Искусство
Языки
Языкознание
Вычислительная техника
Информатика
Финансы
Экономика
Биология
Сельское хозяйство
Психология
Ветеринария
Медицина
Юриспруденция
Право
Физика
История
Экология
Промышленность
Энергетика
Этика
Связь
Автоматика
Математика
Электротехника
Философия
Религия
Логика
Химия
Социология
Политология
Геология
генетика лекция. Предмет, методы и значение генетики
 Скачать 7.2 Mb.
|
|
Лекция-12 ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ И СТРУКТУРА НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ. План: СТРОЕНИЕ И ТИПЫ РНК. ГЕНЕТИЧЕСКИЙ КОД. СИНТЕЗ БЕЛКА В КЛЕТКЕ Нуклеиновые кислоты впервые открыл И. Ф. Мишер в 1868 г. Он выделил из ядер клеток особое вещество кислотной природы и назвал его нуклеином. Впоследствии ему дали название «нуклеиновая кислота». Было обнаружено два типа нуклеиновых кислот. Их назвали в зависимости от углеводного компонента, входящего в состав. Нуклеиновую кислоту, в состав которой входит углевод дезоксирибоза, назвали дезоксирибонуклеиновой кислотой (ДНК), а в состав которой входит углевод рибоза, — рибонуклеиновой кислотой (РНК)- В период с 1900 по 1932 г. был определен химический состав нуклеиновых кислот. Они включают следующие компоненты: РНК Аденин, гуанин Цитозин, урацил Рибоза ДНК Аденин, гуанин Цитозин, тимин Дезоксирибоза Пуриновые основания Пиримидиновые основания Углеводный компонент Обе нуклеиновые кислоты включают остатки фосфорной кислоты. Различие заключается в том, что в состав РНК входит азотистое основание урацил вместо тимина и рибоза вместо дезоксирибозы. В 1936 г. на кафедре биохимии растений Московского университета А. Н. Белозерский с И. И. Дубровской впервые выделили ДНК в чистом виде из растительного материала. К середине 40-х годов было выяснено, что ДНК и РНК одновременно присутствуют в каждом живом организме. В конце 40-х — начале 50-х годов при изучении нуклеиновых кислот стали использовать новые физические и химические методы исследования. В 1950 г. Э. Чаргафф установил правила нукле-отидных отношений, лежащие в основе строения всех ДНК. Правила Чаргаффа заключаются в том, что в ДНК содержание аденина равно содержанию тимина (А = Т), а содержание гуанина равно содержанию цитозина (Г = Ц), отсюда А + Г/Т + Ц = 1; сумма пуриновых нуклеотидов равна сумме пиримидиновых нуклео-тидов. В соответствии с этим правилом нуклеотидный состав разных организмов может варьировать только по величине А + Т/Г+ Ц. К 1952 г. Р. Франклин и М. Уилкинс добились получения высококачественных рентгенограмм ДНК, показавших, что она имеет форму спирали и двойственную структуру. В 1953 г. Дж. Уотсон и Ф. Крик, опираясь на данные рентге-ноструктурного анализа и правила Чаргаффа, установили структуру ДНК. Согласно их модели молекула ДНК имеет двойную спираль, состоящую из двух полинуклеотидных цепей с общей осью (рис. 17). Диаметр двойной спирали ДНК равен 2 нм, а расстояние между витками 3,4 нм. На каждый виток спирали приходится 10 пар нуклеотидов, отсюда расстояние между азотистыми основаниями равно 0,34 нм. Структурными единицами полинуклеотидных цепей являются нуклеотиды. В состав нуклеотида входят: одно из азотистых оснований — пуриновое (аденин или гуанин) или пиримидиновое (тимин или цитозин), дезоксирибоза, фосфатный остаток. Эти компоненты соединены друг с другом в следующем порядке: азотистое основание — дезоксирибоза — фосфатный остаток. Соединение одного из оснований с дезоксирибозой приводит к образованию нуклеозида. В случае присоединения фосфатной группы к углеводной части нуклеозида образуется нуклеотид. Дезоксирибоза в нуклеотидах соединяется с основаниями гли-козидной связью, а с фосфорной кислотой — эфирными связями. Следовательно, по химическому составу любой нуклеотид — это фосфорный эфир нуклеозидов. В соответствии с этим нукле-отиды называются дезоксиадениловой, двзоксигуаниловой, дезокси-цитидиловой и тимидиловой кислотами. Наряду с главными азотистыми основаниями ДНК содержит также метилированные основания, такие, как 5-метилцитозин, 5-оксиметилцитозин и др. У животных количество 5-метилцито-зина в ДНК обычно не превышает 1,5—2 %. В каждой из цепей ДНК нуклеотиды последовательно соединены друг с другом с помощью остатка фосфорной кислоты и молекулы дезоксирибозы. Дезоксирибоза связывается с одной молекулой фосфорной кислоты через углерод в положении 3', а с другой — через углерод 5', образуя углеводно-фосфатный остов (рис. 18). Обе цепи в молекуле ДНК имеют противоположную полярность. Это означает, что межнуклеотидная связь в одной цепи имеет направление 5'-*3', а в другой 3'-»5'. Азотистые основания нуклеотидов обеих цепей ДНК заключены внутри между витками спирали и соединены водородными связями. В соответствии с правилами Чаргаффа аденин одной цепи связан только с тимином другой цепи, а гуанин — только с цитозином. Пара аденин — тимин соединена двумя водородными связями, а пара гуанин — цитозин — тремя. Такой порядок соответствия азотистых оснований (А **Г и Г **Ц) называется комплементарностью, и, следовательно, цепи в ДНК комплементарны, они взаимно дополняют друг друга. Углеводно-фосфатный остов по всей длине во всех молекулах ДНК имеет однотипную структуру и не может нести генетической информации. В противоположность этому рас-  Рис. 17. Схема строения молекулы ДНК из двух спирально закрученных ценей (по Д. Уотсо- ну в Ф, Кряку) (Цифры указывают на расстоя- ним в А между разными точками молекулы)  Рис. 18. Схема отрезка двухцепочной молекулы ДНК (по С. М. Гершензону) положение пуриновых и пиримидиновых оснований нуклеотидов вдоль цепи ДНК очень изменчиво и характерно для каждого данного типа молекул ДНК. Значит, наследственная информация зашифрована различной последовательностью оснований. Нуклеотидный состав ДНК значительно варьирует в зависимости от принадлежности организма к той или иной систематической группе (табл. 7). Специфичность ДНК выражается соотношением А + Т/Г + Ц, получившим название коэффициента видовой специфичности. 7. Нуклеотидный состав ДНК из различных источников (по А. Ленинджеру, 1976)
В ДНК животных наблюдается избыток А + Т по отношению к Г + Ц. У грибов и бактерий встречаются формы как богатые А + Т, так и с преобладанием Г + Ц, в то же время есть близкие по коэффициенту специфичности к животным. Это говорит о том, что изменчивость в расположении оснований уже достаточна для того, чтобы обеспечить различия между генами этих организмов. Молекулы ДНК состоят примерно из 2-103—1-Ю8 и более нуклеотидов и имеют большую относительную молекулярную массу. Репликация (удвоение) ДНК. ДНК находится в хромосомах, и репликация ее происходит перед каждым удвоением хромосом и делением клетки. Дж. Уотсон и Ф. Крик предложили схему удвоения ДНК, согласно которой спиралевидная двухцепочная ДНК сначала раскручивается (расплетается) вдоль оси. При этом водородные связи между азотистыми основаниями рвутся и цепи расходятся. Одновременно к нуклеотидам каждой цепи пристраиваются комплементарные азотистые основания нуклеотидов второй цепи, где против аденина встает тимин, против тимина — аденин, против гуанина — цитозин и т. д., которые с помощью ферментов ДНК-полимераз связываются в новые полинуклеотидные цепи. В результате из одной образуются две новые дочерние молекулы ДНК. Каждая дочерняя молекула, наследуя структуру одной цепи материнской молекулы, строго сохраняет специфичность заключенной в ней информации. Поскольку матрицей для репликации служит одна из двух цепей молекулы, такой тип синтеза ДНК носит название полуконсервативной ауторепродукции. Дальнейшие исследования показали, что репликация бактериальных и других молекул ДНК начинается в определенной точке старта. В хромосомах эукариот обнаружено по нескольку таких начальных точек. Цепи ДНК в точке инициации репликации разъединяются под влиянием особого белка геликазы (рис. 19). Возникают одноцепочные участки ДНК, которые становятся матрицами для репликации-притяжения комплементарных нуклеотидов. Эти одноцепочные участки связываются с особыми белками, которые их стабилизируют (препятствуют их комплементарному взаимодействию). Особый фермент топоизомераза (у прокариот назьшается ДНК-гиразой) способствует расщеплению спирали ДНК в области репликационной вилки. Репликация на материнской цепи, идущей от точки старта в направлении 5'->3', идет в виде сплошной линии. Эта цепь получила название лидирующей. Синтез на второй цепи 3'->5' идет отдельными фрагментами в противоположном направлении (тоже 5'->3')- Эта цепь получила название запаздывающей. Фрагментами являются небольшие участки ДНК (у кишечной палочки около 2000 нуклеотидов, у эукариот около 200). Они называются по  Рис. 19. Синтез лидирующей (вверху) и запаздывающей (внизу) цеией ДНК в вилке репликации (по В. Alberts, R. Sternglanz) имени открывшего их японского ученого Р. Оказаки. После завершения синтеза фрагменты Оказаки соединяются при помощи фермента ли газы в общую полинуклеотидную цепочку. У эукариот репликация ДНК и соединение различных ее репликационных участков происходят в фазе S-периода интерфазы. После завершения этой фазы в каждой хромосоме имеется две молекулы ДНК, которые становятся двумя идентичными хроматидами. Структура, способная к репликации (хромосома, плазмида, вирусный геном), называется репликоном. Самоудвоение молекул ДНК — основа устойчивости генетической информации данного вида и обеспечивает материальную непрерывность наследственного вещества клетки. СТРОЕНИЕ И ТИПЫ РНК Многочисленными исследованиями было установлено, что синтез белка в клетке происходит не в ядре, где находится ДНК, а в цитоплазме. Следовательно, сама ДНК не может служить матрицей для синтеза белка. Вставал вопрос о молекулярных механизмах переноса информации, закодированной в ДНК (генах), из ядра в цитоплазму к месту синтеза белка. Сравнительно недавно выяснилось, что молекулами, ответственными за считывание и перенос информации, а также за преобразование этой информации в последовательность аминокислот в структуре белковой молекулы, являются рибонуклеиновые кислоты (РНК). Молекулы рибонуклеиновой кислоты имеют одну полинуклеотидную цепь, Нуклеотиды молекулы РНК называются адениловой гуаниловой, уридиловой и цитцдиловой кислотами. На долю РНК приходится около 5—10 % общей массы клетки. Существует три основных вида РНК: информационная (иРНК), или матричная (мРНК), рибосомная (рРНК) и транспортная (тРНК). Они различаются по величине молекул и функциям. Все типы РНК синтезируются на ДНК при участии ферментов — РНК-полимераз. Информационная, или матричная, РНК составляет 2—3 % всей клеточной РНК, рибосомная — 80—85, транспортная — около 15 %. Информационная РНК (иРНК) впервые была обнаружена в 1957 г. Роль ее в том, что она считывает наследственную информацию с участка ДНК (гена) и в форме скопированной последовательности азотистых оснований переносит ее в рибосомы, где происходит синтез определенного белка. Каждая из молекул иРНК по порядку расположения нуклеотидов и по размеру соответствует гену в ДНК, с которого она была транскрибирована. В среднем иРНК содержит 1500 нуклеотидов (75— 3000). Каждый триплет (три нуклеотида) на иРНК называется кодоноц. От кодона зависит, какая аминокислота встанет в данном ме*сте при синтезе белка.' Информационная РНК может обладать относительной молекулярной массой от 250 до 1000 тыс. Д (дальтон). Существует большое разнообразие иРНК как в отношении состава, так и величины молекулы. Это связано с тем, что в клетке находится большое количество разнообразных белков, а строение каждого белка обусловлено своим геном, с которого иРНК считала информацию. Транспортная РНК (тРНК) обладает относительно невысокой молекулярной массой порядка 24—29 тыс. Д и содержит в молекуле от 75 до 90 нуклеотидов. До 10 % всех нуклеотидов тРНК приходится на долю минорных оснований, что, по-видимому, защищает ее от действия гидролитических ферментов. Роль тРНК заключается в том, что они переносят аминокислоты к рибосомам и участвуют в процессе синтеза белка. Каждая аминокислота присоединяется к определенной тРНК. Ряд аминокислот обладает более одной тРНК. К настоящему времени обнаружено более 60 тРНК, которые отличаются между собой первичной структурой (последовательностью оснований). Вторичная структура у всех тРНК представлена в виде клеверного листа с двухцепочным стеблем и тремя одноцепочными петлями (рис. 20). На конце одной из цепей находится акцепторный участок — триплет ЦЦА, к аденину которого присоединяется специфическая аминокислота. Аминокислота присоединяется к тРНК под действием фермента аминоацил-тРНК-синтетазы, который «узнает» одновременно и аминокислоту, и тРНК. В головке средней петли тРНК находится антикодон — триплет, состоящий из трех нуклеотидов. Антикодон комплементарен определенному кодону мРНК. При помощи антикодона тРНК «узнает» соответствующий кодон в иРНК, т. е. определяет место, куда  Рис, 20. Вторичная структура тРНК (по Ричу п Киму) должна быть поставлена данная аминокислота в синтезируемой молекуле белка. Предполагается, что петли тРНК, не вовлеченные в связывание и выполнение декодирующей функции аминокислоты, используются для связывания тРНК с рибосомой и со специфической аминоацил-тРНК-синтетазой. Рибосомная РНК (рРНК). Размер рибосомных РНК эукариот составляет 5—28S (S — единица Сведберга, характеризующая скорость осаждения, седиментации частиц при ультрацентрифугировании), молекулярная масса 3,5-104— 1,510^ Д. Они содержат 120—3100 нуклеотидов. Рибосомная РНК накапливается в ядре, в ядрышках. В ядрышки из цитоплазмы транспортируются рибосомные белки, и там происходит спонтанное образование субчастиц рибосом путем объединения белков с соответствующими рРНК. Субчастицы рибосомы вместе или врозь транспортируются через поры ядерной мембраны в цитоплазму. Рибосомы представляют собой органеллы величиной 20— 30 нм. Они построены из двух субчастиц разного размера и формы. На определенных стадиях белкового синтеза в клетке происходит разделение рибосом на субчастицы. Рибосомная РНК служит как бы каркасом рибосом и способствует первоначальному связыванию иРНК с рибосомой в процессе биосинтеза белка. Субчастицы обозначают у эукариот как 60 и 40S. Целые рибосомы осаждаются при 80S. 40£-субчастица содержит 18S РНК и примерно 30 белков; бОБ-субчастица содержит 28S РНК, 5S РНК и 5,8 S РНК. В состав этой частицы входит примерно 50 различных белков. У прокариот функциональная рибосома имеет константу седиментации 70S. 708-рибосомы состоят из малой (30S) и большой (50S) субчастиц. 808-рибосомы содержат примерно равное количество рРНК и белка, у 70S-pn6ocoM соотношение РНК и белка составляет 2:1. Число рибосом в клетке прокариот равно примерно 104, у эукариот — около 105. В период синтеза белка рибосомы могут объединяться в полисомы, образуя более высокоорганизованные комплексы. |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||