днк [Режим совместимости]

Тема лекции:
МОЛЕКУЛЯРНЫЕ
ОСНОВЫ
НАСЛЕДСТВЕННОСТИ.
АНАЛИЗ СОСТАВА И
СТРУКТУРЫ ДНК.
Уильям Бэтсон
(1861-1926)
Англия
Вильгельм Людвиг
Иогансен
Дания
(1857-1927)
Термин «генетика»
(лат. “geneticos”-относящийся
к происхождению,
‘genos’-род, рождение
1906
Термины:
«ген»
«генотип»
«фенотип»
1909
ХИМИЧЕСКОЕ
СТРОЕНИЕ
гена
1929
Впервые выдвинул идею о
связи генов с определенным
химическим веществом
В хромосоме линейно
расположены
Химические радикалы
различной сложности
= гены
НИКОЛАЙ
КОНСТАНТИНОВИЧ
КОЛЬЦОВ
(1872-1940)
До 40х гг.20 в.:
«гены имеют
белковую
природу»
Хромосомы- белковые
мицеллы -способны к
самовоспроизведению
Механизм передачи генов от
материнской клетки –дочерним, от
родителям-детям
ФРИДРИХ МИШЕР
(1844-1895)
Швейцарский врач
1869, 1871
Из остатков клеток,
содержащихся в гное
выделил вещество,
в состав которого входят азот
и фосфор.
Назвал «нуклеином»
Позднее-нуклеиновая кислота
ДНК только в ядре
РНК – в ядре и цитоплазме
пурины
пиримидины
Продукты
кислотного
гидролиза НК:
ПУРИНЫ:
аденин (А)
и гуанин (Г)
ПИРИМИДИНЫ:
тимин (Т),
цитозин (Ц)
и
урацил (У)
1910- А.Кёсель –Нобельская Премия по
химиив состав ДНК входят
4 азотистых основания:
аденин,
гуанин,
цитозин,
тимин
5
1
4
3
2
В молекуле рибозы, в отличие от
дезоксирибозы, в позиции С2’
имеется гидроксильная группа (ОН)
Французский биохимик P. Levine
ДНК= полимер, состоящий из
большого числа монотонно
повторяющихся и совершенно
одинаковых тетрануклеотидов.
Разница лишь в числе
тетрануклеотидов
«гены-молекулы белков, способные к
размножению при наличии
соответствующих условий,
а ДНК – механическая опора генов
ФАКТЫ, УБЕДИТЕЛЬНО ГОВОРЯЩИЕ ПРОТИВ
1. Биохимическое и электронномикроскопическое изучение бактериофагов
При заражении бактерий в бактериальные клетки
проникают только ДНК, а белковая оболочка
остается вне.
Белковая оболочка
головка
отросток
Волокна отростка
пластинка отростка
1. Биохимическое и электронномикроскопическое изучение бактериофагов
2. Явление трансформации- перенос
генетического материала от одного организма к
другому
3. Явление трансдукции- перенос ДНК из одной
клетки (донор) в другую (реципиент) с помощью
бактериофагов
4. Явление конъюгации- однонаправленная
передача генетической информации в результате
непосредственного контакта между клеткамидонорами и клетками-реципиентами у бактерий.
Половой процесс у бактерий.
ДОКАЗАТЕЛЬСТВО ВЕДУЩЕЙ РОЛИ ДНК У БАКТЕРИЙ И БАКТЕРИОФАГОВ
№1 ОПЫТЫ ПО ТРАНСФОРМАЦИИ
(генетическое изменение клетки под влиянием чужеродной ДНК)
1927 ФРЕДЕРИК ГРИФФИТ, Британское министерство здравоохранения
Strehtococcus
pneumonia
S
Вирулентные
С
полисахаидной
капсулой
R
Невирулентные
Без капсулы
1927 ФРЕДЕРИК ГРИФФИТ, Британское министерство здравоохранения
Гриффит предположил:
•Убитые клетки каким-то образом превращают
невирулентные бактерии в вирулентный тип S.
•Трансформирующий фактор- фрагмент
полисахаридной капсулы
Оказалось: полисахаридная капсула не
приводит к трансформации
Что является трансформирующим фактором?
№2
1944
Эвери,
Мак-Леод,
Эвери
Мак-Карти
Трансформация возможна in vitro
№2
1944
Эвери,
Мак-Леод,
Мак-Карти
ДНКТрансформирующий
Фактор
Пневмококков
Дезоксирибонуклеаза
Рибонуклеаза
протеаза
№2
1944
Эвери,
Мак-Леод,
Мак-Карти
ДНКТрансформирующий
Фактор
Пневмококков
Дезоксирибонуклеаза
Рибонуклеаза
протеаза
№2
1944
Эвери,
Мак-Леод,
Мак-Карти
ДНКТрансформирующий
Фактор
Пневмококков
Дезоксирибонуклеаза
Рибонуклеаза
протеаза
№2
1944
Эвери,
Мак-Леод,
Мак-Карти
ДНКТрансформирующий
Фактор
Пневмококков
Дезоксирибонуклеаза
Рибонуклеаза
протеаза
№2
1944
Эвери,
Мак-Леод,
Мак-Карти
ДНКТрансформирующий
Фактор
Пневмококков
Дезоксирибонуклеаза
Рибонуклеаза
протеаза
№3
1952
Альфред Херши
и Марта Чейз
Радиоизотопный
метод
херши
1952
Альфред Херши
и Марта Чейз
Бактериофаг Т2 ифицирует
Escherichia coli
1. т2 50% белка+50% ДНК
2. Инфекция клеток
начинается
с абсорбции фага на
бактериальной
стенке с помощью хвостовых
фибрилл
3. Новые фаговые частицы
образуются
внутри бактериальной клетки
№3
Херши, Чейз
Радиоизотоп
ный метод:
ДНК метели
32 Р,
Белки- 35 S
Херши,
Чейз
Херши, Чейз
Радиоизотопный метод:
ДНК метели 32 Р,
Белки- 35 S
Вывод:
Белки фагов остаются снаружи
бактериальной клетки-хозяина,
А для образования новых фаговых
частиц важна только вирусная ДНК,
которая и
является ген.материалом фага Т2
1925
Г.А. Надсон, Г.С. Филиппов, Г. Меллер
Мутационный эффект ионизирующего
излучения
№4
Непрямое доказательство: мутагенез
Ультрафиолетовые лучи (УФ) индуцируют мутации генетического материала
Max УФ 260 нм.
Предположение:
Молекулы-носители ген
материала
будут поглощать свет в той
области, где
наблюдается мутагенный
эффект
Поглощают свет в
области 260 ДНК,
Белки- в области 280 нм.
С помощью кислотного гидролиза ДНК
с последующей хроматографией и количественным анализом
установлены закономерности:
Количество А = Т, количество Г=Ц
А/Т=1; Г/Ц=1; (Г+Ц)/(А+Т)=К
К -коэффициент
специфичности,
постоянен для каждого вида.
Эрвин Чаргафф 1950 г.
Розалинда Франклин
(Rosalind Franklin)
в 37 лет умерла (1958 г.) от рака.
получала
лучшие в мире рентгенограммы ДНК
и никуда не торопилась,
стремясь к еще большему
совершенству.
Морис Уилкинс (Maurice Wilkins)
1953 «NATURE»
Джеймс Уотсон, 25
(James Watson),
Фрэнсис Крик, 37
(Francis Crick) и
Морис Уилкинс (Maurice
Wilkins),
1962
Нобелевская премия
1 9 5 3 «N A T U R E»
Джеймс Уотсон
James D. Watson
(р.1928)
Фрэнсис Крик
Francis
Harry Compton Crick
(1916-2004)
Морис Уилкинс
Maurice Wilkins
(1916-2004)
1962 Нобелевская премия
Нуклеиновые кислоты являются нерегулярными полимерами,
мономеры которых - нуклеотиды.
Нуклеотид =
нуклеозид + фосфорная кислота
=азотистое основание+
пентоза+фосфорная кислота.
В РНК пентоза - рибоза.
В ДНК - дезоксирибоза.
Структурный анализ ДНК
дезоксирибонуклеотид
ДВА КЛАССА АЗОТИСТЫХ ОСНОВАНИЙ.
ПУРИНЫ:
аденин (А)
и гуанин (Г)
-содержат
-два гетероцикла.
ПИРИМИДИНЫ:
тимин (Т),
цитозин (Ц)
и
урацил (У)
-содержат
-один гетероцикл.
Нуклеотиды соединяются друг с другом в
полимерную
цепочку
с
помощью
фосфодиэфирных связей.
Азотистые основания
не принимают участия
в соединении
нуклеотидов одной цепи.
В зависимости от количества
присоединенных фосфатных групп
различают
Нуклеозидмонофосфат (НМФ),
Дифосфат (НДФ),
Трифосфат (НТФ).
Трифосфаты:
АТФ и ГТФ.
Благодаря
макроэргическим
фосфатным связям,
обеспечивают энергией
многие биопроцессы,
т.к гидролиз молекул АТФ
до АДФ и неорганического
фосфора сопровождается
высвобождением энергии.
Фосфодиэфирна связь
С3’ –C5’ (3-5)
между двумя нуклеотидами
Упрощенная запись
Структуры
Полинуктеотидной цепочки
Принципы
строения ДНК
1. Нерегулярность.
Существует регулярный
сахарофосфатный
остов,
к которому
присоединены
азотистые основания.
Их чередование
нерегулярно.
2. Антипараллельность.
ДНК состоит из двух
полинуклеотидных цепей,
Ориентированных
антипараллельно.
3`-конец одной расположен напротив 5`-конца другой.
3. Комплементарность
(дополнительность).
Каждому азотистому
основанию одной цепи
соответствует
строго определенное
азотистое основание другой
цепи.
Соответствие задается химией.
Пурин и пиримидин в паре
образуют водородные связи.
В паре A-Т две водородные
связи, в паре Г-Ц - три.
4. Наличие регулярной вторичной структуры.
Две комплементарные, антипараллельно
расположенные
полинуклеотидные цепи образуют правые
спирали с общей осью.
Главные черты
модели Крика-Уотсона:
1. Молекула ДНК состоит из двух
параллельных цепочек и напоминает
собой длинную лестницу.
2. Основы цепочек образованы
переплетенными
углевод – фосфатными цепями,
а основания
(буквы наследственного кода)
расположены внутри,
между остовами, образуя
поперечные "перекладины
- ступеньки".
3. Лестница из остовов и
перекладин - оснований заключена
в спираль.
1А= 0,1 нм = 10-10 м
Полный оборот
спирали
Занимает 34 А
(3,4 нм),
Включая по 10
оснований
в каждой цепи
Диаметр
спирали
ДНК = 2 нм
Формы двойной спирали ДНК
В основной - В-форме
на виток приходится
10 комплементарных пар.
Плоскости азотистых оснований
перпендикулярны оси спирали.
Соседние комплементарные
пары повернуты друг
относительно друга на 36.
Диаметр спирали 20Å,
пуриновый нуклеотид занимает 12Å,
а пиримидиновый - 8Å.
А-форма - 11 пар азотистых оснований на виток. Плоскости азотистых оснований
отклонены от нормали к оси спирали на 20. Отсюда следует наличие внутренней
пустоты диаметром 5Å. Высота витка 28Å.
С-форма - шаг спирали 31Å, 9.3 пар оснований на виток, угол наклона
к перпендикуляру 6.
Все три формы - правозакрученные спирали.
левая спираль (Z -форма)
Гены- атомы наследственности
С.Бензер
ГЕН- участок молекулы ДНК,
дающий информацию
о синтезе определенного
полипептида
Геном- ВСЯ
НАСЛЕДСТВЕННАЯ
СИСТЕМА КЛЕТКИ,
ДНК, содержащаяся в
гаплоидном наборе
хромосом 1 вида
организма.
Расшифровка генома человека=
3 млрд. п.н.
2001
Триумф биологии
ДНК ХРОМОСОМ 1 КЛЕТКИ ЧЕЛОВЕКА ===2 МЕТРА!!!!
Гены болезней,
картированные
в 1 хромосоме
самовоспроизведение (размножение)
ЧИСЛО
ХРОМОСОМ
РАЗНЫХ ВИДОВ
ОРГАНИЗМОВ
23=n
23=n
ЧЕЛОВЕК-46
46=2n
1956 – Ю.Тио,
А. Леван
Малярийный
плазмодий-2
Дрозофила -8
Шимпанзе- 48
Лошадь -66
Голубь -80
Карп-104
КАРИОТИПСОВОКУПНОСТЬ ХРОМОСОМ
КЛЕТКИ, которая характеризуется
ИХ ЧИСЛОМ,
РАЗМЕРАМИ
И ФОРМОЙ.
ИДИОГРАММАсистематизированный кариотип=
хромосомы распределены в порядке
уменьшения их длины
ГИПОТЕЗА:
Всякий ген определяет
синтез одного фермента
Джордж Бидл
(1903-1989)
+
Эдуард Тэйтум
(1909-1975)
Один ген- один белок
Один генодин полипептид
Центральная догма молекулярной
биологии:
Транскрипция
Трансляция
Передача наследственной информации
ДНК--------------РНК----------------БЕЛОК
Экспрессия генетической информации
- часть информационного потока в клетках.
Преобразование нуклеотидной записи в
аминокислотную.
Центральная догма молекулярной биологии:
Существует класс ретровирусов, репродуктивный
цикл которых начинается
с того, что ген. инф. в ходе обратной транскрипции
переводится на язык ДНК.
Полученные копии ДНК (провирусы) способны к
репликации и экспрессии
только после интеграции в хромосомную ДНК клетки
Функции ДНК:
1.ДНК является носителем
генетической информации.
Функция обеспечивается фактом
существования
генетического кода.
Функции ДНК:
2. Воспроизведение и передача
генетической информации
в поколениях клеток и организмов.
Функция обеспечивается процессом
репликации.
Функции ДНК:
3. Реализация генетической
информации в виде белков,
а также любых других соединений,
образующихся с помощью белковферментов.
Функция обеспечивается процессами
транскрипции и трансляции.
ядро
цитоплазма
свободные аминокислоты с боковыми группами R1, R2, R3;
аминокислоты соединены пептидными связями.
Рис. 1. Схема соединения
аминокислот.
БЕЛКИ - это
нерегулярные
полимеры,
мономерами которых
являются Lаминокислоты.
Рис. 2. Схема трёхмерной
структуры фермента лизоцима.
Кружки - аминокислоты;
тяжи - пептидные связи;
заштрихованные прямоугольники дисульфидные связи.
Видны спирализованные и
вытянутые участки
полнпептидной цепи.
1961, Marshall Nirenberg
Генетический код –
система записи информации о
последовательности
расположения
аминокислот в белках
с помощью последовательности
расположения
нуклеотидов в ДНК.
Свойства генетического кода
1. ТРИПЛЕТНОСТЬ
Каждая аминокислота кодируется
последовательностью из 3-х нуклеотидов.
триплет (кодон) –
последовательность из трех нуклеотидов,
кодирующая одну аминокислоту
Код не может быть моноплетным,
поскольку 4 (число разных нуклеотидов в ДНК)
меньше 20.
Код не может быть дуплетным,
т.к. 16 (число сочетаний и перестановок из 4-х нуклеотидов по 2) меньше 20.
Код может быть триплетным,
т.к. 64 (число сочетаний и перестановок из 4-х по 3) больше 20.
2. ВЫРОЖДЕННОСТЬ
Все аминокислоты, за исключением метионина и триптофана,
кодируются более чем одним триплетом:
2 АК по 1 триплету = 2
9 АК по 2 триплета = 18
1 АК 3 триплета = 3
5 АК по 4 триплета = 20
3 АК по 6 триплетов = 18
Всего 61 триплет кодирует 20 аминокислот
Наличие межгенных знаков препинания
В конце каждого гена, кодирующего полипептид,
находится, по меньшей мере,
один из 3-х терминирующих кодонов,
или нонсенс, стоп-сигналов: UAA, UAG, UGA.
Они терминируют трансляцию.
Условно к знакам препинания относится
и кодон AUG - первый после лидерной последовательности.
3. ОДНОЗНАЧНОСТЬ, СПЕЦИФИЧНОСТЬ
Каждый триплет кодирует лишь одну аминокислоту
или является терминатором трансляции.
Исключение составляет кодон AUG.
У прокариот в первой позиции (заглавная буква)
он кодирует формилметионин, а в любой другой - метионин.
4. УНИВЕРСАЛЬНОСТЬ
Генетический код един для всех живущих на Земле существ.
Это является сильнейшим свидетельством
в пользу единства происхождения и эволюции.
5. НЕПЕРЕКРЫВАЕМОСТЬ
В 1956г. Георгий Гамов предложил вариант перекрываемого кода.
Согласно Гамовскому коду, каждый нуклеотид, начиная с третьего в гене,
входит в состав 3-х кодонов.
Когда генетический код был расшифрован, оказалось, что он неперекрываем,
т.е. один нуклеотид входит в состав лишь одного кодона.
6. ОДНОНАПРАВЛЕННОСТЬ
считка информации происходит только в одном направлении 5’→3’
Редупликация (репликация) наследственного материала.
Одним из свойств наследственного материала является
способность ДНК к самовоспроизведению
(самоудвоению, авторепродукции).
Для репликации ДНК требуется участие множества белков,
которые быстро движутся вдоль ДНК и согласованно осуществляют
процесс репликации с высокой точностью.
Редупликация (репликация)процесс, при котором информация,
закодированная в последовательности оснований
молекулы родительской ДНК, передается
с максимальной точностью дочерней ДНК.
Мэтт Мезельсон и Фрэнк Сталь 1958г.
Культивировали клетки E.coli в среде с тяж.
изотопом N15 (на 1 нейтрон больше, чем N14)
Полуконсервативность:
каждая дочерняя
ДНК состоит
из одной
матричной цепи
и одной
вновь
синтезированной.
Лекция составлена на основе источников:
1. Генетика. Учебник для вузов/под ред. Академика РАМН В.И.
Иванова М.:2006.-638 с.
2. Жимулев И.Ф.Общая и молекулярная генетика.
Новосибирск:2002.-459 с.
3. Клаг Уильям С., Каммингс Майкл Р. Основы генетики. М.:
Техносфера, 2007.- 896 с.
4. Фаллер Д., Шилдс Д. Молекулярная биология клетки.
Руководство для врачей. М.:Изд-во БИНОМ»- 2006.- 256 с.
5. Медицинская биология.- под ред. В.П. Пишака, Ю.И.
Бажоры. Учебник. Винница: Нова Книга, 2004.-656 с.
6. Advanced Biology/M.Roberts, M. Reiss, G. Monger. UK.
Nelson.-2009.-800 p.
7. Интернет-ресурсы