ДНК

Немного о себе:
Имя – Хрущова Ольга Николаевна. Я
доцент кафедры биологии, закончила
лечебный факультет в 1980 году, с тех пор
на кафедре и, если и жалею, что не
работаю в практической медицине, то
совсем чуть-чуть. Мне нравится
преподавать.
Интересы – клиническая генетика и
генетическое консультирование. Ненаучные –
плавание, велосипед, сбор грибов, английский
язык.
Курс биологии
Лекция № 1.
1.Биология – наука о живом.
2.Определение живого.
3.Свойства живых систем.
4.Уровни организации жизни.
5.Молекулярно-генетический уровень
организации жизни. Строение, свойства
и функции ДНК.
• Да, потому что это
теоретическая основа
медицины
• Да, потому что медицина
пытается противостоять
биологическим законам
Ничто в биологии не имеет смысла,
кроме как в свете эволюции.
Федосий Добжанский
Предмет биологии
(как я это понимаю)
3,5 млрд.
лет назад
Химическая
эволюция
клетка
200 тыс.
лет назад
Биологическая
эволюция
Социальная
эволюция
человек
Итак, биология – наука о живом
Что такое жизнь???
Существует много определений жизни, приведу
некоторые
• Энгельс: «Жизнь – это способ существования
белковых тел, состоящий в постоянном
самообновлении частей этих тел».
• Сент-Дьерди, лауреат Нобелевской премии: «Я
не знаю, что такое жизнь, но точно могу сказать,
жива или нет моя собака».
• Википедия: «Жизнь — это особый вид
материального взаимодействия генетических
объектов, которые осуществляют синтез себе
подобных генетических объектов».
• Я (прочитав Р. Докинза): «Жизнь – это
избирательное размножение репликаторов.»
Клинтон Ричард Докинз
англ. Clinton Richard Dawkins
Дата
рождения:
26 марта 1941
Место
рождения:
Найроби, Кения
Гражданство:
Великобритания
Научная
сфера:
Место работы:
Этология
Калифорнийский университет в
Беркли, Оксфордский университет
Альма-матер:
Оксфордский университет
Известен как:
Автор научно-популярных
монографий по эволюции
Видно, что дать определение
жизни непросто. Поэтому учёные
предпочитают описывать свойства
живых объектов.
Свойства живого
(свойства живых систем)
1.Особый химический состав:
Живые организмы состоят из
биополимеров – белков и
нуклеиновых кислот.
Белки (состоят из примерно 20 разных
аминокислот, соединенных
пептидными связями)
Образование пептидной связи между остатками двух аминокислот
Нуклеиновые кислоты – ДНК и РНК
(состоят из нуклеотидов, соединенных
фосфодиэфирными связями)
Азотистое
основание
Фосфат
Пентоза
Нуклеотид
Нуклеиновые кислоты
ДНК
• Сахар –
дезоксирибоза
• Азотистые
основания: А. Т, Г, Ц
• Стабильная
гигантская молекула
в виде двойной
спирали
РНК
• Сахар –рибоза
• Азотистые
основания: А. У, Г, Ц
• Небольшие
короткоживущие
одноцепочечные
молекулы
Строение и функции нуклеиновых кислот мы обсудим чуть позже
2. Обмен веществ и энергии.
Живые тела – это открытые системы. Энтропия –
мера упорядоченности системы. В живых телах
энтропия понижается, после смерти –
возрастает.
3. Pитмичность.
Все процессы в живых организмах связаны с
космическими ритмами.
4. Самовоспроизведение (на основе
наследственности и изменчивости).
«Конвариантная редупликация» самовоспроизведение с ошибками
5. Рост и развитие (онтогенез)
6. Эволюция (также на основе
наследственности и изменчивости.
Филогенез.)
7. Дискретность – живые объекты
представляют собой отдельные единицы
8. Иерархичность – более простые
живые объекты формируют более
сложные системы
Иерархичность позволяет
подразделить выделить
несколько уровней
организации
Уровни организации живого
Уровень организации Элементарная единица
Молекулярно-генети- Ген
ческий
Клеточный
Клетка
Онтогенетический
Особь
Популяционновидовой
Биогеоценотический
Популяция, вид
Биосферный
Биосфера Земли
Биогеоценоз (экосистема)
Каждому уровню организации
свойственны свои процессы, или
элементарные явления, важнейшие из
которых мы и рассмотрим в нашем курсе
1. Конвариантная редупликация
2. Синтез белка, деление клетки
3. Онтогенез – индивидуальное развитие
особи
4. Эволюция видов
5 и 6. Круговорот веществ и преобразование
оболочек Земли
Самый низший, но и самый
главный уровень –
молекулярно-генетический.
Жизнь на Земле началась с
появления генов, то есть
самореплицирующихся
единиц.
Ген – это участок молекулы
ДНК
(дезоксирибонуклеиновой
кислоты), содержащий
информацию о строении
белка, а также т- или р-РНК.
(Гены некоторых вирусов
представлены РНК).
Напоминаю:
ДНК и РНК – это полимеры,
состоящие из мономеров –
нуклеотидов, соединенных
фосфодиэфирными связями
Нуклеотид состоит из 3 частей
• 5-атомного сахара (пентозы) – рибозы
или дезоксирибозы
• Азотистого основания: пуринового
(аденин, гуанин) или пиримидинового
(цитозин, тимин (ДНК) или урацил
(РНК), всегда присоединён к С1
• Остатков фосфорной кислоты (от 1 до
3), присоединены к С5.
Немного химии
Не для зарисовки
нуклеотид
фосфат
к 5 атому С
к 1 атому С
Азотистое
основание
пентоза
Атомы углерода в
пентозе нумеруются
по часовой стрелке
С1’, C2’, C3’, C4’ и
C5’.
ОН-группа в положении С3’
служит для образования
фосфодиэфирной связи с
другим нуклеотидом
нуклеотид
фосфат
азотистое
основание
С5
С1
С4
С3
С2
пентоза
Нуклеиновые кислоты – ДНК и РНК
(состоят из нуклеотидов, соединенных
фосфодиэфирными связями)
Азотистое
основание
Фосфат
Пентоза
Нуклеотид
Азотистые основания образуют
между собой водородные связи.
Это получило название
принципа комплементарности
Комплементарность и
антипараллельность в строении ДНК
3’ - конец
5’ - конец
OH
3’ - конец
OH
5’ - конец
Эти особенности химического строения
ДНК сделали возможным протекание
ряда процессов с ее участием. Это:
• Репликация (самоудвоение ДНК)
• Рекомбинация (обмен участками между
молекулами ДНК)
• Репарация (самовосстановление ДНК)
• Транскрипция (синтез РНК на ДНК)
• Обратная транскрипция (синтез ДНК на
РНК – у некоторых вирусов)
• Мутирование (изменение строения ДНК)
Самоудвоение
(репликация) ДНК
Удвоение всей клеточной ДНК обычно
происходит в S-периоде клеточного
цикла, перед делением.
Но могут удваиваться и отдельные
участки ДНК, тогда это называется
амплификацией.
Не для
зарисовки!
Процесс репликации сложен, в нем участвует
много белков, мы рассмотрим его в общем
виде и без деталей
Репликация происходит по принципам
комплементарности и антипараллельности
Репликация полуконсервативна
Репликация полунепрерывна – лидирующая
цепь (5 3) нарастает непрерывно, отстающая
(3 5) – фрагментами Оказаки, которые потом
сшиваются
5’
праймер
3’
3’
Лидирующая цепь
5’
5’
3’
Отстающая цепь
5’
Репликативная вилка
3’
У прокариот (бактерий) репликация
монорепликонная.
Начинается в точке ori* и идёт в обе стороны кольцевой
молекулы ДНК
*Ori - от слова origin - начало
У эукариот репликация
полирепликонная – начинается в
нескольких местах
Репликативный
глазок
Репликон – участок между двумя точками начала репликации
Итак, репликация
• Полуконсервативная
• Идет по принципам комплементарности
и антипараллельности на обеих цепях
ДНК
• Направлена в обе стороны
• Полунепрервная
• Полирепликонная у эукариот,
монорепликонная у прокариот
В репликации
участвуют
многие белки
ДНК-полимераза
Расплетающие
белки
ДНК-полимераза
Геликаза
Праймер
ДНК-лигаза
Праймазасинтезирует
праймеры
Фрагмент Оказаки
100 – 1000
нуклеотидов
Это не надо
запоминать!
Из-за необходимости каждый раз начинать
репликацию с образования праймеров, на концах
хромосом, теламерах, образуются
недореплицированные участки. Специальный
фермент теломераза способен к их
восстановлению (но он есть не во всех клетках).
РНК
теломераза
ДНК
нуклеотиды
Репликация – очень
ответственный момент. Десятки
ферментов во время репликации
следят, чтобы все шло точно, и
исправляют ошибки, то есть
производят репарацию*.
* о ней позже
Рекомбинация ДНК
-способность ДНК обмениваться
участками.
Примеры рекомбинации
• Естественная:
Кроссинговер во время мейоза
• Искусственная:
Получение трансгенных организмов
В профазе 1 деления мейоза
между гомологичными
хромосомами происходит обмен
участками – кроссинговер. При
этом образуются новые сочетания
аллелей генов, что резко
повышает генетическое
разнообразие. А. Схема. Б.
фигуры перекрёста (хиазмы), как
они выглядят под микроскопом.
Бактерии для рекомбинации
образуют пили
Человек научился использовать способность
ДНК к рекомбинации в своих целях – нужный
ген (зелёный) встраивают, к примеру, в ДНК
бактерии (красная)
Схема получения трансгенного
растения
Репарация ДНК –
восстановление ДНК после
повреждений
Виды повреждений ДНК (не для
запоминания!)
Рассмотрим
этот пример
Образование тиминовых димеров
ГЦААЦГ
ЦГТ ТГЦ
Существует несколько видов
репарации
•
•
•
•
Фоторепарация (описана у бактерий)
Дорепликативная(эксцизионная)
Пострепликативная
SOS-репарация
Схема фоторепарации
Ультрафиолет нарушает
структуру ДНК
Фермент
восстанавливает
структуру ДНК на
дневном свету
Схема эксцизионной репарации
Пострепликативная репарация
уф
ДНК
Тиминовый
димер
репликация
+
«брешь»
рекомбинация и
восстановление
бреши по целой цепи
Получаем одну нормальную
молекулу ДНК и одну с димерами
+
SOS репарация наблюдается у
бактерий и может быть неточной
При мутациях генов,
ответственных за репарацию,
возникают болезни репарации.
Самая известная из них –
пигментная ксеродерма.
При ней солнечный свет
повреждает ДНК в клетках кожи
и это приводит к раку.
Пигментная ксеродерма – болезнь,
связанная с нарушением репарации ДНК