,
если в них имеется ориджин (ori) - сайт
начала репликации и, как правило,
набор генов, необходимых для ее
осуществления. Такие молекулы
получили название репликонов.
Репликон - единица генома, способная к
автономной репликации ДНК; содержит
точку инициации репликации

12. Инициация синтеза ДНК - репликации

происходит в нескольких сайтах хромосомы, которые называют сайтами
инициации репликации, или ориджинами (от англ. origin - происхождение)
репликации (сайт ori)
Ориджины репликации имеют определённую нуклеотидную
последовательность.
Последовательность ДНК, ограниченную двумя ориджинами репликации,
называют репликоном.

13. ориджин (ori – сайт)

включает в себя участки ДНК со специфическими
консервативными фрагментами

14.

Принципы репликации:
1. Комплементарность;
2. Антипараллельность;
3. Потребность в затравке (праймере);
4. Полуконсервативность.
Первые два принципа можно сформулировать в
одной фразе:
Синтез каждой дочерней цепи ДНК идет
комплементарно и антипараллельно
матричной цепи и всегда в направлении
5'
3'

15. Комплементарность

A = T (U)
G
≡ C

16. Анти- параллельность

Антипараллельность
Две
комплементарные
цепи в молекуле ДНК
расположены в
противоположных
направлениях антипараллельно:
одна нить имеет
направление от 5' к
3', другая - от 3' к 5'

17. Потребность в затравке (праймере)

Праймер - короткий фрагмент нуклеиновой кислоты
(олигонуклеотид), комплементарный ДНК,
служит затравкой для синтеза комплементарной цепи с
помощью ДНК-полимеразы

18. Полуконсервативность

Вновь образованная двойная спираль имеет одну
исходную (родительскую) и одну вновь синтезированную
(дочернюю) цепь.
Такой механизм удвоения ДНК получил название
"полуконсервативная репликация«:

19. Ферменты репликации (более 40, образуют комплекс - реплисому)

1. ДНК-полимераза – главный фермент – ведет синтез
дочерней цепи по принципу комплементарности,
антипараллельности и в одном направлении (5’®3’).
2. Хеликаза - раскручивает двойную спираль
3. Топоизомераза - снимает напряжение в области
репликативной вилки и предотвращает обратное
скручивание
4. ДНК-лигаза - сшивает отдельные фрагменты Оказаки
5. Праймаза – катализирует синтез праймеров
(разновидность РНК-полимеразы)

20.

21.

Механизм репликации на
примере прокариот:
Раскручивание. ДНК-геликаза и топоизомераза
разделяют и специальные белки стабилизируют
цепи ДНК.

22.

В каждой репликативной вилке при участии фермента ДНКполимеразы III синтезируется ДНК двух новых дочерних
молекул. Процесс этот достаточно сложен: синтез идет
только в направлении 5’→ 3’ для растущей цепи .
В процессе синтеза ДНК репликационная вилка движется
вдоль материнской спирали, захватывая все новые зоны.

23.

Непрерывный синтез: ДНК-цепь 3` → 5`.
Праймаза синтезирует затравку (праймер РНК).
Начиная с праймера, ДНК-полимераза
присоединяет нуклеотиды к свободному 3`-концу
"лидирующей" цепи. Направление синтеза 5`→ 3`.
Синтез "лидирующей" цепи идет без остановок до
конца репликона.

24.

Прерывистый синтез: ДНК-цепь 5` → 3’
Образование второй цепи осуществляется
небольшими участками по 100-200 нуклеотидов
(фрагменты Оказаки).
Этот процесс идет медленнее, поэтому цепь
называется "отстающей".
Отдельные фрагменты второй цепи образуются также
в направлении 5` → 3`, в целом же эта цепь нарастает
в направлении 3` → 5`:
- Праймаза синтезирует затравку (праймер РНК).
- Начиная от праймера ДНК-полимераза III синтезирует
последовательность ДНК.
- ДНК-полимераза I разрушает РНК-праймер и
заменяет его нуклеотидами ДНК.
- ДНК-лигаза образует фосфодиэфирную связь между
двумя фрагментами Оказаки.

25.

26.

27. Расположение основных белков в репликационной вилке

И.Ф. Жимулев, с.115

28. Различие репликации у прокариот и эукариот

• Скорость синтеза ДНК у бактерий в области
репликационной вилки (500 нуклеотидов/сек) на
порядок выше, чем у млекопитающих (около 50
нуклеотидов/сек) и растений (около 20
нуклеотидов/сек).
• Меньшая скорость репликативного синтеза у эукариот
объясняется большей степенью конденсации (упаковки)
ДНК в хромосомах, а также более сложной и
тщательной «проверкой» правильности синтезируемой
дочерней цепи специальными репарирующими
системами.

29. Метилирование ДНК

Метильные группы
присоединяются ко всем
остаткам аденина в
последовательности GATC-, при этом
образуется N6метиладенин,
возможны метилирование
цитозина в
последовательности -GCи образование
N5-метилцитозина.
Количество
метилированных
оснований равно
примерно 1-8%.