Тема № 5. Молекулярні основи спадковості. Характеристика нуклеїнових кислот
ВИД ЗАНЯТТЯ: лабораторно-практичне, час проведення - 2години.
АКТУАЛЬНІСТЬ ТЕМИ: з нання питань теми дозволяютьз’ясувати матеріальну основу реалізації спадкової інформації у про-та евкаріот; дозволяють використовувати одержані знання в практичній медицині.
МЕТА ЗАНЯТТЯ: Розглянути рівні організації спадкового матеріалу еукаріот.
Будову і функції нуклеїнових кислот.
МЕТА (загальна): 1. Розглянути рівні організації спадкового матеріалу еукаріот.
2. Розглянути будову і функції матеріальних носіїв спадковості ДНК і РНК.
3. Розглянути основні параметри реплікації ДНК і РНК.
4. Основні способи підтримання генетичної стабільності клітин: самокорекція ДНК і репарація ДНК.
КОНКРЕТНА МЕТА: уміти розв’язувати задачі на самокопіюванні білків та декодування молекул ДНК.
При підготовці до заняття користуватися літературою:
Основна:
1. Медична біологія / За ред. В.П.Пішака, Ю.І.Бажори. Підручник. – Вінниця: Нова книга, 2004. - С.25,53,83-94.
2. Биология. В 2 кн. Кн.1: Учеб. для медиц. спец. вузов /Под ред. В.Н.Ярыгина. – 6-е изд., стер. – М.: Высш.шк., 2004. – С.67-75.
3. Слюсарєв А.О., Жукова С.В. Біологія: Підручник / Пер. з рос. В.О.Мотузний. – К.: Вища шк., 1992. – С.33-36, 40-41.
4. Збірник задач і вправ з біології. Навч. посібник /За ред. А.Д. Тимченка. – К.: Вища шк., 1992. – С. 76-83.
5. Хелевин Н.В., Лобанов А.М., Колесова О.Ф. Задачник по общей и медицинской генетике. Учеб. пособие для студ. биол.и мед. спец. вузов. – 2-е изд. – М.: Высш. шк., 1984. – С.37-42.
6. Медична біологія. Практикум /За ред. проф. В.К.Рибальченка. – Луганськ: Елтон-2, 2003. – С.129-145.
Додаткова:
7. Бочков Н.П. Клиническая генетика.- М.: Медицина. 1997.-С. 120-123.
8. Конспект лекцій.
9. Граф логічної структури.
Теоретичні питання:
1. Молекулярні основи спадковості.
2. Характеристика нуклеїнових кислот: ДНК і РНК, просторова організація, видова специфічність, роль у зберіганні та перенесенні спадкової інформації.
3. Реплікація ДНК.
4. Підтримування генетичної стабільності клітин: самокорекція ДНК і репарація ДНК.
АЛГОРИТМ ПРАКТИЧНОЇ РОБОТИ:
РОБОТА 1. ОЗНАЙОМИТИСЬ З ОСОБЛИВОСТЯМИ СТРУКТУРИ ДНК І РНК.
РОБОТА 2. ОЗНАЙОМИТИСЬ З ХІМІЧНИМ СКЛАДОМ МОЛЕКУЛИ ДНК.
РОБОТА 3. ОЗНАЙОМИТИСЬ З ОСНОВНИМИ ЕТАПАМИ РЕПЛІКАЦІЇ ДНК І РНК.
РОБОТА 4. ОЗНАЙОМИТИСЬ З РЕПАРАЦІЯМИ ДНК.
Методичні вказівки до роботи студентів.
Особливості структури ДНК
У 1953 р. Американський біохімік Джеймс Уотсон і англічанин генетик Френсіс Крік запропонували просторову молекулярну модель ДНК.
Основні властивості моделі полягають у наступному:
1. Молекула ДНК складається з двох полінуклеотидних ланцюгів, закручених вправо одної і тої ж осі, що утворюють подвійну спіраль;
2. Каркаси ланцюгів, утворені із залишків дезоксирибози і негативно заряджених фосфатних груп, знаходяться на зовнішньому боці подвійної спіралі і контактують з молекулами води;
3. Гідрофобні пуринові (аденін, гуанін) і піримідинові (тімін, цитозін) основи спрямовані від пептозофосфатних каркасів обох ланцюгів всередину спіралі перпендикулярно осі. Основи обох ланцюгів, що знаходяться в одній площині, взаємодіють між собою з утворенням водневих зв’язків;
4. Точно підібраними всередині спіралі є тільки дві комбінації 4-х азотистих основ (А-Т,Г-Ц), тобто вони є комплементарними;
5. Генетична інформація записана послідовністю нуклеотидів в напрямку від 5' кінця (фосфорильований кінець ланцюга і позначається крім цього Ф (фосфор) до 3' кінця (гідроксильна група, ОН);
6. Між азотистими основами, що укладені в середині спіралі стопками і вздовж неї, існують гідрофобні взаємодії, які вносять основний вклад у стабілізацію подвійної спіралі. Відстань між основами складає 0,34 нм. На повний оберт спіралі припадає 10 нуклеотидних залишків;
7. При концентрації водневих іонів (рН 7.0) всі фосфатні групи молекули заряджені від’ємно, тому ДНК є сильною кислотою.
Відкриття закономірностей у нуклеотидному складі ДНК увійшло в літературу як правила Чаргаффа:
1. Сума пуринових нуклеотидів дорівнює сумі піримідинових нуклеотидів: ПУР=ПІР, тобто А +Т=Т+Ц.
2. Вміст тиміну дорівнює вмісту аденіну, а вміст гуаніну – вмісту цитозину: Т= А, Г=Ц.
3. Вміст тиміну дорівнює вмісту аденіну, а вміст гуаніну – вмісту цитозину: Т=А, Г=Ц.
4. Відношення А+Т/Г+Ц видоспецифічне.
Для бактерій коефіцієнт специфічності дорівнює 0,45-2,8, для вищих рослин і тварин – 0,45 – 0,44, а для людини – 1,53.
Хімічний склад молекули ДНК
З хімічної точки зору кожний ланцюг ДНК – полімер, мономерами якого є нуклеотиди. Кожний нуклеотид складається з 3-х компонентів: 1. азотистої основи; 2. моносахариду дезоксирибози; 3. залишку фосфорної кислоти.
З’єднання нуклеотидів у молекули ДНК відбувається внаслідок взаємодії фосфату одного нуклеотида з гідроксильною групою дезоксирибози іншого.
В результаті утворюється фосфодіефірний зв'язок, що об’єднує нуклеотиди у довгий ланцюжок. Синтез полінуклеотидного ланцюга відбувається за участю ферменту ДНК- полімерази. Цей фермент здійснює приєднання фосфатної групи одного нуклеотида до гідроксильної групи дезоксирибози іншого. Загальна довжина молекул ДНК у спермі та яйцеклітині біля 180 см. У ядрі будь-якої клітини міститься 6,6 х 10 
г ДНК; у статевих -3,3 х 10 г. Організм дорослої людини складається приблизно із 5 х 1013 -1014 клітин, то загальна довжина всіх молекул ДНК дорівнює 1011км(це майже в тисячу раз більше віддалі від Землі до Сонця).
Поліморфізм ДНК – це здатність молекули існувати у різній конфігурації в залежності від оточуючого середовища. Відомо декілька форм ДНК: а. В – форма має стандартну структуру відповідно до моделі молекули Уотсона і Кріка. У нормальних фізіологічних умовах є основним структурним типом; б. А- форма виявлена у більш зневоднених середовищах, при підвищеному вмісті калію і натрію. Така ДНК має дещо змінену спіралізацію; в. С-форма має менше основ на один виток; г. Z має лівосторонню закрученість, на відміну від інших форм.
Сателітна ДНК (або фракція ДНК) з повторюваними послідовностями не бере участі у синтезі основних типів РНК в клітині та не пов’язана з процесом синтезу білка. Ця ДНК локалізується у зоні первинних перетяжок хромосом, їх ценромерних ділянок. З цієї специфічної центромерної ДНК комплексуються особливі центромерні білки, що беруть участь в утворенні кінетохора – структури, що забезпечує зв'язок хромосоми з мікротрубочками веретена.
Тут зустрічаються повтори, в які входять 3-4 гуанілових нуклеотиди. У людини теломери містять 250-1500 повторів ТТАGGG. Ці ділянки ДНК виконують особливу роль: вони обмежують з кінців і запобігають її укороченню в процесі багаторазової реплікації. На даний час розглядається роль нестабільності міні сателітів в етіології ряду захворювань людини.
Рис. Структура кінців ДНК в хромосомах – теломер
Основні етапи реплікації.
Реплікація – синтез дочірніх молекул ДНК, ідентичних материнським ДНК (ДНК →ДНК).
Для неї необхідна материнська дволанцюгова ДНК, дезоксирибонуклезид – трифосфати (д АТФ, д ТТФ, д ЦТФ), іони Mg2+, Zn 
, ферменти, білкові фактори реплісоми.
Реплікація ДНК евкаріот починається одночасно у багатьох місцях (вважають, що число точок перевищує тисячу). Із кожної точки одночасно у протилежних напрямках рухаються дві реплікативні вилки.
Перед точкою початку реплікації під дією ферментів геліказ (helix -спіраль) невеличка ділянка подвійної спіралі розплітається (на розділення кожної пари основ витрачається енергія гідролізу двох молекул АТФ). Далі, до ділянки ланцюгів, що розділилися, приєднується декілька молекул ДНК зв’язаних білків, що являються перешкодами зворотному з’єднанні ланцюгів. Завдяки цьому нуклеотидні послідовності ланцюгів ДНК стають доступними для дії ДНК – полімерази. Вона синтезує нові ланцюги ДНК, комплементарні ланцюгу матриці (наприклад, якщо в матричному ланцюгу є тімін, то у дочірньому – стає залишок аденіну і навпаки).
Дезоксирибонуклеотиди приєднується 
- фосфатною групою до вільного гідроксилу з кінця ланцюга, що синтезується.
Енергія на утворення кожного фосфодіефірного зв’язку забезпечується відщіпленням від дезоксирибонуклеозида трифосфату пірофосфатного залишку.
У зв’язку з антипаралельністю двох ланцюгів ДНК (один - 5 
3 , а другий 3 5 ) одночасна реплікація комплементарних ланцюгів повинна була б проходити у протилежних напрямках (тобто 3 5 та 5 3 , відповідно).
Але синтез нових ланцюгів відбувається тільки в напрямку 5 3 .
Було встановлено, що синтез одного з дочірніх ланцюгів ДНК є перервним і здійснюються у вигляді коротких (до декількох нуклеотидів) фрагментів, які пізніше з’єднуються між собою.
Отже, синтез двох дочірніх ланцюгів ДНК здійснюється за різними механізмами, а тому розрізняють:
- лідируючий ланцюг, який утворюється шляхом безперервного нарощування нуклеотидного ланцюга в напрямку 5 3 ;
- відстаючий ланцюг, який утворюється з фрагментів Оказакі, що синтезуються в ДНК – полімеразних реакцях в напрямку 5 3 .
Головний фермент, що каталізує реплікацію обох ланцюгів – ДНК – полімерази . При дослідженні різних ДНК – полімераз з’ясувалось, що вони не спроможні почати синтез нового ланцюга, а приєднують нуклеотиди до 3 - ОН кінця ланцюга приманки.
Приманкою служить короткий відрізок РНК, комплементарний матричному ланцюгу ДНК.
Такий олігонуклеотид називають праймером (приманкою) і синтезується він за допомогою специфічної РНК – полімерази (праймази, або примази).
Таким чином, синтез фрагмента Оказакі починається з праймера, який після завершення синтезу фрагмента видаляється, а розриви між фрагментами заповнюються дезоксирибонуклеотидами під дією ДНК – полімерази.
Після чого, фрагменти Оказакі з’єднуються за допомогою ферменту ДНК–лігази. Два нові ланцюги, з’єднані зі своїми комплементарними ланцюгами, утворюють дві дочірні подвійні спіралі, кожна з яких містить один материнський і один ново синтезований ланцюг.
У кільцевих молекулах ДНК реплікація починається з певної ділянки нуклеотидної послідовності завдовжки 100-200 пар основ і проходить в обох напрямках до певної реплікації молекули.
Оскільки тільки одна материнська нитка збережена в кожній дочірній молекулі, то такий тип реплікації називають напівконсервативним.
