2 Организация и реализация наследственного материала в процессах жизнедеятельности

1.

Организация и
реализация
наследственного
материала в процессах
жизнедеятельности

2. План лекции.

1. Исторические этапы изучения
организации наследственного
материала.
2. Химическая организация
наследственного материала. Структура
ДНК. Свойства и функции
наследственного материала.
3. Этапы реализации наследственной
информации в клетке.

3. Единицей наследственности и изменчивости является ген. По современным представлениям ген – это участок молекулы ДНК, дающий

информацию о
синтезе определенного
полипептида или нуклеиновой
кислоты.

4. Теория гена – это совокупность научных представлений о гене.

5. Этапы становления теории гена.

1. 1865 г. Мендель постулировал о
существовании в половых клетках
дискретных единиц –
наследственных факторов,
которые в 1909 г. шведский генетик
И. Иогансен назвал генами.

6.

2. Т. Морган и его школа в 1908 – 1916 гг.
доказали локализацию генов в хромосомах.
Ген – это наименьший участок хромосомы.
В начале 20 века господствовало
представление о стабильности и
неизменяемости генов (А.Вейсман, У.
Бетсон), а если изменения происходят (Г. де
Фриз), то самопроизвольно независимо от
влияния среды.
Это ошибочное мнение было опровергнуто
получением индуцированных мутаций Т.А.
Надсоном и Г.С. Филипповым (1925) на
грибах и Г. Миллером (1927) на дрозофиле.

7.

3. Открытие сложного строения гена.
Работы А.С. Серебровского и Н.Л.
Дубинина доказали, что ген делим.
Внутри гена есть нуклеотиды
способные к рекомбинации
(кроссинговеру) и мутации.

8.

По предложению С. Бензера единицу
рекомбинации стали называть
реконом, единицу мутации – мутоном.
При выполнении основной функции –
програмирование синтеза белка – ген
выступает как целостная единица. Эту
единицу Бензер назвал цистроном.
Рекон и мутон соответствуют
отдельному нуклеотиду – самой
маленькой единице генетического
материалла. А цистрон соответствует
фрагменту молекулы ДНК.

9.

В 20-е годы прошлого столетия было
установлено, что хромосомы состоят
из белка и нуклеиновых кислот.
В 1928 г. Н.К. Кольцов предположил,
что функцию генов выполняют
белковые молекулы, и белки
способны к самовоспроизведению.
Однако в дальнейшем было
доказано, что носителем
генетической информации
является ДНК.

10. Основные положения теории гена.

1. Ген занимает определенный участок
(локус) хромосомы.
2. Ген-цистрон – часть молекулы ДНК,
имеющий определенную
последовательность нуклеотидов,
представляет собой функциональную
единицу наследственности. Число
нуклеотидов в различных генах
неодинаково.
3. Внутри гена могут происходить
рекомбинации. К ней способны частицы
цистрона – реконы и мутации – мутоны.

11.

4. Существуют структурные и
функциональные гены. Структурные –
кодируют синтез белков. Функциональные
– контролируют и направляют
деятельность структурных генов и в
синтезе непосредственно не участвуют.
5. Молекулы ДНК входящие в состав генов
способны к репарации (восстановлению),
поэтому не всякие повреждения генов
ведут к мутациям.
6. Генотип (состоящий из отдельных генов)
функционирует как единое целое. На
функции генов оказывают влияние
факторы как внешней, так и внутренней
среды.

12. Свойства гена.

1. Ген дискретен – развитие отдельного
признака контролируется
определенным геном.
2. Ген стабилен – как дискретная
единица наследственной информации
отличается постоянством и передается
в поколениях в неизменном виде.
3. Ген лабилен, т.е. под действием
факторов среды способен изменяться и
мутировать.

13.

4. Ген специфичен – каждый ген
обеспечивает развитие определенного
признака, так как в гене заключена
информация об аминокислотной
последовательности конкретного
полипептида.
5. Ген способен к множественному
плейотропному действию, т.е.
детерминирует синтез нескольких
полипептидных цепей.

14.

В начале 50-х годов прошлого
столетия, было доказано, что
ген – материальная единица
наследственности и
изменчивости, имеющая
определенную структурнофункциональную организацию.

15.

ДНК – материальный субстрат
наследственности,
высокомолекулярное полимерное
соединение, мономерами которого
являются нуклеотиды.

16.

Нуклеотид состоит из 3-х компонентов:
1. пятиуглеродный сахар –
дезоксирибоза;
2. остаток фосфорной кислоты;
3. одно из 4-х азотистых оснований
(аденин, тимин, гуанин, цитозин)

17. Схема строения нуклеотида

18. Нуклеотиды соединяются в полинуклетидную цепь с помощью фосфорно-диэфирных связей.

19. Схема соединения нуклеотидов в полинуклеотидную цепь

20.

Сборка осуществляется с помощью
фермента ДНК-полимеразы.
Каждый последующий нуклеотид
присоединяется к гидроксильной группе
стоящей в положении атома углерода 3'.
Начало цепи несет фосфатную группу в
положении 5‘. Это позволяет в
полинуклеотидной цепи выделить 5' и 3‘
концы.

21.

В структурной организации молекулы ДНК
можно выделить первичную, вторичную и
третичную структуры.

22. Первичная структура – одинарная полинуклеотидная цепь.

23. Вторичная структура – две комплементарные друг другу и антипараллельные полинуклеотидные цепи, соединенные водородными связями.

24.

Третичная структура
ДНК – трехмерная
спираль.
Предложена в 1953
г. американским
биофизиком Дж.
Уотсоном и
английским
биофизиком Ф.
Криком.

25.

Данные рентгеноструктурного
анализа показали, что молекула
ДНК, состоящая из двух цепей,
образует спираль, закрученную
вокруг собственной оси.
Диаметр спирали составляет 2
нм, длина витка 3,4 нм. В
каждый виток входит 10 пар
нуклеотидов.

26.

Чаще всего двойные спирали
являются правозакрученными – при
движении вверх вдоль оси спирали
они поворачиваются вправо.
Большинство молекул ДНК
находятся в правозакрученной Вформе (В-ДНК).
Однако встречаются и
левозакрученные формы (Z-ДНК).
Значение этой формы пока не
установлено.

27. Пространственные модели левозакрученной Z-формы (I) и правозакрученной В-формы (II) ДНК.

Пространственные
модели
левозакрученной Zформы (I) и
правозакрученной
В-формы (II) ДНК.

28.

Одним из важнейших свойств ДНК
является способность к репликации.
В процессе репликации каждая из двух
цепей материнской молекулы служит
матрицей для дочерней.
После репликации вновь
синтезированная молекула ДНК
содержит одну «материнскую» цепочку,
а вторую «дочернюю» - вновь
синтезированную.
Такой способ самоудвоения называется
полуконсервативным.

29. Принцип полуконсер-вативной репликации ДНК

Принцип
полуконсервативной
репликации
ДНК

30.

Для матричного синтеза
новой молекулы ДНК
необходимо, чтобы старая
молекула была
деспирализована и вытянута

31.

С помощью фермента геликазы
двойная спираль ДНК в
отдельных зонах (репликонах)
расплетается.
Области расхождения
полинуклеотидных цепей в
зонах репликации называют
репликационными вилками.

32.

В каждой такой области с помощью
фермента ДНК-полимеразы
синтезируется ДНК двух новых
дочерних молекул.
В каждом репликоне ДНК – полимераза
может двигаться вдоль материнской
нити только в одном направлении (5' –
3'), поэтому процесс репликации при
антипараллельном соединении двух
цепей ДНК будет протекать по разному.

33.

На одной из матриц 3' – 5‘ сборка новой
цепи происходит непрерывно от 5' к 3‘концу и она постепенно удлиняется на
3'-конце.
Другая цепь, синтезируемая на матрице
5' - 3‘ конце должна была бы расти от 3'
к 5‘-концу, но это противоречит
направлению действия фермента ДНКполимеразы.

34. Схема образования репликационной вилки ДНК

35.

В настоящее время установлено,
что синтез второй цепи ДНК
осуществляется короткими
фрагментами, также в
направлении от 5' к 3‘-концу
(фрагменты Оказаки).
Фрагметы Оказаки сшиваются в
единую нить ферментом
лигазой.

36.

Из двух синтезируемых
дочерних цепей одна
строится непрерывно, ее
синтез идет быстрее – эту
цепь называют лидирующей.
Синтез другой идет
медленнее – поэтому такую
цепь называют
запаздывающей или
отстающей.

37. В связи с антипараллельностью цепей ДНК синтез дочерних цепей идет по разному: на лидирующей непрерывно, а на отстающей

собирается из
фрагментов Оказаки.

38. Синтез лидирующих цепей в разнонаправленных вилках происходит на разных цепях материнской ДНК.

39.

Информация о первичной
структуре белковой молекулы
закодирована в ДНК.
Система записи генетической
информации в ДНК (или иРНК) в
виде определенной
последовательности
нуклеотидов и соответствие им
определенных аминокислот
называется генетическим кодом.

40.

В 1954 г. Гамовым Г. высказано
предположение, что кодирование
информации должно осуществляться
сочетанием нескольких нуклеотидов.
Было выяснено, что в образовании
белка принимает участие 20
аминокислот.
Шифровку такого количества
аминокислот может обеспечить лишь
триплетный код, в котором каждая
аминокислота кодируется тремя
рядом стоящими нуклеотидами.

41. Свойства генетического кода.

1. Триплетность – одной аминокислоте в
полипептидной цепочке соответствуют три
рядом расположенных нуклеотида;
минимальная единица функции – триплет
(кодон).
2. Вырожденность (избыточность) –
количество возможных триплетов 64 (61 –
кодирующие и 3 нонсес в ДНК АТТ, АЦТ,
АТЦ, в иРНК УАА, УГА, УАГ), а
аминокислот более 20, поэтому одну
аминокислоту может кодировать
несколько триплетов.

42. Генетический код иРНК.

У
Ц
А
Г
У
Фен
Фен
Лей
Лей
Сер
Сер
Сер
Сер
Тир
Тир
Non 2
Non 1
Цис
Цис
Non 3
Три
У
Ц
А
Г
Ц
Лей
Лей
Лей
Лей
Про
Про
Про
Про
Гис
Гис
Глн
Глн
Арг
Арг
Арг
Арг
У
Ц
А
Г
А
Иле
Иле
Иле
Мет
Тре
Тре
Тре
Тре
Асн
Асн
Лиз
Лиз
Сер
Сео
Арг
Арг
У
Ц
А
Г
Г
Вал
Вал
Вал
Вал
Ала
Ала
Ала
Ала
Асп
Асп
Глу
Глу
Гли
Гли
Гли
Гли
У
Ц
А
Г

43.

3. Специфичность – каждый
триплет кодирует только одну
аминокислоту.
4. Неперекрываемость – один
нуклеотид входит в состав только
одного триплета.
5. Универсальность – у всех
живых организмов одинаковые
триплеты кодируют одинаковые
аминокислоты.

44.

Наследственная информация
записанная с помощью
генетического кода, хранится
в ДНК и размножается для
того, чтобы обеспечить
новые клетки генетическим
материалом, который
является «инструкцией» для
их нормального развития и
функционирования.

45.

Непосредственного участия ДНК в
синтезе белка не принимает. Роль
посредника выполняет иРНК,
которая представляет собой
одиночную полинуклеотидную цепь.
Мономерами РНК являются также 4
вида нуклеотидов: адениловый,
гуаниловый, цитозиновый и вместо
тимилового – урациловый.
Вместо углевода дезоксирибозы в
состав нуклеотидов РНК входит
углевод рибоза.

46.

Различают:
1. мРНК или иРНК (матричная или
информационная),
2. рРНК (рибосомальная)
3. тРНК (транспортная).

47. Этапы реализации наследственной информации в клетке.

1. Транскрипция. Подразделяется
на 3 основные стадии –
инициацию (начало синтеза
мРНК), элонгацию (удлинение
полинуклеотидной цепи) и
терминацию (окончание
процесса).

48.

Для того, чтобы синтезировался
белок с заданными свойствами,
происходит переписывание
информации с ДНК на иРНК.
Этот этап называется
транскрипцией. Синтез мРНК
начинается с обнаружения
ферментом РНК-полимеразой
особого участка нуклеотидной
последовательности –
промотора.

49.

После присоединения РНКполимераза расщепляет двойную
цепочку ДНК и на одной из ее цепей
по принципу комплементарности
осуществляется синтез мРНК (иРНК).
В связи с тем, что РНК-полимераза
способна собирать полинуклеотид
лишь от 5' к 3' концу, матрицей для
транскрипции может служить только
одна из цепей ДНК, которая
обращена к ферменту своим 3'
концом (3' – 5'). Такая цепь
называется кодогенной.

50. Схема синтеза мРНК

51.

Построение комплементарной
иРНК будет идти до тех пор
пока не встретится
специальная
последовательность
нуклеотидов – терминатор. На
этом участке синтезированная
мРНК отделяется от
материнской ДНК.

52.

На этом участке синтезированная
мРНК отделяется от материнской
ДНК. Фрагмент молекулы ДНК
включающий промотор,
транскрибируемую часть,
терминатор образует единицу
транскрипции – транскриптон.
Тройки рядом стоящих
нуклеотидов ДНК называются
кодонами.

53.

2. Трансляция как очередной
этап реализации генетической
информации заключается в
синтезе полипептида на
рибосоме, при котором в
качестве матрицы
используется молекула мРНК.
Процесс подразделяется на 3
стадии – инициацию,
элонгацию и терминацию.

54.

В процессе трансляции
участвуют также молекулы
тРНК, функция которых состоит
в транспортировке аминокислот
из цитоплазмы к рибосомам.
тРНК приносят аминокислоты в
большую субъединицу
рибосомы.

55.

Молекула тРНК представляет
собой полинуклеотидные
цепи, синтезируемые на
определенных участках ДНК,
имеет сложную конфигурацию,
напоминающую по форме
лист клевера.

56.

В ней выделяют 4 главные части:
1. акцепторный стебель –
одноцепочечный участок, который
заканчивается
последовательностью нуклеотидов
ЦЦА со свободной ОН группой. К
этому концу присоединяется
транспортируемая аминокислота,
2. три петли, средняя из этих петель
антикодоновая – состоит из 5-ти
нуклеотидов и содержит в центре
антикодон.

57.

Антикодон – это три нуклеотида,
которые шифруют аминокислоту,
транспортируемую к месту
синтеза белка.

58. Строение типичной молекулы тРНК

59.

В ней выделяют 4 главные части:
1. акцепторный стебель –
одноцепочечный участок, который
заканчивается
последовательностью нуклеотидов
ЦЦА со свободной ОН группой. К
этому концу присоединяется
транспортируемая аминокислота,
2. три петли, средняя из этих петель
антикодоновая – состоит из 5-ти
нуклеотидов и содержит в центре
антикодон.

60.

Установлено также
существование нескольких
видов тРНК, способных
соединяться с одним и тем же
кодоном. В результате в
цитоплазме клеток встречается
не 61 (по количеству кодонов), а
около 40 различных молекул
тРНК.

61.

Каждая тРНК может переносить
только свою аминокислоту.
Процесс узнавания своей
аминокислоты молекулой тРНК
называется рекогницией.

62.

Аминокислота присоединяется к
аденину триплета ЦЦА с
помощью фермента аминоацил
– тРНК-синтетазы. Образуется
комплекс аминоацил тРНК. Для
инициации трансляции важное
значение имеет структурная
организация рибосом, которые
участвуют в синтезе первичной
структуры белка.

63.

Рибосомы состоят из двух субъединиц
большой и малой. В рибосомах
выделяют два участка: аминоацильный
(А) – в этом участке располагается
аминоацил тРНК, центр узнавания
аминокислот, несущий определенную
аминокислоту; и пептидальный (П) –
центр образования пептида, где
располагается обычно тРНК
нагруженная цепочкой аминокислот.
Образование А и П участка
обеспечивается обеими субчастями
рибосом.

64.

Фаза инициации заключается в
объединении двух субъединиц
рибосом на определенном
участке мРНК и присоединении к
ней первой аминоацил-тРНК.
Этим задается рамка
считывания.

65.

Функциональная особенность П
участка состоит в том, что он может
быть занят только инициирующей
аминоацил-тРНК с антикодоном УАГ,
который у эукариот несет
аминокислоту метионин, а у
прокариот – формилметионин. К
концу фазы инициации П участок
занят аминоацил тРНК, в участке А
располагается следующий за
стартовым кодон.

66. Начальные этапы трансляции: А – инициирующий комплекс, Б – элонгация.

67.

Фаза элонгации тРНК с
аминокислотой подходит к
аминоацильному центру
рибосомы, если антикодон
тРНК комплементарен кодону
иРНК, то происходит временное
соединение тРНК с
аминокислотой к кодону иРНК.

68.

После этого рибосома
передвигается на один кодон
иРНК и тРНК с аминокислотой
перемещается в пептидальный
центр, а к освободившемуся
аминоацильному центру
приходит новая тРНК.
С помощью ферментов
находящихся в рибосоме
устанавливается пептидная
связь между аминокислотами.

69.

Одновременно разрушается
связь между первой
аминокислотой и ее тРНК, а
также тРНК и иРНК, тРНК уходит
из рибосомы. Рибосома опять
перемещается на один триплет
и процесс повторяется.

70.

Считывание информации идет в
одном направлении 5' - 3‘.
Так постепенно наращивается
молекула полипептида, в
которой аминокислоты
располагаются в строгом
соответствии с порядком
кодирующих триплетов
(колинеарность).

71.

Сборка пептидной цепи
осуществляется с достаточно
большой скоростью,
зависящей от температуры. У
прокариот при температуре
0
37 к полипептиду
добавляется в одну секунду
до 12-17 аминокислот, у
эукариот 2.

72.

Фаза терминации. Терминация
трансляции связана с
вхождением одного из трех стопкадонов мРНК (УАА, УАГ, УГА) в А
участок рибосомы. Так как такой
триплет не несет информации о
какой-либо аминокислоте, но
узнается соответствующими
белками терминации, то процесс
синтеза полипептида
прекращается и он
отсоединяется от матрицы мРНК.

73.

После выхода из рибосомы
свободный 5' конец мРНК может
вступить в контакт со
следующей рибосомой, образуя
полисомы и инициируя синтез
идентичного полипептида.

74.

Таким образом перенос
генетической информации
осуществляется по схеме:
ДНК
РНК
БЕЛОК
Это сложившееся представление
о переносе генетической
информации принято называть
центральной догмой
молекулярной биологии.

75. Основные направления внутриклеточного переноса генетической информации

76.

Наряду
с
этим
наиболее
распространенным
направлением
переноса
известна
и
другая
форма
реализации
генетической
информации
(специализированный перенос).
Эта форма переноса обнаружена
у РНК содержащих вирусов.

77.

В этом случае наблюдается
процесс, получивший название
обратной транскрипции.
При обратной транскрипции
вирусная РНК проникает в клетку
хозяина и служит матрицей для
синтеза комплементарной ДНК.

78. ДНК синтезируется с помощью фермента обратной транскриптазы (ревертазы), кодируется вирусным геномом. В дальнейшем возможна

реализация информации
синтезированной вирусной ДНК
в обычном направлении.

79.

Следовательно,
специализированный перенос
генетической информации
осуществляется по схеме:
РНК
ДНК
РНК
белок.

80. Спасибо за внимание!!!