ЛЕКЦІЯ № 2
Тема: „ Молекулярні основи спадковості. Реалізація спадкової інформації.”
План лекції.
Нуклеїнові кислоти: ДНК і РНК, просторова організація, видова специфічність, роль у зберіганні та перенесенні спадкової інформації.
Реплікація ДНК.
Підтримування генетичної стабільності клітин: самокорекція і репарація ДНК.
Генетичний код, його основні принципи властивості.
Транскрипція, процесинг, сплайсинг.
Трансляція.
Будова гена. Гени структурні, регуляторні, синтезу т-РНК, і р- РНК.
Екзонно-інтронна організація генів (геному еукаріотів).
Нуклеїнові кислоти – ДНК і РНК.
Вперше нуклеїнові кислоти були виявлені Ф. Мішером у 1869 р.
Будова молекули ДНК. Макромолекула ДНК – це два довгі полімерні ланцюги, що складаються з мономерів дезоксирибонуклеотидів, тісно з’єднаних між собою. Нитки ДНК з’єднуються водневими зв’язками між азотистими основами двох ланцюгів і утворюють подвійну спіраль ДНК. Таку модель будови ДНК запропонували в 1953 р. Дж. Уотсон і Ф. Крік.
Пуринові та піримідинові основи взаємодіють одна з одною. Аденін одного ланцюга двома водневими зв’язками з’єднуються з тиміном іншого ланцюга, а гуанін – трьома водневими зв’язками з цитозином. Два ланцюга ДНК антипаралельні. Тобто 5' – кінець одного ланцюга з’єднаний із 3' – кінцем іншого, і навпаки. Генетична інформація записана послідовностю нуклеотидів у напрямку від 5' – кінця до 3' – кінця. Така нитка називається „змістовною”, саме тут розташовані гени (матричний ланцюг). Другий ланцюг у напрямку 3'-5' вважається „антизмістовим”. Він необхідний як „еталон” збереження генетичної інформації і набуває значення у процесах реплікації та репарації.
Два антипаралельні ланцюги міцно з’єднані між собою водневими зв’язками. В результаті цього утворюється подвійна спіраль, закручена навколо центральної осі.
Діаметр подвійної спіралі складає 2 нм, відстань між двома витками 3,4 нм. У кожний виток входить 10 пар нуклеотидів. Відстань між сусідніми основами складає 0,34 нм.
Нуклеотиди. ДНК – це полімерна молекула, мономерами в якій є нуклеотиди.
Нуклеотид складається з: 1) азотистої основи; 2) моносахариду дезоксирибози (в РНК – рибози); 3) залишку фосфорної кислоти.
Азотисті основи бувають двох типів: пуринові – аденін (А) і гуанін (Г) і піримідинові – тимін (Т) і цитозін (Ц). Сполучення нуклеотидів у молекулі ДНК відбувається в результаті утворення фосфодиефірних зв’язків. Скелет ланцюга складається з молекул фосфату і пентоз, що чергуються. Синтез полінуклеотидного ланцюга відбувається за участю ферменту ДНК- полімерази.
Комплементарність пар основ. Два ланцюги ДНК не є ідентичними, але вони комплементарні один одному. Відстань між двома ланцюгами ДНК 2 нм, що дозволяє вмістити тільки одну пару А-Т або Г-Ц, які відповідають цим розмірам.
Концепція специфічного зв’язування пар основ свідчить, що аденін в одному ланцюгу повінен відповідати тиміну в іншому, а гуанін повінен мати напроти себе цитозин в іншому ланцюгу. Таким чином, два ланцюги ДНК комплементарні один одному.
Правила Е. Чаргаффа. Вивчаючи хімічний склад ДНК в 1950 р., Ервін Чаргафф сформулював важливі положення щодо структури ДНК:
1. Молярна частка пурінів дорівнює молярній частці піримідинів:
А + Г = Ц + Т, або А + Г/ Ц + Т = 1
2. Кількість аденіну і цитозіну дорівнює кількості гуаніну і тиміну:
А + Ц = Г + Т, або А + Ц / Г + Т = 1
3. Кількість аденіну дорівнює кількості тиміну, а кількість гуаніну дорівнює кількості цитозіну:
А = Т, або А / Т = 1, Г = Ц, або Г / Ц = 1
4. Відношення суми молярних концентрацій Г + Ц до суми молярних концентрацій А + Т у різних видів значно змінюється: Г +Ц / А + Т названо коефіцієнтом специфічності. Для бактерій він дорівнює 0,45 – 2,8, для вищих рослин, тварин і людини – 0,45 – 0,94.
Видова специфічність ДНК. За співвідношенням (А+Т) і (Г+Ц) представники різних видів різняться між собою, причому у тварин переважає пара (А+Т), а у мікроорганізмів співвідношення (А+Т) і (Г+Ц) однакове. Ці явіща використовують як один із генетичних критеріїв визначення виду. У цьому полягає індивідуальна специфічность ДНК.
Просторова організація ДНК. Молекула ДНК може існувати в різній конфігурації залежно від навколишніх умов. Відомо декалька форм ДНК:
а) В-форма – має стандартну структуру відповідно до моделі молекули Уотсона і Кріка в нормальних фізіологічних умовах; б) А-форма виявлена у зневодненому середовищі, при високому вмісті калію і натрію. Така форма має змінену спіралізацію; в) С-форма – має меньше основ на один виток, а значить інші фізичні характеристики; г) Ζ-форма – на відміну від інших форм, закручена влево. Деякі форми при зміні умов можуть переходити одна в одну, що додатково регулює роботу генів.
Рибонуклеїнові кислоти (РНК). Спадкова інформація зберігається в молекулі ДНК. Проте ДНК не бере участі в життедіяльності клітин. Роль посредників у передачі спадкової інформації від ДНК у цитоплазму відиграють рибонуклеїнові кислоти.
РНК мають вигляд довгих нерозгалужених полімерних молекул, що складаються з одного ланцюга.
Молекули РНК мають богато спільного зі структурою ДНК, але відрізняються нізкою ознак: а) вуглеводом РНК є рибоза, б) РНК не містить тиміну, його місце в молекулі займає урацил, в) РНК одноланцюгова молекула, г) правила Чаргаффа не виконуються.
Типи РНК. На основі розміру, структури, функції молекул розрізняють три типи РНК, характерних для еукаріотів і прокаріотів.
Інформаційна РНК (і-РНК). Ії молекули утворюються на певних ділянках ДНК, мають назву структурних генів. Вони становлять 0,5-3,0% маси всіх РНК. Інформаційна РНК є матрицею для синтезу білків, тому ії називають також матричною. Матрична РНК є шаблоном, на якому будуються поліпептиди відповідно до закладеної генетичної інформації. Інформаційна РНК містить інформацію про порядок розташування амінокислот у синтезованому білку.
Транспортна РНК (т-РНК). Молекули т-РНК утворюються на спеціальних генах. Від загальної маси РНК на т-РНК припадає близько 10-15%. Молекули т-РНК переносять до місць синтезу білків тільки відповідні їм амінокислоти з цитоплазми. Кожній амінокислоті відповідає своя т-РНК.
Рибосомальна РНК (р-РНК). Утворюється на спеціальних генах ДНК в ядерці. Із загальної маси РНК на ії частку припадає до 90%. Рибосомальна РНК забеспечує зв’язування і-РНК з рибосомами за допомогою певних послідовностей нуклеотидів. Таким чином встановлюється початок і рамка зчитування інформації з і-РНК.
Реплікація ДНК.
Унікальна властивість молекули ДНК подвоюватися перед поділом клітини називається реплікацією. Реплікація відбувається в ядрі під час S-періоду інтерфази. Реплікація ДНК-найважливіший процес, що є в основі забезпечення тривалого існування всіх видов живих організмів. Основне функціональне значення реплікації-забезпечення нащадка стабільною генетичною інформацією.
Напівконсервативний шлях реплікації ДНК. Встановлено, що в процесі реплікації дві нитки ДНК розділяються, кожна з них є шаблоном (матрицею) для синтезу вдовж нії нової нитки. Послідовність основ в нових нитках комплементарна основам, що присутні у старих нитках. Таким чином, утворюються дві дочірні молекули, ідентичні материнскій. Кожна дочірня молекула складається з однієї старої (материнської) нитки й однієї нової нитки. Оскільки тільки одна материнська нитка збережена вкожній дочірній молекулі, такий тип реплікації має назву напівконсервативного.
Реплікація ДНК –складний, богатоступеневий процес, що вимагає залучення великої кількості білків і ферментів. Точність реплікаціцї забеспечується комплементарною взаємодією азотистих основ матричного ланцюга і ланцюга, що будується. Весь процес контролюється ДНК-полімеразою, що корегує та усуває помилки синтезу.
Оновні етапи реплікації:
1. Ініціація. Активація дезоксірибонуклеотидів, в результаті взаємодії з АТФ (реакція фосфорилування).
Розпізнавання точки ініціації. Розкручування ДНК починається з певної точки (точка ініціації-спеціальна послідовність нуклеотидів).
Розкручування молекули ДНК. Подвійна спіраль ДНК розкручується і розгортається на окремі нитки ДНК шляхом розриву слабких водневих зв’язків між комплементарними нуклеотидами. Цей процес забезпечюють ферменти - гелікази. Ферменти – топоізомерази розривають і заново зшивають нитки ДНК, допомогають розкручуванню спіралі.
2. Елонгація. Вільні трифосфати дезоксирибонуклеотидів (які утворюються під час процеса фосфорилування) своїми азотистими основами приєднуються водневими зв’язками до азотистих основ обох ланцюгів ДНК, відповідно до правила комплементарності, тобто А-Т, Ц-Г.
У подальшому приєднанні сусідні нуклеотиди зв’язуються між собою фосфорними залишками та утворюють новий ланцюг ДНК. Процес каталізується ферментом ДНК-полімеразою. Оскільки дві нитки ДНК є антипаралельними, нові нитки повінні утворюватися на старих (материнських) нитках у протилежних напрямках. Одна нитка утворюється в напрямку 5'-3'. Ця нитка називається провидною. На другій материнській нитці утворюються короткі фрагменти ДНК у напрямку 3'-5'. Таки фрагменти задовжки 100-200 нуклеотидів називають фрагментами Оказаки. Згодом вони з’єднуються разом, утворюючи довгу відстаючу нитку.
3. Термінація. Після завершення процесу реплікаціїтмолекули, що утворилися, розділяються, і кожна дочірня нитка ДНК скручується разом з материнською в подвійну спіраль. Так утворюються дві молекули ДНК, ідентичні материнскій. Порушення точності реплікації призводить до порушення синтезу білків і розвитку патологічних змін клітин і органів.
Репарація ДНК.
Здатність клітин до виправлення пошкоджень у молекулах ДНК одержала назву репарації (від грецк. reparatio- відновлення).
Процес репарації ДНК полягає в тому, що генетична інформація подана в ДНК двома копіями – по одній в кожному з двох ланцюгів подвійної спіралі ДНК. Завдяки цьому випадкове пошкодження в одному з ланцюгів може бути видалено реплікаційним ферментом і ушкоджена ділянка ланцюга ресинтезована у своєму нормальноиу вигляді за рахунок інформації, що міститься в неушкодженому ланцюгу.
За часом здійснення у клітинному циклі розрізняють дореплікаційну, реплікаційну і постреплікаційну репарацію.
Дореплікаційна репарація – це процес відновлення пошкодженої ДНК до ії подвоєння. Розриви можуть бути відновлені ферментом лігазою.
Реплікаційна репарація – це сукупність процесів відновлення ДНК у ході реплікації. При цьому ушкоджена ділянка видаляється впродовж реплікації у зоні росту ланцюга. Механізм самокорекції здійснюється ДНК-полімеразою або ферментом ендонуклеазою.
Постреплікаційна репарація. Ії механізм точно не вивчений. При цьому відбувається вирізання пошкодженої ділянки і зшивання кінців.
