Наследственный аппарат клеток

1. Наследственный аппарат клеток

2. ПЛАН

• Днк – материальный носитель наследственности.
История, доказательства.
• Репликация ДНК.
• Геном человека и его надмолекулярна организация.
• Реализация генетической информации в клетке.

3.

• Клетки – саморегулирующиеся живые системы.
• Основа саморегуляции – реализация клеткой
содержащаяся в ней генетическая информации.
Рождение генетики поставило перед биологами
вопрос о природе материальных носителей
наследственности их структуре, локализации в
клетке,функционировании.

4. ХРОМОСОМЫ

Рождение генетики поставило перед учеными вопрос о
природе материальных носителей наследственности
их структуре, локализации в клетке.
В конце XIX в. Ру, Гертвиг и Страсбургер разработали
концепцию о ядерной наследственности.
Первое описание хроматиновых структур в ядре дал в 1879 г.
В. Флемминг
В 1887 году Э. ван Бэнден и Т.Бовери описали постоянство
числа хромосом и их индивидуальность в клетках особей
одного вида..
В 1888 году хроматиновые структуры ядра Г. Вальдеер
назвал хромосомами.
Э.ван Бенеден установил, что хромосомы дочерних клеток
полностью идентичны хромосомам материнской клетки.
Т. Морган (1910) доказал локализацию генов в хромосомах

5. Бактериальная трансформация (эксперименты Гриффита 1928)

+

6. ГЕНЕТИЧЕСКАЯ РОЛЬ ДНК

Природу трансформирующего вещества Гриффита установили в 1944 г. О.Эвери, К.Мак-Леод и М.Мак-Карти.
Они доказали, что трансформацию непатогенных пневмококков в патогенные вызывют только экстракты ДНК.
Этим была доказали роль ДНК в передаче наследственности..
Хёрши и Чейз в 1952 г. в опытах с фагом Т-4 показали, что
при инфицировании им кишечной палочки (Escherichia coli),
в её клетку проникает не весь фаг, а только его ДНК. Следовательно ДНК является носителем наследственной информации.

7. Химический состав ДНК

В 1869 г. швейцарский врач Ф. Мишер открыл в ядрах клеток
гноя вещество, обладающее кислыми свойствами, которое назвал нуклеином. Позднее его назвали нуклеиновой кислотой.
В конце XIX в. А.Кёссель установил, что в состав нуклеиновх
кислот входят остатки сахара , фосфорной кислоты и четыре
азотистых основания .
В 20-х годах ХХ в. Левен и Джонсон установили, что существует два вида нуклеиновых кислот – ДНК и РНК.
В 1949 -53 годах Э. Чаргафф установил правила молярных
соотношений оснований в ДНК : А / Т = 1, Г / Ц = 1;
(А + Г) / (Т + Ц) = К
К – коэффициент специфичности, постоянный для каждого
вида

8. Строение ДНК

• Модель молекулы ДНК создали Ф. Крик и Д. Уотсон (1953 г.)
• В основу разработки модели ДНК легли данные Уилкинса о
спиральной структуре ДНК по (данным рентгеноструктурного
анализа молекул ДНК) и правила Э.Чаргаф-фа о эквимолярности нуклеотидов в молекулах ДНК ( А = Т, Г = Ц), что легло
в обоснование принципа комплементарности .
мениски
Крестообразное
расположение менисков на рентгенограмме свидетельствует о том, что
молекула ДНК
прндставляет собой
двойную спираль
Рентгенограмма молнкулы
ДНК

9. Нуклеотиды ДНК

ДЕЗОКСИАДЕНОЗИНМОНОФОСФАТ
ДЕЗОКСИГУНОЗИНМОНОФОСФАТ
ДЕЗОКСИТИМИДИНМОНОФОСФАТ
ДЕЗОКСИЦИТОЗИНМОНОФОСФАТ

10. Фосфодиэфирная связь

11. Первичная структура ДНК

3
Нуклеотиды связываются между собой в цепь посредством фосфодиэфирных связей между 3 и 5 углеродными атомами молекул дезоксирибозы смежных нуклеотидов.
Первичная структура ДНК – это последовательность дезоксирибонуклеозидмонофосфатов в полинуклеотидной цепи.
5

12.

• Вторичная структура ДНК – это две полинуклеотидные
цепи, связанные между собой водородными связями по
принципу комплементарности , образующие спираль.
Адениловый нуклеотид комплементарен тимидиловому, гуаниловый – цитидиловому.
Комплементарная пара А-Т образуются две водородные связи, а
пара Г-Ц – три.
Полинуклеотидные цепи молекулы ДНК антипараллельны.
Расстояние между ними 2 нм.
Расстояние между смежными
Парами нуклеотидов – 0.34 нм.
Шаг спирали – 3.4нм

13. РЕДУПЛИКАЦИЯ ДНК

Важнейшим свойством ДНК, как носителя наследственности,
является способность к самовоспроизведению (ауторепродукции, редупликации).
Согласно Уотсону и Крику в основе удвоения ДНК лежит
матричный принцип. Каждая из комплементарных
цепей материнской ДНК служит матрицей для синтеза дочерних цепей. Поэтому основной механизм репликации –
полуконсервативный.
В 1957 году М. Мезельсон и Ф. Сталь доказали опытным
путем полуконсервативный механизм репликации ДНК.

14. Самовоспроизведение ДНК.

• Ауторепродукция ДНК – последовательность процессов,
управляемых комплексом ферментов:
• -хеликаза- деспирализует молекулу ДНК и разрывает
водородные связи между цепями молекулы:
• -топоизомераза – сбрасывает супервитки в области
репликационной вилки;
• -праймаза - инициирует синтез затравки – праймера
(коротких цепочек РНК);
• -ДНК полимераза осуществляет присоединение
свободных нуклеотидов к матричным ДНК;
• - лигаза -сшивает фрагменты Оказаки.

15. Образование репликационных вилок

родительская ДНК
точка начала
репликации
Репликационный глаз с
одной вилкой
репликационная вилка
Репликационный глаз
с двумя вилками
репликационная вилка
репликационная вилка

16. РЕПЛИКАЦИЯ ДНК

ДНК - лигаза

17. Геном человека

18. Характеристика генома человека (I)

• Геном человека — совокупность наследственного
материала, заключенного в его в соматической
(диплоидной) клетке.
• Человеческий геном состоит из ДНК 23-х пар хромосом,
находящихся в ядре, а также митохондриальной ДНК
(мДНК). Он содержат примерно из 3,1 млрд пар нуклеотидов (около 6 пикограмм ДНК) ,
• Только 2% нуклеотидных последовательностей ДНК это
гены, определяющие видовые признаки человека, а также
тРНК и рРНК. Таким образом, число генов в геноме человпека насчитывает 28 000 – 30 000.
• 98% нуклеотидных последовательностей ДНК генома
человека не несут видоспецифичной информа-ции, т.е.
являются некодирующими.

19. Надмолекулярная организация генома

• Ядерная ДНК генома человека имеет линейную стру-ктуру
и заключена в 23 парах хромосом.
• Хромосома – нуклеопротеидный комплекс, состоя-щий из
молекулы ДНК (40%), гистоновых (основ-ных) белков (40%
- 5 фракций) и негистоновых (кислых) белков (20%, более
100 фракций).
• В клеточном цикле происходят закономерные изменения
структуры хромосом – их спирализация и деспирализация.
• В интерфазе хромосомы деспирализованы. Это позволяет считывать с них генетическую информацию и
осуществлять репликацию ДНК.
• В митотическом периоде хромосомы спирализованы. Этим
достигается их равномерное распределение (сегрегация)
между дочерними клетками.

20. Этапы спирализации хромосом

I – вторичная структура молекулы ДНК – D = 2нм
II – нуклеосома – глобула (кор) из 4 пар гистоновых белков -H2A, H2B, H3, H4 , вокруг которой спиралью накручен
отрезок ДНК длиной 200 н.п.: 140 н.п на коре и 60 н.п. –
линкерный отрезок для связи с соседней нуклеосомой.
Витки молекулы ДНК на коре сшиваются гистоном H1. На
этом уровне длина молекулы ДНК сокращается в 7 раз. D=
11нм..
Последовательное соединение нуклеосом образует
интерфазнцю хромосому в виде нити бус.

21. Схема структуры нуклеосомы

Гистон Н1
ДНК
Гистоны Н2А, Н2В, Н3, Н4
D
=11нм
Линкерная ДНК

22. Образование хроматиновой фибриллы ( соленоида).

Укладка шести нуклеосом ыв спираль образует хроматиновая
фибрилла типа соленоида (D= 30 нм). Длина хромосомы благодаря этому сокращается в 18 раз.

23. Образование петлевых доменов

белок
фибри
лла
• III этап – укладка
фибрил-лы в петли
посредством
взаимодействий
негисто-новых
белков, связанных с
определенными участками фибриллы

24. Образование петлевых доменов

25. Спирализация петлевых доменов и образование хроматид

хроматиды
МЕТАФАЗН
АЯ
ХРОМОСО
МА
УКЛАДКА
ПЕТЕЛЬ
В ХРОМАТИДУ

26. Кариотип человека

• Кариотип – диплоидный набор хромосом в
ядре соматической клетки человека.
• Кариотип характеризуется:
- числом хромосом;
- парностью хромосом;
- размером хромосом;
- расположением центромеры (формой);
- линейной неоднородностью участков по
длине хромосомы (эу- и гетерохроматиновых участков (при дифокраске).
Кариотип – генетический критерий вида.

27. Метафазная пластинка

СРЕДНИЕ
АКРОЦЕНТРИКИ
СУБМЕТАЦЕНТР
КРУПНЫЕ
МЕЛКИЕ
МЕТАЦЕНТРИЧ.

28. Денверская классификация хромосом человека (1960)

В
А
С
D
F
E
G

29. РЕАЛИЗАЦИЯ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ В КЛЕТКЕ

30. Функция гена

В 1902 году английский врач Гаррод описал наследственную болезнь алкаптонурию , обусловленную
нарушением метаболизма гомогентезиновой
кислоты. Это свидетельствует о том, что гены
контролируют определенные метаболические
функции.
Это подтвердили Бидл и Тэйтум в1940 году
опытами с мутантами хлебной плесени Neurospora
crassa, вы-двинув гипотезу – «один ген – один
фермент».

31. Функция гена

Полученные позже данные о химическом составе и строении
ДНК позволили сформулировать концепцию о том, что генетическая информация в полинуклеотидной цепи ДНК определяется порядком чередования в ней нуклеотидов.
В 1961 году Ф.Крик и С.Бензер показали, что кодирование
аминокислот в молекулах белка осуществляется триплетом
нуклеотидов.
В 1966г. М.Ниренберг, Г. Корана и С. Очоа установили
структуру всех 64 триплетов.

32. ГЕНЕТИЧЕСКИЙ КОД

Генетический код - это система записи информации о
первичной структуре (последовательности аминокислот) молекул белков, посредством последователь
ности нуклеотидов в молекулах ДНК.

33. Свойства генетического кода

1. Генетический код триплетен.
2. Генетический код неперекрываем.
3. Генетический код вырожден.
4. Генетический код универсален.
5. Генетический код не имеет запятых.
6. Генетический код однозначен.
7. Генетический код колинеарен.

34. Код аминокислот

Аминокис
1
2
3
4
5
6
7
8
9
к
о
д
о
Аргинин
AGA AGG CGA
CGC
CGG CGU
Лейцин
UUA UUG CUA
CUC
CUG CUU
Серин
AGC AGU UCA
UCC
UCG
Аланин
GCA GCC GCG
GCU
Валин
GUA GUC GUG
GUU
Глицин
GGA GGC GGG
GGU
Пролин
CCA CCC CCG
CCU
Треонин
ACA ACC ACG
ACU
Изолейц. AUA AUC AUU
н
ы
UCU

35.

10 Аспар. кта GAC GAU
11 Аспарагин AAC AAU
12 Гистидин
CAC CAU
13 Глут.к-та
GAA GAG
14 Глутамин
CAA CAG
15 Лизин
AAA AAG
16 Тирозин
UAC UAU
17 Фенилала UUU UUC
18 Цистеин
UGC UGU
19 Метионин AUG
20 Триптофн UUG
Нонсенс кодоны: UAG; UAA; UGA

36. Этапы биосинтеза белка

Биосинтез белка состоит из двух этапов:
I – транскрипции;
II – трансляции.
Транскрипция – процесс считывания информации
о первичной структуре белка со смысловой цепи
молекулы ДНК на молекулу иРНК. У эукариот
он происходит в ядре, у прокариот в цитоплазме.
Трансляция – это процесс передачи информации
с иРНК на молекулу белка. Этот процесс происходит в цитоплазме на рибосомах.

37. Системы регуляции транскрипции

• Процесс реализации генетической информации
контролируется геномом клетки.
• У прокариот структурно-функциональная единица
транскрипции - оперон ( Жакоб, Моно,1961).
• У эукариот структурно-функциональная единица
транскрипции - транскриптон (Г.П.Георгиев,1972).
• Регуляция экспрессии генов основана на принципах
репрессии и индукции.

38. ОПЕРОН

ГЕН РЕГУЛЯТОР
ДНК
R
ПРОМОТОР
P
ОПЕРАТОР
O
- 10 ТАТА
- 35-ТTGAC
СТРУКТ.
ГЕН -1
S-1
Последовательности
нуклеотидов промотора,
обеспечивающие точность
связывания РНК-азы
с ДНК

39. ОПЕРОН. РЕПРЕССИЯ

РНКаза
R
P
O
S-1
и- РНК
ДНК
S-1
Белок репрессор
ИНДУКТОР

40. ОПЕРОН. ИНДУКЦИЯ.

РНК-аза
R
P
O
S-1
и- РНК
ДНК
S-1
индуктор
Белок репрессор
фермент

41. Единица транскрипции эукариот – транскриптон

СААТ-бокс
ТАТА-бокс (блок Хогнесса)
сайленсер
интрон 1
экзон 1
промотор
Неинформативная
зона
Стартовая
ген
точка
транскрипции
интрон 2
экзон 2
энхансер
ДНК

42. Транскрипция

• Процесс транскрипции включает три этапа:
• - инициацию– соединение РНК-полимеразы с ромотором;
• - элонгацию – движение РНК-полимеразы вдоль матрицы ДНК и
сборка молекулы иРНК;
• - терминацию – завершение синтеза иРНК.
• У прокариот гены состоят из смысловых триплетов и при
транскрипции образуется зрелая иРНК.
• У эукариот структурные гены содержат как информативные
последовательности нуклеотидов(экзоны), так и неинформативные (интроны). В процессе транскрипции считываются и те и
другие и образуется незрелая – пре-иРНК, которая проходит
созревание - процессинг .

43. Процессинг

• Процессинг включает 2 этапа:
• 1)- модификацию пре-иРНК:
а) кэпирывание – присоединение к 5’концу преиРНК метилированного гуанозина;
б) полиаденилирование - присоединение к
3’концу пре-иРНК хвоста из адениловых нуклеотидов.
Кэпирование и полиаденилирование защищают преиРНК от разрушения нуклеазами.
2) - сплайсинг – вырезание из пре-иРНК интро-нов и
сшивание экхонов и образование зрелой иРНК .

44. Транскрипция у эукариот

ЯДРО
ДНК
Пре- иРНК
РНК - аза
Процессинг
иРНК
Образование
Транспорт
информоферы
в цитоплазму
информоферы

45.

ДНК
РНК-аза
и
КЭП
Э1
И
и
Э2
И
и
Э3
И
А А А А

46. ТРАНСЛЯЦИЯ

• Трансляция происходит в цитоплазме клеток на рибосомах
и включает следующие этапы:
• -инициация – образование комплекса: малая субчастица
рибосомы + иРНК + аминоацил–тРНК + большая субчастица рибосомы.
Инициация сопряжена с активацией аминокислот –
соединением их со специфичными тРНК и образованием
аминоацил- тРНК;
• - элонгация – движение иРНК вдоль рибосомы и последовательное соединение аминокислот в полипептидную
цепь.
• терминация – завершение синтеза полипептида;
• посттрансляционная модификация молекулы белка
(фолдинг).

47. Функциональная организация рибосомы

30S – малая субчастица;
50S - большая субчастица;
mRNA – иРНК;
А – аминоацильный центр;
Р – пептидильный центр;
Е – центр выхода деацетилированной т-РНК из
рибосомы.

48. Транспортная РНК

Акцепторный
триплетАСС
антикодон

49. Трансляция

50. Первичная структура рибонуклеазы

51. Схема вторичной структуры белка (альфа-спираль и бета структура)

Альфа спираль
стабилизируется
водородными связями,
возникающими между
CO- и NH-группами
аминокислот.
На один виток приходится
3 аминокислоты

52. Третичная структура молекулы миоглобина

Дисульфидные,
ионные,
водородные связи,
а также гидрофобные
взаимодействия
формируют третичную
структуру белковой
молекулы.

53. Четвертичная структура молекулы гемоглобина

Бета цепь
Альфа
цепи
Бета цепь