Білоруський державний університет інформатики і радіоелектроніки
Кафедра ЕТТ
РЕФЕРАТ
На тему:
«Основні поняття про молекулярної біохімічної генетики»
МІНСЬК, 2008
Матеріальними носіями спадкової інформації від покоління до покоління у людини, як і у більшості організмів, є хромосоми клітинних ядер. Кожен біологічний вид характеризується певним числом і будовою хромосом, в сукупності складових хромосомний набір, або каріотип. Для соматичних клітин людини характерна наявність в каріотипі 46 хромосом, що становлять 23 пари. Каріотипи майбутнього організму визначаються в процесі запліднення яйцеклітини, коли при злитті жіночого і чоловічого пронуклеусов їх хромосомні набори (з 23 хромосом) об'єднуються в один подвійний, диплоїдний набір, з 46. Кожній хромосомі одинарного, гаплоїдного набору яйцеклітини відповідає гомологичная їй хромосома гаплоїдного набору сперматозоїда. Це правило поширюється на 22 з 23 хромосом - ці хромосоми-аутосоми. 23 хромосома у всіх яйцеклітинах однакова - це так звана Х-хромосома. Сперматозоїди розрізняються по 23 хромосомі: половина містить Х-, а половина У-хромосоми. При заплідненні яйцеклітини сперматозоїдом формується набір з 46 хромосом з двома Х-хромосомами, така запліднена яйцеклітина (зигота) дає початок жіночому організму. При заплідненні яйцеклітини У-сперматозоїдом формується каріотип ХУ, така зигота дає початок чоловічому організму.
Незалежно від статі, ріст і розвиток ембріона, плода, дитини відбувається шляхом мітозів - мітотичних поділів клітин. Є дві особливості мітотичного розмноження клітин: період між двома мітозами - інтерфаза. У ній відбувається подвоєння хромосом диплоїдного набору. На кожній хромосомі будується її точна копія. На наступному етапі такий набір розподіляється суворо порівну між двома дочірніми ядрами, кожне з яких отримує, таким чином, повний диплоїдний набір, в якому представлені копії всіх хромосом, отриманих як від яйцеклітини, так і від сперматозоїда. При поділках дозрівання статевих клітин на зміну мітозу приходить мейоз. Це складний процес. У мейозі відбувається 2 генетично важливі події - рекомбінації, тобто перегрупування хромосомного матеріалу. У результаті цього в числі 23 хромосом, що опинилися в одному дочірньому ядрі будуть різні поєднання хромосом материнського і батьківського походження. Число таких поєднань 23 лютого, або близько 10 млн. варіантів. Це забезпечує найширший спектр спадкової мінливості і генетичну неповторність індивідів. Інший процес генетичної рекомбінації - кросинговер - обмін ділянками між гомологічними хромосомами. Частота кросинговеру пропорційна відстані між генами на хромосомі, причому кожен ген у нормі має на ній цілком визначене місце - локус.
Кількість генів на кожній з хромосом обчислюється багатьма тисячами. Загальне число генів у людини становить кілька десятків або навіть сотень тисяч. Кожен ген являє собою відрізок гігантського полімеру ДНК, основного носія спадкової інформації та головного структурного компоненту хромосом.
У 60-х роках 19 століття з ядер клітин було виділено речовину, що було названо нуклеїнової кислотою. У 40 роках 20 століття встановлено, що нуклеїнова кислота ДНК, відповідальна за передачу спадкової інформації. У 1953 році Уотсон і Крик повідомили про розшифрування молекулярної структури ДНК.
У кожному живому організмі присутні 2 типи нуклеїнових кислот - РНК і ДНК. Біологічна функція нуклеїнових кислот полягає в зберіганні, реплікації, рекомбінації і передачі генетичної інформації. Саме нуклеїнові кислоти визначають вид, форму, склад живої клітини та її функції. Всі нуклеїнові кислоти - високомолекулярні з'єднання. І РНК і ДНК складаються з мономерних одиниць - нуклеотидів. Кожний нуклеотид містить 3 хімічно різних компоненти: неорганічний фосфат, моносахарид і залишок пурину або піримідину, званий азотистим підставою. Ці складові частини з'єднані один з одним у такому порядку: фосфат-залишок моносахарида-азотна основа.
Моносахариди - важлива складова частина РНК - рибоза і ДНК - дезоксирибоза. Ці вуглеводи є пентози.
Азотисті основи - це:
-Пуринові: аденін і гуанін
-Піримідинів: цитозин, тимін, урацил.
Завдяки своїй гетероциклічної ароматичної природі пурини і піримідинові поглинають електромагнітну енергію в УФ діапазоні, максимум поглинання 260 нм. На цій властивості засновані лабораторні методи виявлення та кількісного визначення нуклеїнових кислот. Фосфатна група у складі органічної біомолекули зазвичай входить як компонент.
Структура нуклеозидів: фрагмент нуклеотиду, що представляє собою азотна основа з приєднаним до нього вуглеводним залишком, називають нуклеозидів.
Для найбільш поширених рибонуклеозид прийняті тривіальні назви: аденозин, гуанозин, уридин і цитозин. Зазвичай зустрічаються в ДНК дезоксірібонуклеозіди називаються дезоксіаденозін, дезоксигуанозина, дезоксицитидин і тимідин.
Нуклеотид представляє собою нуклеозид з приєднаною ефірним зв'язком до вуглеводного залишку фосфатної групою. Залежно від будови пентози все нуклеотиди ділять на рибонуклеотиди і дезоксирибонуклеотидів. Залежно від числа наявних залишків фосфорної кислоти розрізняють нуклеозідмонофосфати, нуклеозіддіфосфати і нуклеозидтрифосфат. Таким чином, сімейство аденозину включає АМФ, АДФ і АТФ.
Циклічні нуклеотиди.
Аденозин-3-5-цікломонофосфат - широко поширений. Адреналін активує фермент, відповідальний за синтез ц-АМФ, який контролює активність інших ферментів. Відомі ще 2 циклічних нуклеотиду: циклічний гуанозинмонофосфат і циклічний цітозінмонофосфат.
Саме послідовність азотистих основ вздовж сахарофосфатним ланцюга визначає унікальну структуру і функціональну індивідуальність молекул ДНК і РНК. Термін нуклеотидна послідовність і послідовність азотистих основ взаємозамінні.
Найбільш важлива наступна функція нуклеозидтрифосфатів: у всіх живих клітинах АТФ виступає в якості депо для зберігання і перенесення хімічної енергії (зрозуміло на молекулярному рівні). Процес перетворення АТФ на АДФ або АМФ становить молекулярну основу перенесення хімічної енергії всередині всіх живих клітин.
Нуклеїнові кислоти (структура полінуклеотидів)
Поліпептиди складаються з АК, сполучених пептидними зв'язками. Полінуклеотиди складаються з нуклеотидів, з'єднаних фосфоефірнимі зв'язками. І РНК і ДНК можна виділити з клітин, субклітинних фракцій. Для розділення суміші РНК і ДНК на компоненти використовуються різні методи: іонообмінна, адсорбційна гель-проникаюча і афінна хроматографія, а також електрофорез у поліакриламідному гелі.
Кожна РНК і ДНК має певний нуклеотидний склад, але він не є унікальною характеристикою структури. Унікальність визначається послідовністю підстав.
Для нуклеотидного складу ДНК відомі важливі загальні закономірності, відомі як правила Чаргаффа:
1.Чісло пуринових основ (А + G), дорівнює кількості піримідинових основ (Т + С). тобто співвідношення пуринів і піримідинів дорівнює одиниці).
2.Чісло залишків аденіну дорівнює кількості залишків тиміну, тобто ставлення аденіну до тимін дорівнює 1.
3. Число залишків гуаніну дорівнює числу залишків цитозину, т.е.отношеніе гуаніну до цитозину дорівнює одиниці.
Нуклеази, ферменти, що каталізують гідроліз нуклеїнових кислот. Ендонуклеази розщеплюють внутріцепочечние діефірние зв'язку, а екзонуклеазами діють на кінцеві діефірние зв'язку.
Відомо, що живі клітини містять 3 типи РНК, що виконують певні функції. РНК буває - 1) інформаційної - мРНК, 2) транспортної-тРНК і 3) рибосомной-рРНК.
Еукаріотичні клітини містять і інші типи РНК, функції яких ще не встановлені. Деякі з них виявлені в ядрі, інші в цитоплазмі.
Що стосується основних типів РНК з відомими функціями, то кожна з них виконує специфічну роль у складному процесі біосинтезу білка, при якому послідовність АК визначається нуклеотидної послідовністю ДНК.
У ході процесу, званого транскрипцією нуклеотидна послідовність гена в ДНК копіюється в молекулу РНК. Транскрипти генів рРНК використовуються в синтезі рибосом, нуклеотидні послідовності транскриптів мРНК є інструкції для синтезу поліпептидів на поверхні рибосом, а транскіпти іонів тРНК з'єднуються з АК, які потім переносять в рибосомних синтезує центр в порядку, зазначеному в мРНК (трансляція).
Інформаційні РНК представляють собою одноланцюгові молекули різної довжини. Найімовірніше молекула мРНК - це просто незамкнута ланцюжок. Характерна особливість будь-мРНК укладена в унікальній послідовності нуклеотидів, що містять азотисті основи. Кожен послідовно приєднаний набір з трьох нуклеотидів (кодон) забезпечує інформацію для послідовного приєднання АК при біосинтезі поліпептиду.
Наприклад, ДІВ забезпечує приєднання фенілаланіну, Айя - ізолейцин, ДАІ - аспарагінової кіслоти.Следующій тип РНК - транспортні. Кожна клітина містить кілька різних видів молекул тРНК, до 60.
Що ж собою являє матрична РНК? Початок білкового синтезу в інтактних клітинах іноді збігається в часі зі збільшенням кількості або швидкості оновлення цитоплазматичної РНК. Аналізуючи цей факт, виникла гіпотеза про матричної або інформаційної РНК. Це швидко змінюється РНК, що утворюється під час або перед початком білкового синтезу. Вона функціонує в якості посередника, що переносить генетичну інформацію від хромосомної ДНК на поверхню рибосом. Молекула матричної РНК містить повну генетичну інформацію, необхідну для специфічного синтезу однієї або кількох поліпептидних ланцюгів. Ця молекула зв'язується з рибосомами і служить робочої матрицею при білковому синтезі. Синтез матричної РНК - транскрипція. Необхідний фермент РНК-полімераза, ця реакція вимагає наявності іонів магнію і при цьому вивільняється пірофосфат. РНК-полімераза найбільш активна якщо в якості матриці використовується дволанцюжкова ДНК. Якщо ж у системі використовується одноланцюжкова або денатурована ДНК, то активність ферменту нижче.
Синтез РНК, що каталізує ДНК-залежною РНК-полімеразою специфічно пригнічується актиноміцин Д, який зв'язується з ДНК.
Де ж синтезується білок? У рибосомах. Рибосоми - мультімолекулярние агрегати, що складаються з білків і РНК (рРНК). Интактная рибосома являє собою комплекс з двох субодиниць. Інтактний комплекс може диссоциировать на субодиниці і далі з утворенням рРНК та ряду білків.
Розглянемо рибосоми як місце синтезу білка. Для з'ясування функцій рибосом проведені експерименти. Після введення радіоактивних АК тваринам, проведено забір печінки, її гомогенізірованіе і фракціонований методом диференціального центрифугування,. Далі зроблено аналіз і встановлено, що білки синтезуються спочатку у внутрішньоклітинних структурах, що утворюють мікросомную фракцію. У ході подальших досліджень рибосоми відокремлювали від ендоплазматичної мережі обробкою нейтральними розчинами жовчних кислот. Очищені таким шляхом рибосоми включають АК у синтезовані білки при інкубації з АТФ і іонами магнію.
Молекули транспортної РНК (розчинної РНК) найменші з усіх нуклеїнових кислот. Кожна транспортна РНК приєднується до певної АК, читання кодонів мРНК досягається тим, що в кожній тРНК унікальна трінуклеотідная послідовність - антикодон, послідовність якого комплементарна послідовності кодону.
Рибосоми складаються з двох субодиниць, до складу яких входять рибосомна РНК і білок. Відомо, що деякі рибосомні білки виконують каталітичні функції. Функція рРНК досі неясна. Ймовірно, вона і білки беруть участь у конформаційних зміни, які супроводжують біосинтез білка, коли нова поліпептидний ланцюг і мРНК переміщуються на рибосомі. Рибосоми повинні пов'язувати по-перше, матрицю (мРНК), по-друге, що будується поліпептидний ланцюг і в третіх, знову надходять молекули аміноацил-тРНК. Що таке полірібосоми? Якщо рибосоми виділяють в умовах, коли вони не піддаються дії рибонуклеаза або механічних впливів, то їх отримують у вигляді скупчення рибосом. Такі скупчення - полірібосоми. (Полісоми) Оскільки полісоми можна розчленувати на рибосоми, то ясно, що останні утримуються разом за допомогою ланцюга РНК. Оскільки число рибосом в полісоми пропорційно числу АК залишків у синтезованих поліпептидних ланцюгах, був зроблений висновок, що ланцюг РНК, що з'єднує рибосоми - це мРНК, яка зчитується одночасно декількома рибосомами, розташованими на деякій відстані одна від одної. Кожна окрема рибосома в полісоми здатна синтезувати повну поліпептидний ланцюг і не потребує присутності інших рибосом.
Білковий синтез
Схема ДНК - РНК - білок, 1 частина (ДНК - РНК) транскрипція, тобто біосинтез молекул РНК, нуклеотидна послідовність яких комплементарна якому-небудь ділянці (гену) молекули дволанцюжкової ДНК.
2 частина (РНК-білок) - це трансляція, біосинтез поліпептидних ланцюгів. Процес трансляції включає активацію та відбір АК, ініціацію синтезу поліпептидного ланцюга (впізнавання), елонгацію поліпептидного ланцюга (нарощування) і терминацию синтезу поліпептидного ланцюга (закінчення)
Таким чином, синтез поліпептидних ланцюгів протікає в декілька стадій. 1. Активація АК. 2. Ініціація поліпептидного ланцюга. 3.Елонгація.4. Термінація.
1.Перш стадія білкового синтезу, що називається стадією активації, яка протікає в розчинній частині цитоплазми.
2. На другій стадії утворюється ініціює комплекс.
3. На третій стадії білкового синтезу пептидна ланцюг подовжується (елонгація) шляхом послідовного приєднання нових аміноацільних залишків.
4.На останньої стадії синтез поліпептидного ланцюга закінчується (термінація). Сигналами термінації служать певні ділянки мРНК, коли при транслокації до них доходжіт чергу, синтез зупиняється і готова ланцюг відділяється від рибосоми.
Таким чином, синтез білка у еукаріотів протікає на рибосомах, пов'язаних з ендоплазматичної мережею. Синтез білка може здійснюватися також і в мітохондріях, що містять специфічну кільцеву ДНК, специфічні мітохондріальні форми мРНК і активують ферменти, а також рибосоми, подібні з рибосомами бактерій.
Вся програма хімічних процесів в організмі записана в ДНК, молекулярному сховище генетичної інформації. Розшифрована нуклеотидна послідовність ДНК і РНК, тобто первинна структура. У 1953 році Уотсон і Крик припустили, що молекула ДНК складається з двох правозакручена спіральних полінуклеотидних ланцюгів, переплетених один з одним і протилежно спрямованих. Отже, ДНК має первинної структурою - нуклеотидної послідовністю. Вторинною структурою - це 2 правозакручена спіральні полінуклеотидні ланцюга, переплетені один з одним і протилежно спрямовані. Двухцепочечную структуру стабілізують водневі зв'язки, електростатичні взаємодії. При різних хімічних та фізичних впливах дволанцюжкова ДНК може бути розкручена.
Дане відкриття зіграло вирішальну роль для біологічної науки 20 століття.
Припущення про взаємодію між азотистими підставами, поміщеними один навпроти одного, повністю відповідає правилу Чаргаффа. Пурин завжди пов'язаний водневими зв'язками з піримідинів (1:1). Аденін завжди пов'язаний з тиміном (А = Т), а гуанін завжди пов'язаний водневими зв'язками з цитозином (Г = Ц). Пари А = Т і Г = Ц називаються комплементарними парами основ. Більш того послідовність одного з ланцюжків повністю комплементарна послідовності другий. Протилежна полярність двох ланцюгів в дуплексі забезпечує просторову орієнтацію азотистих основ.
Двухцепочечную структуру ДНК стабілізують: водневі зв'язки між парами основ, електростатичні взаємодії з неорганічними протиіонами, гідрофобні взаємодії в щільно упакованих азотистих підставах
При різних хімічних або фізичних впливах дволанцюжкова ДНК може бути розкручена. Найпростіший спосіб - нагрівання. Підвищення оптичної щільності при 260 нм при нагріванні відомо як гіперхромний ефект.
Розглянемо ДНК з точки зору її здатності зберігати інформацію.
Чіткі аргументи на користь генетичної функції ДНК були отримані такими способами. Встановлено, що кількість ДНК в будь-якій клітці і організмі суворо постійно і не залежить від умов зовнішнього середовища. Від харчування або від впливу різних факторів, що впливають на метаболізм клітини, ця особливість ДНК цілком відповідає передбачуваним властивостями генетичного матеріалу. Зміст ДНК в клітині збільшується зі зростанням складності клітини і, отже, зі зростанням кількості генетичної інформації в клітині.
Кафедра ЕТТ
РЕФЕРАТ
На тему:
«Основні поняття про молекулярної біохімічної генетики»
МІНСЬК, 2008
Матеріальними носіями спадкової інформації від покоління до покоління у людини, як і у більшості організмів, є хромосоми клітинних ядер. Кожен біологічний вид характеризується певним числом і будовою хромосом, в сукупності складових хромосомний набір, або каріотип. Для соматичних клітин людини характерна наявність в каріотипі 46 хромосом, що становлять 23 пари. Каріотипи майбутнього організму визначаються в процесі запліднення яйцеклітини, коли при злитті жіночого і чоловічого пронуклеусов їх хромосомні набори (з 23 хромосом) об'єднуються в один подвійний, диплоїдний набір, з 46. Кожній хромосомі одинарного, гаплоїдного набору яйцеклітини відповідає гомологичная їй хромосома гаплоїдного набору сперматозоїда. Це правило поширюється на 22 з 23 хромосом - ці хромосоми-аутосоми. 23 хромосома у всіх яйцеклітинах однакова - це так звана Х-хромосома. Сперматозоїди розрізняються по 23 хромосомі: половина містить Х-, а половина У-хромосоми. При заплідненні яйцеклітини сперматозоїдом формується набір з 46 хромосом з двома Х-хромосомами, така запліднена яйцеклітина (зигота) дає початок жіночому організму. При заплідненні яйцеклітини У-сперматозоїдом формується каріотип ХУ, така зигота дає початок чоловічому організму.
Незалежно від статі, ріст і розвиток ембріона, плода, дитини відбувається шляхом мітозів - мітотичних поділів клітин. Є дві особливості мітотичного розмноження клітин: період між двома мітозами - інтерфаза. У ній відбувається подвоєння хромосом диплоїдного набору. На кожній хромосомі будується її точна копія. На наступному етапі такий набір розподіляється суворо порівну між двома дочірніми ядрами, кожне з яких отримує, таким чином, повний диплоїдний набір, в якому представлені копії всіх хромосом, отриманих як від яйцеклітини, так і від сперматозоїда. При поділках дозрівання статевих клітин на зміну мітозу приходить мейоз. Це складний процес. У мейозі відбувається 2 генетично важливі події - рекомбінації, тобто перегрупування хромосомного матеріалу. У результаті цього в числі 23 хромосом, що опинилися в одному дочірньому ядрі будуть різні поєднання хромосом материнського і батьківського походження. Число таких поєднань 23 лютого, або близько 10 млн. варіантів. Це забезпечує найширший спектр спадкової мінливості і генетичну неповторність індивідів. Інший процес генетичної рекомбінації - кросинговер - обмін ділянками між гомологічними хромосомами. Частота кросинговеру пропорційна відстані між генами на хромосомі, причому кожен ген у нормі має на ній цілком визначене місце - локус.
Кількість генів на кожній з хромосом обчислюється багатьма тисячами. Загальне число генів у людини становить кілька десятків або навіть сотень тисяч. Кожен ген являє собою відрізок гігантського полімеру ДНК, основного носія спадкової інформації та головного структурного компоненту хромосом.
У 60-х роках 19 століття з ядер клітин було виділено речовину, що було названо нуклеїнової кислотою. У 40 роках 20 століття встановлено, що нуклеїнова кислота ДНК, відповідальна за передачу спадкової інформації. У 1953 році Уотсон і Крик повідомили про розшифрування молекулярної структури ДНК.
У кожному живому організмі присутні 2 типи нуклеїнових кислот - РНК і ДНК. Біологічна функція нуклеїнових кислот полягає в зберіганні, реплікації, рекомбінації і передачі генетичної інформації. Саме нуклеїнові кислоти визначають вид, форму, склад живої клітини та її функції. Всі нуклеїнові кислоти - високомолекулярні з'єднання. І РНК і ДНК складаються з мономерних одиниць - нуклеотидів. Кожний нуклеотид містить 3 хімічно різних компоненти: неорганічний фосфат, моносахарид і залишок пурину або піримідину, званий азотистим підставою. Ці складові частини з'єднані один з одним у такому порядку: фосфат-залишок моносахарида-азотна основа.
Моносахариди - важлива складова частина РНК - рибоза і ДНК - дезоксирибоза. Ці вуглеводи є пентози.
Азотисті основи - це:
-Пуринові: аденін і гуанін
-Піримідинів: цитозин, тимін, урацил.
Завдяки своїй гетероциклічної ароматичної природі пурини і піримідинові поглинають електромагнітну енергію в УФ діапазоні, максимум поглинання 260 нм. На цій властивості засновані лабораторні методи виявлення та кількісного визначення нуклеїнових кислот. Фосфатна група у складі органічної біомолекули зазвичай входить як компонент.
Структура нуклеозидів: фрагмент нуклеотиду, що представляє собою азотна основа з приєднаним до нього вуглеводним залишком, називають нуклеозидів.
Для найбільш поширених рибонуклеозид прийняті тривіальні назви: аденозин, гуанозин, уридин і цитозин. Зазвичай зустрічаються в ДНК дезоксірібонуклеозіди називаються дезоксіаденозін, дезоксигуанозина, дезоксицитидин і тимідин.
Нуклеотид представляє собою нуклеозид з приєднаною ефірним зв'язком до вуглеводного залишку фосфатної групою. Залежно від будови пентози все нуклеотиди ділять на рибонуклеотиди і дезоксирибонуклеотидів. Залежно від числа наявних залишків фосфорної кислоти розрізняють нуклеозідмонофосфати, нуклеозіддіфосфати і нуклеозидтрифосфат. Таким чином, сімейство аденозину включає АМФ, АДФ і АТФ.
Циклічні нуклеотиди.
Аденозин-3-5-цікломонофосфат - широко поширений. Адреналін активує фермент, відповідальний за синтез ц-АМФ, який контролює активність інших ферментів. Відомі ще 2 циклічних нуклеотиду: циклічний гуанозинмонофосфат і циклічний цітозінмонофосфат.
Саме послідовність азотистих основ вздовж сахарофосфатним ланцюга визначає унікальну структуру і функціональну індивідуальність молекул ДНК і РНК. Термін нуклеотидна послідовність і послідовність азотистих основ взаємозамінні.
Найбільш важлива наступна функція нуклеозидтрифосфатів: у всіх живих клітинах АТФ виступає в якості депо для зберігання і перенесення хімічної енергії (зрозуміло на молекулярному рівні). Процес перетворення АТФ на АДФ або АМФ становить молекулярну основу перенесення хімічної енергії всередині всіх живих клітин.
Нуклеїнові кислоти (структура полінуклеотидів)
Поліпептиди складаються з АК, сполучених пептидними зв'язками. Полінуклеотиди складаються з нуклеотидів, з'єднаних фосфоефірнимі зв'язками. І РНК і ДНК можна виділити з клітин, субклітинних фракцій. Для розділення суміші РНК і ДНК на компоненти використовуються різні методи: іонообмінна, адсорбційна гель-проникаюча і афінна хроматографія, а також електрофорез у поліакриламідному гелі.
Кожна РНК і ДНК має певний нуклеотидний склад, але він не є унікальною характеристикою структури. Унікальність визначається послідовністю підстав.
Для нуклеотидного складу ДНК відомі важливі загальні закономірності, відомі як правила Чаргаффа:
1.Чісло пуринових основ (А + G), дорівнює кількості піримідинових основ (Т + С). тобто співвідношення пуринів і піримідинів дорівнює одиниці).
2.Чісло залишків аденіну дорівнює кількості залишків тиміну, тобто ставлення аденіну до тимін дорівнює 1.
3. Число залишків гуаніну дорівнює числу залишків цитозину, т.е.отношеніе гуаніну до цитозину дорівнює одиниці.
Нуклеази, ферменти, що каталізують гідроліз нуклеїнових кислот. Ендонуклеази розщеплюють внутріцепочечние діефірние зв'язку, а екзонуклеазами діють на кінцеві діефірние зв'язку.
Відомо, що живі клітини містять 3 типи РНК, що виконують певні функції. РНК буває - 1) інформаційної - мРНК, 2) транспортної-тРНК і 3) рибосомной-рРНК.
Еукаріотичні клітини містять і інші типи РНК, функції яких ще не встановлені. Деякі з них виявлені в ядрі, інші в цитоплазмі.
Що стосується основних типів РНК з відомими функціями, то кожна з них виконує специфічну роль у складному процесі біосинтезу білка, при якому послідовність АК визначається нуклеотидної послідовністю ДНК.
У ході процесу, званого транскрипцією нуклеотидна послідовність гена в ДНК копіюється в молекулу РНК. Транскрипти генів рРНК використовуються в синтезі рибосом, нуклеотидні послідовності транскриптів мРНК є інструкції для синтезу поліпептидів на поверхні рибосом, а транскіпти іонів тРНК з'єднуються з АК, які потім переносять в рибосомних синтезує центр в порядку, зазначеному в мРНК (трансляція).
Інформаційні РНК представляють собою одноланцюгові молекули різної довжини. Найімовірніше молекула мРНК - це просто незамкнута ланцюжок. Характерна особливість будь-мРНК укладена в унікальній послідовності нуклеотидів, що містять азотисті основи. Кожен послідовно приєднаний набір з трьох нуклеотидів (кодон) забезпечує інформацію для послідовного приєднання АК при біосинтезі поліпептиду.
Наприклад, ДІВ забезпечує приєднання фенілаланіну, Айя - ізолейцин, ДАІ - аспарагінової кіслоти.Следующій тип РНК - транспортні. Кожна клітина містить кілька різних видів молекул тРНК, до 60.
Що ж собою являє матрична РНК? Початок білкового синтезу в інтактних клітинах іноді збігається в часі зі збільшенням кількості або швидкості оновлення цитоплазматичної РНК. Аналізуючи цей факт, виникла гіпотеза про матричної або інформаційної РНК. Це швидко змінюється РНК, що утворюється під час або перед початком білкового синтезу. Вона функціонує в якості посередника, що переносить генетичну інформацію від хромосомної ДНК на поверхню рибосом. Молекула матричної РНК містить повну генетичну інформацію, необхідну для специфічного синтезу однієї або кількох поліпептидних ланцюгів. Ця молекула зв'язується з рибосомами і служить робочої матрицею при білковому синтезі. Синтез матричної РНК - транскрипція. Необхідний фермент РНК-полімераза, ця реакція вимагає наявності іонів магнію і при цьому вивільняється пірофосфат. РНК-полімераза найбільш активна якщо в якості матриці використовується дволанцюжкова ДНК. Якщо ж у системі використовується одноланцюжкова або денатурована ДНК, то активність ферменту нижче.
Синтез РНК, що каталізує ДНК-залежною РНК-полімеразою специфічно пригнічується актиноміцин Д, який зв'язується з ДНК.
Де ж синтезується білок? У рибосомах. Рибосоми - мультімолекулярние агрегати, що складаються з білків і РНК (рРНК). Интактная рибосома являє собою комплекс з двох субодиниць. Інтактний комплекс може диссоциировать на субодиниці і далі з утворенням рРНК та ряду білків.
Розглянемо рибосоми як місце синтезу білка. Для з'ясування функцій рибосом проведені експерименти. Після введення радіоактивних АК тваринам, проведено забір печінки, її гомогенізірованіе і фракціонований методом диференціального центрифугування,. Далі зроблено аналіз і встановлено, що білки синтезуються спочатку у внутрішньоклітинних структурах, що утворюють мікросомную фракцію. У ході подальших досліджень рибосоми відокремлювали від ендоплазматичної мережі обробкою нейтральними розчинами жовчних кислот. Очищені таким шляхом рибосоми включають АК у синтезовані білки при інкубації з АТФ і іонами магнію.
Молекули транспортної РНК (розчинної РНК) найменші з усіх нуклеїнових кислот. Кожна транспортна РНК приєднується до певної АК, читання кодонів мРНК досягається тим, що в кожній тРНК унікальна трінуклеотідная послідовність - антикодон, послідовність якого комплементарна послідовності кодону.
Рибосоми складаються з двох субодиниць, до складу яких входять рибосомна РНК і білок. Відомо, що деякі рибосомні білки виконують каталітичні функції. Функція рРНК досі неясна. Ймовірно, вона і білки беруть участь у конформаційних зміни, які супроводжують біосинтез білка, коли нова поліпептидний ланцюг і мРНК переміщуються на рибосомі. Рибосоми повинні пов'язувати по-перше, матрицю (мРНК), по-друге, що будується поліпептидний ланцюг і в третіх, знову надходять молекули аміноацил-тРНК. Що таке полірібосоми? Якщо рибосоми виділяють в умовах, коли вони не піддаються дії рибонуклеаза або механічних впливів, то їх отримують у вигляді скупчення рибосом. Такі скупчення - полірібосоми. (Полісоми) Оскільки полісоми можна розчленувати на рибосоми, то ясно, що останні утримуються разом за допомогою ланцюга РНК. Оскільки число рибосом в полісоми пропорційно числу АК залишків у синтезованих поліпептидних ланцюгах, був зроблений висновок, що ланцюг РНК, що з'єднує рибосоми - це мРНК, яка зчитується одночасно декількома рибосомами, розташованими на деякій відстані одна від одної. Кожна окрема рибосома в полісоми здатна синтезувати повну поліпептидний ланцюг і не потребує присутності інших рибосом.
Білковий синтез
Схема ДНК - РНК - білок, 1 частина (ДНК - РНК) транскрипція, тобто біосинтез молекул РНК, нуклеотидна послідовність яких комплементарна якому-небудь ділянці (гену) молекули дволанцюжкової ДНК.
2 частина (РНК-білок) - це трансляція, біосинтез поліпептидних ланцюгів. Процес трансляції включає активацію та відбір АК, ініціацію синтезу поліпептидного ланцюга (впізнавання), елонгацію поліпептидного ланцюга (нарощування) і терминацию синтезу поліпептидного ланцюга (закінчення)
Таким чином, синтез поліпептидних ланцюгів протікає в декілька стадій. 1. Активація АК. 2. Ініціація поліпептидного ланцюга. 3.Елонгація.4. Термінація.
1.Перш стадія білкового синтезу, що називається стадією активації, яка протікає в розчинній частині цитоплазми.
2. На другій стадії утворюється ініціює комплекс.
3. На третій стадії білкового синтезу пептидна ланцюг подовжується (елонгація) шляхом послідовного приєднання нових аміноацільних залишків.
4.На останньої стадії синтез поліпептидного ланцюга закінчується (термінація). Сигналами термінації служать певні ділянки мРНК, коли при транслокації до них доходжіт чергу, синтез зупиняється і готова ланцюг відділяється від рибосоми.
Таким чином, синтез білка у еукаріотів протікає на рибосомах, пов'язаних з ендоплазматичної мережею. Синтез білка може здійснюватися також і в мітохондріях, що містять специфічну кільцеву ДНК, специфічні мітохондріальні форми мРНК і активують ферменти, а також рибосоми, подібні з рибосомами бактерій.
Вся програма хімічних процесів в організмі записана в ДНК, молекулярному сховище генетичної інформації. Розшифрована нуклеотидна послідовність ДНК і РНК, тобто первинна структура. У 1953 році Уотсон і Крик припустили, що молекула ДНК складається з двох правозакручена спіральних полінуклеотидних ланцюгів, переплетених один з одним і протилежно спрямованих. Отже, ДНК має первинної структурою - нуклеотидної послідовністю. Вторинною структурою - це 2 правозакручена спіральні полінуклеотидні ланцюга, переплетені один з одним і протилежно спрямовані. Двухцепочечную структуру стабілізують водневі зв'язки, електростатичні взаємодії. При різних хімічних та фізичних впливах дволанцюжкова ДНК може бути розкручена.
Дане відкриття зіграло вирішальну роль для біологічної науки 20 століття.
Припущення про взаємодію між азотистими підставами, поміщеними один навпроти одного, повністю відповідає правилу Чаргаффа. Пурин завжди пов'язаний водневими зв'язками з піримідинів (1:1). Аденін завжди пов'язаний з тиміном (А = Т), а гуанін завжди пов'язаний водневими зв'язками з цитозином (Г = Ц). Пари А = Т і Г = Ц називаються комплементарними парами основ. Більш того послідовність одного з ланцюжків повністю комплементарна послідовності другий. Протилежна полярність двох ланцюгів в дуплексі забезпечує просторову орієнтацію азотистих основ.
Двухцепочечную структуру ДНК стабілізують: водневі зв'язки між парами основ, електростатичні взаємодії з неорганічними протиіонами, гідрофобні взаємодії в щільно упакованих азотистих підставах
При різних хімічних або фізичних впливах дволанцюжкова ДНК може бути розкручена. Найпростіший спосіб - нагрівання. Підвищення оптичної щільності при 260 нм при нагріванні відомо як гіперхромний ефект.
Розглянемо ДНК з точки зору її здатності зберігати інформацію.
Чіткі аргументи на користь генетичної функції ДНК були отримані такими способами. Встановлено, що кількість ДНК в будь-якій клітці і організмі суворо постійно і не залежить від умов зовнішнього середовища. Від харчування або від впливу різних факторів, що впливають на метаболізм клітини, ця особливість ДНК цілком відповідає передбачуваним властивостями генетичного матеріалу. Зміст ДНК в клітині збільшується зі зростанням складності клітини і, отже, зі зростанням кількості генетичної інформації в клітині.
Одним з найбільш вагомих аргументів на користь генетичної функції ДНК є дані про те, що препарати ДНК, виділені з різних тканин одного і того ж організму, мають однаковий нуклеотидний склад. У різних видів він відмінний. Таким чином, нуклеотидний складу ДНК в організму даного виду не залежить від віку організму, умов харчування і зовнішнього середовища. ДНК близьких видів мають подібний нуклеотидний складу, а еволюційно віддалені організми помітно відрізняються один від одного за своїм нуклеотидного складу.
Число піримідинових залишків дорівнює числу пуринових залишків.
Відповідно до моделі Уотсона і Крику молекула ДНК складається з двох правозакручена полінуклеотидних кіл, які мають спільну вісь. Дві полінуклеотидні ланцюга в подвійній спіралі ДНК відрізняються одна від одної як послідовністю підстав, так і нуклеотидним складом. Ланцюги комплементарні один одному. Модель Уотсона і Крику пояснює, що реплікація ДНК у клітині відбувається в результаті поділу двох ланцюгів і подальшого синтезу двох нових ..
Клітини еукаріотів містять в ядрі кілька або багато хромосом (залежно від виду організму) причому в кожній хромосомі міститься одна або декілька молекул ДНК. У мітохондріях еукаріотів міститься невелика кількість ДНК, ця ДНК відрізняється від ядерної зброї ". Мітохондріальна ДНК - дволанцюжкова, зазвичай кільцева.
Денатурація дволанцюжкової спіралі ДНК відбувається:
При екстремальних значеннях рН, при нагріванні, применшення електричної постійної водного середовища, при обробці амідами карбонових кислот, сечовиною. У процесі денатурації всі ковалентні зв'язки в ДНК зберігаються. Таким чином, можна зробити висновок, що ДНК є генетичний матеріал хромосом.
Як же відбувається реплікація ДНК? Які її ферментативні механізми? За участю ферменту ДНК полімерази каталізується система синтезу. Ця реакція протікає тільки в присутності деякої кількості перетвореної ДНК. У її відсутність фермент нездатний синтезувати полімер.
Змінена ДНК також служить і матрицею на якій фермент будує паралельну ланцюг ДНК, комплементарную перетвореної ДНК за складом і послідовності підстав.
Що таке репарація ДНК?
Є дані, що є ферменти, здатні ліквідувати розриви, що виникають в ДНК під впливом випадкових впливів. Такі розриви, ймовірно, реплицируются ферменту ДНК-лігази. Також є дані, що реплікація ДНК, далеких даній клітині, запобігається внаслідок руйнування ендогенними нуклеазами.
Цикл елонгації протікає в 3 етапи:
Знову надходить аміноацил тРНК зв'язується з аміноацільним ділянкою повного рибосомного комплексу, розташованого біля наступного по порядку кодону мРНК.
Для цього процесу зв'язування потрібно ГТФ і специфічний цитоплазматичний білок (фактор Т).
У результаті взаємодії аміногрупи аміноацил тРНК утворюється пептидний зв'язок. Вивільнювана транспортна РНК залишається пов'язаної в пептідільном ділянці. Для цього потрібно фермент пептіділтрансфераза, який є частиною субодиниці рибосоми.
На 3 етапі циклу елонгації пептидил тРНК фізично переміщається з аміноацільного ділянки на пептідільний, витісняючи з нього "порожню" тРНК. На цій стадії необхідний специфічний білок - фактор G. При кожному акті транслокації пептидил тРНК з рибосомою зв'язується новий комплекс фактора G з ГТФ. Одночасно з транслокацією пептидил тРНК відбувається і транслокація мРНК вздовж рибосоми на один колдон.
Завершення синтезу поліпептидного ланцюга та її відділення від рибосоми відбувається шляхом окремі етапи якого ще не вивчені. Сигнал про закінчення синтезу поліпептидного ланцюга подається 3 спеціальними терминирующего кодонами в мРНК. Відділення поліпептидів тРНК від рибосоми після досягнення терминирующего кодону здійснюється за допомогою специфічного чинника звільнення (фактора R), який пов'язаний з рибосомою і полегшує гідроліз складноефірний зв'язку між поліпептидом і тРНК. Потім рибосома сходить з мРНК і після дисоціації на субодиниці може включатися в новий цикл.
Регуляція синтезу білка
Основною умовою існування будь-яких живих організмів є наявність тонкої, гнучкою, узгоджено діючої системи регулювання, в якій всі елементи тісно пов'язані один з одним. У білковому синтезі не тільки кількісний і якісний склад білків, але й час синтезу має пряме відношення до багатьох проявів життя.
Клітини живих організмів у змозі синтезувати величезна кількість різноманітних білків, однак вони ніколи не синтезують всі білки. Кількість і різноманітність визначається частки їх участі у метаболізмі. Синтез білка контролюється аллостеріческій. Регулюється зовнішніми і внутрішніми умовами.
Жакоб і Мано сформулювали гіпотезу, що зв'язує функціонування структурних та регуляторних генів. Ця гіпотеза дозволяє пояснити як індукцію, так і репресію ферментів на основі одного механізма.Согласно цій гіпотезі репресія ферментів - основний процес, тоді як індукція - зняття репресії.
Відповідно до теорії Жакоба і Мано в біосинтезі білка беруть участь 3 типу генів: структурні гени, ген-регулятор і ген-оператор.
Структурні гени визначають первинну структуру синтезованого білка. Саме ці гени в ланцюзі ДНК є основною матрицею для біосинтезу мРНК, що потім надходить у рибосому. Синтез мРНК на структурних генах молекули ДНК контролюється певною ділянкою, званим оператором. Він служить як би пусковим механізмом для функціонування структурних генів.
Структурний ген кодує амінокислотну послідовність даного ферменту, синтез цього ферменту відбувається тільки в тому випадку, якщо регуляторний ген не репресує його, тобто цей ген не працює. Для пояснення репресcіі було постульовано, що регуляторний ген кодує амінокислотну послідовність специфічного білка, названого репрессором. Молекула репрессора дифундує від рибосом, де вона синтезується і утворює специфічний комплекс за участю ДНК, відповідним структурним гену того ферменту, який контролюється репрессором. Відповідно до гіпотези, молекула репрессора містить центр зв'язування, специфічний для ділянки ДНК. Молекула репрессора зазвичай знаходиться у вільному (активному "стані, в якому вона зв'язується з оператором, придушуючи транскрипцію структурного гена. Якщо ж у клітині є індуктор, то утворюється неактивний комплекс репрессор-індуктор, який нездатний зв'язуватися зі специфічним ділянкою ДНК (оператором) і на здатний інгібувати транскрипцію структурного гена. У результаті починається транскрипція структурного гена і відбувається синтез ферменту. Згідно з гіпотезою взаємодія між репрессором і індуктором оборотно. Таким чином, молекула репрессора повинна мати 2 специфічних центру зв'язування: один для індуктора і інший для оператора. Центр зв'язування з оператором активний тільки в тому випадку, якщо центр зв'язування з індуктором вільний. Для пояснення репресії було постульовано, що в таких системах молекула репрессора у вільному стані неактивна і стає активною після зв'язування з репресують метаболітом, який отримав назву корепрессора. Комплекс репрессор-корепрессор зв'язується з операторних локусом відповідного гена і, таким чином, пригнічує синтез матричної РНК.
Отже гіпотеза Жакоба і Мано постулює існування двох класів білкових репрессором: один з них використовується у індуцибельних, а інший - у репрессібельних системах. Обидва типи репрессором містять по 2 ділянки зв'язування, один з яких специфічний для операторного локусу
Жакоб і Мано узагальнили свою модель регуляції білкового синтезу для випадку координованої репресії, при якій один і той же репрессор може пригнічувати синтез групи ферментів і для випадку координованої індукції, коли він кілька ферментів можуть бути індуковані одним і тим же індуктором.
Таким чином, концентрація деяких ферментів зростає при додаванні субстратів цих ферментів, це явище називається адаптацією або індукцією ферменту. Концентрація ферментів може зменшуватися в присутності кінцевих продуктів реакцій, що каталізуються цими ферментами, цей ефект називається репресією ферментів. Індукція і репресія ферментів взаємопов'язані. Індукція - це зняття репресії.
Індуцибельних і репрессібельние системи контролюються генами трьох типів:
Це структурні гени, що кодують амінокислотну послідовність ферменту
Регуляторні гени, що кодують білок-репрессор
Ген-оператор, з яким специфічно зв'язується репрессор.
Молекули індукуючого агента мають здатність специфічно зв'язуватися з білком репрессором. Утворений при цьому комплекс репрессор індуктор вже не може взаємодіяти з оператором, що призводить до активації транскрипції структурного гена. Група функціонально взаємопов'язаних генів називається опероном. Гени, що входять до складу даного оперона, активуються або репресуються одночасно. Кожен оперон має оператор.
Діяльність оперона перебуває під контролем гена-регулятора. Оскільки структурні гени і ген-регулятор знаходяться на різних ділянках ланцюга ДНК, зв'язок між ними здійснюється за допомогою речовини посередника, репрессора. Репрессор має спорідненість до оператора і можна зупинити з'єднується з ним в комплексі. Освіта комплексу блокує синтез мРНК, а отже синтез білка. Таким чином, функція гена-регулятора - "забороняти" діяльність оперона, який синтезує мРНК. Репрессор має здатність суворо специфічно зв'язуватися з певними низькомолекулярними речовинами, званими індукторами або ефекторами. Коли такий індуктор з'єднується з репрессором, останній втрачає здатність зв'язуватися з геном оператором, який виходить з-під контролю гена-регулятора, і починається синтез мРНК
У живих клітинах повинні функціонувати точно запрограмовані механізми, що забезпечують потрібні співвідношення між кількостями різних синтезованих білків. Наприклад, кількість ферментів, що каталізують реакції основного метаболічного шляху, повинна перевищувати число молекул ферментів, відповідальних за синтез коферментів, які необхідні в слідових кількостях. Можливість регулювання швидкості синтезу різних ферментів дозволяє клітині економити РНК та білки.
Такі теоретичні моделі та гіпотези про природу регуляторних процесів біосинтезу білка.
Генетичний код
Однією з найбільш інтригуючих головоломок молекулярної біології було з'ясування питання яким чином чотирибуквений "мова" ДНК, що містить всього 4 різних азотистих основи (А, Г, Ц, Т) перекладається на двадцатібуквенную мова білків через освіту м РНК. З чого складається код? Код не може складатися з одного нуклеотиду, оскільки тільки 4 амінокислоти можуть кодуватися. Також код не може бути дуплетним, комбінація двох нуклеотидів з чотирибуквене "алфавіту" не може охопити всіх АК, тому що подібних комбінацій 16 (4 2 = 16), а до складу білка входять 20 АК.
Для кодування всіх АК білкової молекули потрібен триплетних код, де число можливих комбінацій - 64 (4 3 = 64). Генетичний код для АК є виродженим, це означає, що більшість АК кодується кількома кодонами. Виродженість коду неоднакова для різних АК. Виродженість частіше за все стосується тільки третього нуклеотиду, в той час як майже для всіх АК перші 2 нуклеотиду є загальними. Вона несе біологічний сенс:, тому що в процесі мутації різні АК можуть бути замінені, найбільш цінні відбираються в процесі еволюції.
Інша відмінна риса генетичного коду - відсутність "знаків пунктуації", тобто сигналів, які вказують на кінець одного кодону і початок іншого. Іншими словами код є лінійним, односпрямованим і непереривчастим. Це забезпечує синтез у вищій мірі впорядкованої послідовності молекули білків.
Третя істотна особливість коду полягає в тому, що 3 триплетів не кодують амінокислоти, вони використовуються як закінчення синтезу (термінації) поліпептидного ланцюга.
Код універсальний для всіх живих організмів, від інфузорій до людини. Можна зробити висновок, що "генетичний мова" в основному, однаковий для всіх видів, але можливі невеликі видові відхилення, що виникли, ймовірно, в процесі еволюції і диференціювання.
Таким чином, в ДНК є 4 різних основани, спочатку кодують всю інформацію. Триплетного коду призводить до існування 64 різних трінуклеотідних послідовностей (4 * 4 * 4). Природа коду триплетних - кожна амінокислота програмується в мРНК трьома підставами, названими кодонами. З простих математичних випливало, що кожна АК кодується невеликим числом послідовно розташованих нуклеотидних залишків в ланцюзі ДНК. Для кодування однієї АК потрібно більше одного нуклеотиду, оскільки в ДНК виявлено 4 типи підстав, а в білках 20 різних амінокислот. Далі, оскільки з 4 нуклеотидів (А, Г, Ц, Т) можливе лише 16 різних сполучень по 2 нуклеотиду (4 2 = 16), кодове "слово" для АК має складатися більш ніж з двох літер. За допомогою чотирьох різних підстав, взятих в комбінаціях по три, можливо закодувати 64 (4 3) різні АК. Таким чином, триплетних код достатній для кодування всіх 20 амінокислот, що входять до складу природних білків.
Характерні особливості генетичного коду.
Генетичний код виродилися, що означає, що майже кожної АК (крім триптофану і метіоніну) відповідає більш ніж один кодон. Термін вироджений, не означає неточний, оскільки один кодон не може кодувати більше однієї АК. Виродженість генетичного коду має важливе біологічне значення. Існує нерівномірність вирожденність коду. Наприклад, код для серину і лейцину виродилися шестикратно, тобто є 6 кодонів для серину і 6 - для лейцину, тоді як для багатьох інших амінокислот (глутамінова кислота, тирозин, гістидин) код характеризується лише дворазової виродження.
У багатьох випадках вирожденність зачіпає тільки третє підставу у кодоні. Наприклад, аланін кодується: 2 перших підстави однакові для всіх чотирьох кодонів аланіну. Іноді, якщо 2 амінокислоти мають кодони, в яких 2 перших підстави однакові, то третє може бути тільки пурин або піримідин.
Інша істотна особливість генетичного коду полягає в тому, що в ньому повністю відсутні "сигнали" вказують на кінець і початок іншого (тобто розділові знаки). Тому зчитування повинно починатися з певного місця молекули матричної РНК і тривати послідовно від одного триплетів до іншого, інакше нуклеотидна послідовність у всіх кодонах виявиться зміненою, що в свою чергу призведе до утворення білка з перекрученою АК послідовністю.
Третя істотна особливість коду полягає в тому, що з 64 кодонів -3 не кодують АК. Вони використовуються в якості сигналу закінчення синтезу (термінації поліпептидного ланцюга).
Універсальність коду. Триплети, що кодують одну і ту ж саму АК однакові у людини, рослин тютюну та інфузорій. Ряд експериментів підтверджує висновок про універсальність коду. Можна зробити висновок, що "генетичний мова" в основному однаковий для всіх видів, але можливі невеликі видові відхилення, що виникли, ймовірно в процесі еволюції і диференціювання.
Виродженість генетичного коду забезпечує організмам селективну перевагу. Якби 20 АК кодувалося тільки 20 з 64 можливих кодонів, то більшість мутацій в кодують триплетів призводило б до виникнення безглуздих триплетів на кодують АК. При існуючому генетичному колі мутація викликає поява кодону зі зміненим змістом, що кодує іншу АК або кодону синоніма. Мутантний білок при цьому виявляється не тільки функціонально повноцінним, а й навіть корисним. Виродженість коду сприяє вдосконаленню геному та його продуктів, оскільки в результаті мутації відбуваються різні АК заміни з яких у процесі еволюції відбираються найбільш цінні для виживання.
Незважаючи на універсальність коду, відносний вміст чотирьох підстав в ДНК може істотно варіювати від виду до виду.
Як ми вже відзначали, в генетичному коді відсутні "коми" між сусідніми кодонами, але є спеціальні знаки, що відзначають початок і кінець поліпептидного ланцюга.
Три триплетів (УАГ, УАА І УГА) взагалі не кодують АК. Вони ідентифіковані як сигнали термінації, тобто закінчення синтезу поліпептидного ланцюга. У поліпептидних ланцюгах деяких білків містяться АК, для яких немає відповідних "слів" в генетичному коді. Ці "некодіруемие" АК є похідними "звичайних" АК, яким відповідають певні кодони. Ці рідкісні АК утворюються в результаті ферментативної модифікації з АК, похідними яких вони є вже після того, як ці амінокислоти включилися в поліпепдідную ланцюг відповідно з кодом.
ЛІТЕРАТУРА
Число піримідинових залишків дорівнює числу пуринових залишків.
Відповідно до моделі Уотсона і Крику молекула ДНК складається з двох правозакручена полінуклеотидних кіл, які мають спільну вісь. Дві полінуклеотидні ланцюга в подвійній спіралі ДНК відрізняються одна від одної як послідовністю підстав, так і нуклеотидним складом. Ланцюги комплементарні один одному. Модель Уотсона і Крику пояснює, що реплікація ДНК у клітині відбувається в результаті поділу двох ланцюгів і подальшого синтезу двох нових ..
Клітини еукаріотів містять в ядрі кілька або багато хромосом (залежно від виду організму) причому в кожній хромосомі міститься одна або декілька молекул ДНК. У мітохондріях еукаріотів міститься невелика кількість ДНК, ця ДНК відрізняється від ядерної зброї ". Мітохондріальна ДНК - дволанцюжкова, зазвичай кільцева.
Денатурація дволанцюжкової спіралі ДНК відбувається:
При екстремальних значеннях рН, при нагріванні, применшення електричної постійної водного середовища, при обробці амідами карбонових кислот, сечовиною. У процесі денатурації всі ковалентні зв'язки в ДНК зберігаються. Таким чином, можна зробити висновок, що ДНК є генетичний матеріал хромосом.
Як же відбувається реплікація ДНК? Які її ферментативні механізми? За участю ферменту ДНК полімерази каталізується система синтезу. Ця реакція протікає тільки в присутності деякої кількості перетвореної ДНК. У її відсутність фермент нездатний синтезувати полімер.
Змінена ДНК також служить і матрицею на якій фермент будує паралельну ланцюг ДНК, комплементарную перетвореної ДНК за складом і послідовності підстав.
Що таке репарація ДНК?
Є дані, що є ферменти, здатні ліквідувати розриви, що виникають в ДНК під впливом випадкових впливів. Такі розриви, ймовірно, реплицируются ферменту ДНК-лігази. Також є дані, що реплікація ДНК, далеких даній клітині, запобігається внаслідок руйнування ендогенними нуклеазами.
Цикл елонгації протікає в 3 етапи:
Знову надходить аміноацил тРНК зв'язується з аміноацільним ділянкою повного рибосомного комплексу, розташованого біля наступного по порядку кодону мРНК.
Для цього процесу зв'язування потрібно ГТФ і специфічний цитоплазматичний білок (фактор Т).
У результаті взаємодії аміногрупи аміноацил тРНК утворюється пептидний зв'язок. Вивільнювана транспортна РНК залишається пов'язаної в пептідільном ділянці. Для цього потрібно фермент пептіділтрансфераза, який є частиною субодиниці рибосоми.
На 3 етапі циклу елонгації пептидил тРНК фізично переміщається з аміноацільного ділянки на пептідільний, витісняючи з нього "порожню" тРНК. На цій стадії необхідний специфічний білок - фактор G. При кожному акті транслокації пептидил тРНК з рибосомою зв'язується новий комплекс фактора G з ГТФ. Одночасно з транслокацією пептидил тРНК відбувається і транслокація мРНК вздовж рибосоми на один колдон.
Завершення синтезу поліпептидного ланцюга та її відділення від рибосоми відбувається шляхом окремі етапи якого ще не вивчені. Сигнал про закінчення синтезу поліпептидного ланцюга подається 3 спеціальними терминирующего кодонами в мРНК. Відділення поліпептидів тРНК від рибосоми після досягнення терминирующего кодону здійснюється за допомогою специфічного чинника звільнення (фактора R), який пов'язаний з рибосомою і полегшує гідроліз складноефірний зв'язку між поліпептидом і тРНК. Потім рибосома сходить з мРНК і після дисоціації на субодиниці може включатися в новий цикл.
Регуляція синтезу білка
Основною умовою існування будь-яких живих організмів є наявність тонкої, гнучкою, узгоджено діючої системи регулювання, в якій всі елементи тісно пов'язані один з одним. У білковому синтезі не тільки кількісний і якісний склад білків, але й час синтезу має пряме відношення до багатьох проявів життя.
Клітини живих організмів у змозі синтезувати величезна кількість різноманітних білків, однак вони ніколи не синтезують всі білки. Кількість і різноманітність визначається частки їх участі у метаболізмі. Синтез білка контролюється аллостеріческій. Регулюється зовнішніми і внутрішніми умовами.
Жакоб і Мано сформулювали гіпотезу, що зв'язує функціонування структурних та регуляторних генів. Ця гіпотеза дозволяє пояснити як індукцію, так і репресію ферментів на основі одного механізма.Согласно цій гіпотезі репресія ферментів - основний процес, тоді як індукція - зняття репресії.
Відповідно до теорії Жакоба і Мано в біосинтезі білка беруть участь 3 типу генів: структурні гени, ген-регулятор і ген-оператор.
Структурні гени визначають первинну структуру синтезованого білка. Саме ці гени в ланцюзі ДНК є основною матрицею для біосинтезу мРНК, що потім надходить у рибосому. Синтез мРНК на структурних генах молекули ДНК контролюється певною ділянкою, званим оператором. Він служить як би пусковим механізмом для функціонування структурних генів.
Структурний ген кодує амінокислотну послідовність даного ферменту, синтез цього ферменту відбувається тільки в тому випадку, якщо регуляторний ген не репресує його, тобто цей ген не працює. Для пояснення репресcіі було постульовано, що регуляторний ген кодує амінокислотну послідовність специфічного білка, названого репрессором. Молекула репрессора дифундує від рибосом, де вона синтезується і утворює специфічний комплекс за участю ДНК, відповідним структурним гену того ферменту, який контролюється репрессором. Відповідно до гіпотези, молекула репрессора містить центр зв'язування, специфічний для ділянки ДНК. Молекула репрессора зазвичай знаходиться у вільному (активному "стані, в якому вона зв'язується з оператором, придушуючи транскрипцію структурного гена. Якщо ж у клітині є індуктор, то утворюється неактивний комплекс репрессор-індуктор, який нездатний зв'язуватися зі специфічним ділянкою ДНК (оператором) і на здатний інгібувати транскрипцію структурного гена. У результаті починається транскрипція структурного гена і відбувається синтез ферменту. Згідно з гіпотезою взаємодія між репрессором і індуктором оборотно. Таким чином, молекула репрессора повинна мати 2 специфічних центру зв'язування: один для індуктора і інший для оператора. Центр зв'язування з оператором активний тільки в тому випадку, якщо центр зв'язування з індуктором вільний. Для пояснення репресії було постульовано, що в таких системах молекула репрессора у вільному стані неактивна і стає активною після зв'язування з репресують метаболітом, який отримав назву корепрессора. Комплекс репрессор-корепрессор зв'язується з операторних локусом відповідного гена і, таким чином, пригнічує синтез матричної РНК.
Отже гіпотеза Жакоба і Мано постулює існування двох класів білкових репрессором: один з них використовується у індуцибельних, а інший - у репрессібельних системах. Обидва типи репрессором містять по 2 ділянки зв'язування, один з яких специфічний для операторного локусу
Жакоб і Мано узагальнили свою модель регуляції білкового синтезу для випадку координованої репресії, при якій один і той же репрессор може пригнічувати синтез групи ферментів і для випадку координованої індукції, коли він кілька ферментів можуть бути індуковані одним і тим же індуктором.
Таким чином, концентрація деяких ферментів зростає при додаванні субстратів цих ферментів, це явище називається адаптацією або індукцією ферменту. Концентрація ферментів може зменшуватися в присутності кінцевих продуктів реакцій, що каталізуються цими ферментами, цей ефект називається репресією ферментів. Індукція і репресія ферментів взаємопов'язані. Індукція - це зняття репресії.
Індуцибельних і репрессібельние системи контролюються генами трьох типів:
Це структурні гени, що кодують амінокислотну послідовність ферменту
Регуляторні гени, що кодують білок-репрессор
Ген-оператор, з яким специфічно зв'язується репрессор.
Молекули індукуючого агента мають здатність специфічно зв'язуватися з білком репрессором. Утворений при цьому комплекс репрессор індуктор вже не може взаємодіяти з оператором, що призводить до активації транскрипції структурного гена. Група функціонально взаємопов'язаних генів називається опероном. Гени, що входять до складу даного оперона, активуються або репресуються одночасно. Кожен оперон має оператор.
Діяльність оперона перебуває під контролем гена-регулятора. Оскільки структурні гени і ген-регулятор знаходяться на різних ділянках ланцюга ДНК, зв'язок між ними здійснюється за допомогою речовини посередника, репрессора. Репрессор має спорідненість до оператора і можна зупинити з'єднується з ним в комплексі. Освіта комплексу блокує синтез мРНК, а отже синтез білка. Таким чином, функція гена-регулятора - "забороняти" діяльність оперона, який синтезує мРНК. Репрессор має здатність суворо специфічно зв'язуватися з певними низькомолекулярними речовинами, званими індукторами або ефекторами. Коли такий індуктор з'єднується з репрессором, останній втрачає здатність зв'язуватися з геном оператором, який виходить з-під контролю гена-регулятора, і починається синтез мРНК
У живих клітинах повинні функціонувати точно запрограмовані механізми, що забезпечують потрібні співвідношення між кількостями різних синтезованих білків. Наприклад, кількість ферментів, що каталізують реакції основного метаболічного шляху, повинна перевищувати число молекул ферментів, відповідальних за синтез коферментів, які необхідні в слідових кількостях. Можливість регулювання швидкості синтезу різних ферментів дозволяє клітині економити РНК та білки.
Такі теоретичні моделі та гіпотези про природу регуляторних процесів біосинтезу білка.
Генетичний код
Однією з найбільш інтригуючих головоломок молекулярної біології було з'ясування питання яким чином чотирибуквений "мова" ДНК, що містить всього 4 різних азотистих основи (А, Г, Ц, Т) перекладається на двадцатібуквенную мова білків через освіту м РНК. З чого складається код? Код не може складатися з одного нуклеотиду, оскільки тільки 4 амінокислоти можуть кодуватися. Також код не може бути дуплетним, комбінація двох нуклеотидів з чотирибуквене "алфавіту" не може охопити всіх АК, тому що подібних комбінацій 16 (4 2 = 16), а до складу білка входять 20 АК.
Для кодування всіх АК білкової молекули потрібен триплетних код, де число можливих комбінацій - 64 (4 3 = 64). Генетичний код для АК є виродженим, це означає, що більшість АК кодується кількома кодонами. Виродженість коду неоднакова для різних АК. Виродженість частіше за все стосується тільки третього нуклеотиду, в той час як майже для всіх АК перші 2 нуклеотиду є загальними. Вона несе біологічний сенс:, тому що в процесі мутації різні АК можуть бути замінені, найбільш цінні відбираються в процесі еволюції.
Інша відмінна риса генетичного коду - відсутність "знаків пунктуації", тобто сигналів, які вказують на кінець одного кодону і початок іншого. Іншими словами код є лінійним, односпрямованим і непереривчастим. Це забезпечує синтез у вищій мірі впорядкованої послідовності молекули білків.
Третя істотна особливість коду полягає в тому, що 3 триплетів не кодують амінокислоти, вони використовуються як закінчення синтезу (термінації) поліпептидного ланцюга.
Код універсальний для всіх живих організмів, від інфузорій до людини. Можна зробити висновок, що "генетичний мова" в основному, однаковий для всіх видів, але можливі невеликі видові відхилення, що виникли, ймовірно, в процесі еволюції і диференціювання.
Таким чином, в ДНК є 4 різних основани, спочатку кодують всю інформацію. Триплетного коду призводить до існування 64 різних трінуклеотідних послідовностей (4 * 4 * 4). Природа коду триплетних - кожна амінокислота програмується в мРНК трьома підставами, названими кодонами. З простих математичних випливало, що кожна АК кодується невеликим числом послідовно розташованих нуклеотидних залишків в ланцюзі ДНК. Для кодування однієї АК потрібно більше одного нуклеотиду, оскільки в ДНК виявлено 4 типи підстав, а в білках 20 різних амінокислот. Далі, оскільки з 4 нуклеотидів (А, Г, Ц, Т) можливе лише 16 різних сполучень по 2 нуклеотиду (4 2 = 16), кодове "слово" для АК має складатися більш ніж з двох літер. За допомогою чотирьох різних підстав, взятих в комбінаціях по три, можливо закодувати 64 (4 3) різні АК. Таким чином, триплетних код достатній для кодування всіх 20 амінокислот, що входять до складу природних білків.
Характерні особливості генетичного коду.
Генетичний код виродилися, що означає, що майже кожної АК (крім триптофану і метіоніну) відповідає більш ніж один кодон. Термін вироджений, не означає неточний, оскільки один кодон не може кодувати більше однієї АК. Виродженість генетичного коду має важливе біологічне значення. Існує нерівномірність вирожденність коду. Наприклад, код для серину і лейцину виродилися шестикратно, тобто є 6 кодонів для серину і 6 - для лейцину, тоді як для багатьох інших амінокислот (глутамінова кислота, тирозин, гістидин) код характеризується лише дворазової виродження.
У багатьох випадках вирожденність зачіпає тільки третє підставу у кодоні. Наприклад, аланін кодується: 2 перших підстави однакові для всіх чотирьох кодонів аланіну. Іноді, якщо 2 амінокислоти мають кодони, в яких 2 перших підстави однакові, то третє може бути тільки пурин або піримідин.
Інша істотна особливість генетичного коду полягає в тому, що в ньому повністю відсутні "сигнали" вказують на кінець і початок іншого (тобто розділові знаки). Тому зчитування повинно починатися з певного місця молекули матричної РНК і тривати послідовно від одного триплетів до іншого, інакше нуклеотидна послідовність у всіх кодонах виявиться зміненою, що в свою чергу призведе до утворення білка з перекрученою АК послідовністю.
Третя істотна особливість коду полягає в тому, що з 64 кодонів -3 не кодують АК. Вони використовуються в якості сигналу закінчення синтезу (термінації поліпептидного ланцюга).
Універсальність коду. Триплети, що кодують одну і ту ж саму АК однакові у людини, рослин тютюну та інфузорій. Ряд експериментів підтверджує висновок про універсальність коду. Можна зробити висновок, що "генетичний мова" в основному однаковий для всіх видів, але можливі невеликі видові відхилення, що виникли, ймовірно в процесі еволюції і диференціювання.
Виродженість генетичного коду забезпечує організмам селективну перевагу. Якби 20 АК кодувалося тільки 20 з 64 можливих кодонів, то більшість мутацій в кодують триплетів призводило б до виникнення безглуздих триплетів на кодують АК. При існуючому генетичному колі мутація викликає поява кодону зі зміненим змістом, що кодує іншу АК або кодону синоніма. Мутантний білок при цьому виявляється не тільки функціонально повноцінним, а й навіть корисним. Виродженість коду сприяє вдосконаленню геному та його продуктів, оскільки в результаті мутації відбуваються різні АК заміни з яких у процесі еволюції відбираються найбільш цінні для виживання.
Незважаючи на універсальність коду, відносний вміст чотирьох підстав в ДНК може істотно варіювати від виду до виду.
Як ми вже відзначали, в генетичному коді відсутні "коми" між сусідніми кодонами, але є спеціальні знаки, що відзначають початок і кінець поліпептидного ланцюга.
Три триплетів (УАГ, УАА І УГА) взагалі не кодують АК. Вони ідентифіковані як сигнали термінації, тобто закінчення синтезу поліпептидного ланцюга. У поліпептидних ланцюгах деяких білків містяться АК, для яких немає відповідних "слів" в генетичному коді. Ці "некодіруемие" АК є похідними "звичайних" АК, яким відповідають певні кодони. Ці рідкісні АК утворюються в результаті ферментативної модифікації з АК, похідними яких вони є вже після того, як ці амінокислоти включилися в поліпепдідную ланцюг відповідно з кодом.
ЛІТЕРАТУРА
| 1. | Мецлер Д. Біохімія. Т. 1, 2, 3. "Світ" | 2000 |
| 2. | Ленінджер Д. Основи біохімії. Т.1, 2, 3. "Світ" | 2002 |
| 3. | Фримель Г. Імунологічні методи. М. "Медицина" | 2007 |
| 4. | Медична електронна апаратура для охорони здоров'я. М. | 2001 |
| 5. | Резніков О.Г. Методи визначення гормонів. Київ "Наукова думка" | 2000 |
| 6. | Бредікіс Ю.Ю. Нариси клінічної електроніки. М. "Медицина" | 1999 |