Молекулярные основы жизни. Химическая организация генетического материала. Структура ДНК и РНК. Виды РНК.

Молекулярные основы биологии изучает одна из самых молодых наук — молекулярная биология. Она изучает механизмы таких биологических явлений, как рост, развитие, наследственность, изменчивость, биосинтез белков, действие ферментов, преобразование энергии, мембранную транспортировку веществ и ряд других проявлений жизни.

Другими словами, молекулярная биология — наука об основных проявлениях жизни па уровне биологических макромолекул (белков и нуклеиновых кислот), неклеточных структур (вирусов) и клеток.

Исследования, проводимые ею, позволили сделать основополагающие открытия в биологии и обусловили появление таких новых паук, как молекулярная генетика (изучает химическую природу гена), космическая биология (изучает механизм протекания биосинтетических процессов в космосе, а также молекулярные основы адаптации организмов к экстремальным условиям существования). Молекулярная биология рассматривается как одна из перспективных наук о жизни.

9.2 Генетическая информация в молекуле ДНК записана в виде последовательностей нуклеотидных остатков, которые содержат одно из четырех азотистых оснований: (Аденин (А), гуанин (Г)) – пурины (два кольца, пяти ишестичленные) ; (Цитозин (Ц), тимин (Т)) – пиримидины (одно кольцо шестичленное). В состав ДНК входит азотисиые основания аденин, тимин, цитозин и гуанин, в состав РНК вместо тимина входит урацил. Как известно, ДНК – это большой архив, в котором хранится информация, а РНК – это молекула, которая переносит информацию из ядра в цитоплазму для синтеза белков. С различием в функциях связаны различия в строении. РНК более химически активна из-за того, что ее сахар - рибоза – имеет в своем составе гидроксильную группу, а вдезоксирибозе кислорода нет. Из-за отсутствия кислорода ДНК более инертна, что важно для ее функции хранения информации, так как отсутствие кислорода значительно снижает реакционную способность ДНК. Полимерная молекула ДНК возникает вследствие того, что нуклеотиды взаимодействуют друг с другом, и между соседними нуклеотидами образуется связь. Когда образуется цепочка нуклеотидов, связь осуществляется между пятым углеродом одной и третьим углеродом другой дезоксирибозы. Поэтому в цепочке нуклеиновых кислот выделяют разные неравнозначные концы, относительно которых молекула не симметрична. В апреле 1953г. Дж. Уотсон и Ф. Крик предложили модель ДНК в форме регулярной двойной спирали ДНК, в которой две полинуклеотидные цепи закручены вправо вокруг общей оси. Измерения показали, что на виток спирали приходится 10,5 пар нуклеотидов, которые занимают по длине 3,6 нм. Каждая цепь содержит последовательность нуклеотидов, строго соответствующую последовательности нуклеотидов другой цепи. При этом гуанин на одной цепи соответствует цитозину на другой, а аденин соответствует тимину. Внутри спирали азотистые основания ориентированы по направлению к середине: аденин образует две водородные связи с тимином, а гуанин три водородные связи с цитозином. Отношение А+Г=Т+Ц, т.е. число пуринов всегда равно числу пиримидинов. Отношение А+Т/Г+Ц очень различно и характерно для каждого вида. При соединении друг с другом против 5’-конца одной нити находится 3’-конец другой нити. То есть нити идут в противоположных направлениях – поэтому обычно говорят, что нити в ДНК антипараллельны. В любом данном участке ДНК только одна из двух нитей ДНК кодирует аминокислоты, поэтому код – это последовательность нуклеотидов, а не пар нуклеотидов.

9.3Дезоксирибонуклеи́новая кислота́ (ДНК) — макромолекула (одна из трёх основных, две другие — РНК и белки), обеспечивающая хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов. ДНК содержит информацию о структуре различных видов РНК и белков. клетках эукариот (животных, растений и грибов) ДНК находится в ядре клетки в составе хромосом, а также в некоторых клеточных органоидах (митохондриях и пластидах)С химической точки зрения ДНК — это длинная полимерная молекула, состоящая из повторяющихся блоков — нуклеотидов. Каждый нуклеотид состоит из азотистого основания, сахара (дезоксирибозы) и фосфатной группы.

9.4 Рибонуклеи́новая кислота́ (РНК) — одна из трёх основных макромолекул (две другие — ДНК и белки), которые содержатся в клетках всех живых организмов.Так же, как ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота), РНК состоит из длинной цепи, в которой каждое звено называется нуклеотидом. Каждый нуклеотид состоит из азотистого основания, сахара рибозы и фосфатной группы. Последовательность нуклеотидов позволяет РНК кодировать генетическую информацию. Все клеточные организмы используют РНК (мРНК) для программирования синтеза белков.Азотистые основания в составе РНК могут образовывать водородные связи между цитозином и гуанином, аденином и урацилом, а также между гуанином и урацилом[15]. Однако возможны и другие взаимодействия, например, несколько аденинов могут образовывать петлю, или петля, состоящая из четырёх нуклеотидов, в которой есть пара оснований аденин — гуанин

9.5Матричная (информационная) РНК — РНК, которая служит посредником при передаче информации, закодированной в ДНК к рибосомам, молекулярным машинам, синтезирующим белки живого организма. Кодирующая последовательность мРНК определяет последовательность аминокислот полипептидной цепи белка[29]. Однако подавляющее большинство РНК не кодируют белок. Эти некодирующие РНК могут транскрибироваться с отдельных генов (например, рибосомальные РНК) или быть производными интронов[30]. Классические, хорошо изученные типы некодирующих РНК — это транспортные РНК (тРНК) и рРНК, которые участвуют в процессе трансляции[31]. Существуют также классы РНК, ответственные за регуляцию генов, процессинг мРНК и другие роли. Кроме того, есть и молекулы некодирующих РНК, способные катализировать химические реакции, такие, как разрезание и лигирование молекул РНК[32]. По аналогии с белками, способными катализировать химические реакции — энзимами (ферментами), каталитические молекулы РНК называются рибозимами.

10)

Уровни компактизации генетического материала. Первичная и вторичная структура ДНК. Нуклеосома. Роль белков в формировании нуклеосомного уровня организации ДНК. Соленоид, петельно-доменная организация ДНК, их значение.

Исследования, направленные на выяснение химической природы наследственного материала, неопровержимо доказали, что материальным субстратом наследственности и изменчивости являются нуклеиновые кислоты, которые были обнаружены Ф. Мишером 1868 в ядрах клеток гноя. Нуклеиновые кислоты являются макромолекулами, т.е. отличаются большой молекулярной массой. Это полимеры, состоящие из мономеров — нуклеотидов, включающих три компонента: сахар пентозу, фосфат и азотистое основание пурин или пиримидин. К первому атому углерода в молекуле пентозы С-1 присоединяется азотистое основание аденин, гуанин, цитозин, тимин или урацил, а к пятому атому углерода С-5 с помощью эфирной связи — фосфат; у третьего атома углерода С-3 всегда имеется гидроксильная группа – ОН.

Соединение нуклеотидов в макромолекулу нуклеиновой кислоты происходит путем взаимодействия фосфата одного нуклеотида с гидроксилом другого так, что между ними устанавливается фосфодиэфирная связь. В результате образуется полинуклеотидная цепь.

Среди нуклеиновых кислот различают два вида соединений: дезоксирибонуклеиновую ДНК и рибонуклеиновую РНК кислоты. Изучение состава основных носителей наследственного материала — хромосом — обнаружило, что их наиболее химически устойчивым компонентом является ДНК, которая представляет собой субстрат наследственности и изменчивости.

Структура ДНК

Первичная структура ДНК — это линейная последовательность нуклеотидов ДНК в цепи. Последовательность нуклеотидов в цепи ДНК записывают в виде буквенной формулы ДНК: например — AGTCATGCCAG, запись ведется с 5- на 3-конец цепи ДНК.

Вторичная структура ДНК образуется за счет взаимодействий нуклеотидов в большей степени азотистых оснований между собой, водородных связей. Классический пример вторичной структуры ДНК — двойная спираль ДНК. Двойная спираль ДНК — самая распространенная в природе форма ДНК, состоящая из двух полинуклеотидных цепей ДНК. Построение каждой новой цепи ДНК осуществляется по принципу комплементарности, т.е. каждому азотистому основанию одной цепи ДНК соответствует строго определенное основание другой цепи: в комплемнтарной паре напротив A стоит T, а напротив G располагается C и т.д.

РНК – это полинуклеотиды, но состоят только из одной цепи, их мол.масса меньше, чем у ДНК. Кроме этого, они отличаются следующим: 1 количество РНК в клетке зависит от возраста, физиологического состояния,

органной принадлежности клетки; 2 в мононуклеотидах РНК содержатся рибоза, вместо тимина урацил; 3 для РНК не характерны правила Чаргаффа; 4 в РНК больше минорных оснований, чем в ДНК, при этом в т-РНК количество минорных оснований приближается к 50. Все РНК синтезируются на ДНК, этот процесс называется транскрипцией.

В зависимости от локализации в клетке, функции различают 3 вида РНК: м-РНК матричная, или информационная, транспортная – т-РНК, рибосомальная – р-РНК.

Результатом взаимодействия ДНК с белками в составе хроматина является ее компактизация.

Первый уровень компактизации ДНК — нуклеосомный. Если подвергнуть действию нуклеазы хроматин, то он и ДНК подвергаются распаду на регулярно повторяющиеся структуры. После нуклеазной обработки из хроматина путем центрифугирования выделяют фракцию частиц. Такая сложная нуклеопротеидная частица получила название Нуклеосомы.

Второй уровень компактизации—фибрилла диаметром 30 нм. Первый, нуклеосомный, уровень компактизации хроматина играет регуляторную и структурную роль, обеспечивая плотность упаковки ДНК в 6—7 раз. В митотических хромосомах и в интерфазных ядрах выявляются фибриллы хроматина с диаметром 25—30 нм.

Петлевые домены ДНК — третий уровень структурной организации хроматина. В высших уровнях организации хроматина специфические белки связываются с особыми участками ДНК, которая в местах связывания образует большие петли, или домены. В некоторых местах есть сгустки конденсированного хроматина, розетковидные образования, состоящие из многих петель 30 нм-фибрилл, соединяющихся в плотном центре. Средний размер розеток достигает 100—150 нм. Розетки фибрилл хроматина — Хромомеры. Каждый хромомер состоит из нескольких содержащих нуклеосомы петель, которые связаны в одном центре. Хромомеры связаны друг с другом участками нуклеосомного хроматина. Такая петельно-доменная структура хроматина обеспечивает структурную компактизацию хроматина и организует функциональные единицы хромосом — репликоны и транскрибируемые гены.

10.3Нуклеосома — это структурная часть хромосомы, образованная совместной упаковкой нити ДНК с гистоновыми белками H2А, H2B, H3 и H4. Последовательность нуклеосом, соединенная гистоновым белком H1, формирует нуклеофиламент

11)

 Интерфазная хромосома. Эухроматин и гетерохроматин. Факультативный и конститутивный, гетерохроматин, их роль в регуляции потока генетической информации

Интерфазными называются хромосомы (хроматин), характерные для стадии интерфазы клеточного цикла. В отличие от митотических это работающие хромосомы: они участвуют в процессах транскрипции и репликации. ДНК в них уложена менее плотно, чем в митотических хромосомах.

11.2Эу- и гетерохроматин.

Эухроматин, активный хроматин — участки хроматина, сохраняющие деспирализованное состояние элементарных дезоксирибонуклеопротеидных нитей (ДНП) в покоящемся ядре, т. е. в интерфазе (в отличие от других участков, сохраняющих спирализованное состояние — гетерохроматина).

Эухроматин отличается от гетерохроматина также способностью к интенсивному синтезу рибонуклеиновой кислоты (РНК) и большим содержанием негистоновых белков. В нём, помимо ДНП, имеются рибонуклеопротеидные частицы (РНП-гранулы) диаметром 200—500, которые служат для завершения созревания РНК и переноса ее в цитоплазму. Эухроматин содержит большинство структурных генов организма

Гетерохроматин — участки хроматина, находящиеся в течение клеточного цикла в конденсированном (компактном) состоянии. Особенностью гетерохроматиновой ДНК является крайне низкая транскрибируемость.

11.3Различают конститутивный (структурный) и факультативный гетерохроматин.

Конститутивный гетерохроматин содержится в околоцентромерных и теломерных участках всех хромосом, а также на протяжении некоторых внутренних фрагментов отдельных хромосом (рис. 3.50). Он образован только нетранскрибируемой ДНК. Вероятно, его роль заключается в поддержании общей структуры ядра, прикреплении хроматина к ядерной оболочке, взаимном узнавании гомологичных хромосом в мейозе, разделении соседних структурных генов, участии в процессах регуляции их активности.

Примером факультативного гетерохроматина служит тельце полового хроматина, образуемое в норме в клетках организмов гомогаметного пола (у человека гомогаметным является женский пол) одной из двух Х-хромосом. Гены этой хромосомы не транскрибируются. Образование факультативного гетерохроматина за счет генетического материала других хромосом сопровождает процесс клеточной дифференцировки и служит механизмом выключения из активной функции групп генов, транскрипция которых не требуется в клетках данной специализации. В связи с этим рисунок хроматина ядер клеток из разных тканей и органов на гистологических препаратах различается. Примером может служить гетерохроматизация хроматина в ядрах зрелых эритроцитов птиц.

12))) Функции нуклеиновых кислот в процессе реализации наследственной информации. Кодирование наследственной информации в клетке. Генетический код и его свойства. Внутриклекточный поток генетической информации, его направление и роль молекул ДНК и РНК

Нуклеиновые кислоты – это линейные неразветвленные гетерополимеры, мономерами которых являются нуклеотиды, связанные фосфодиэфирными связями.

Существует два типа нуклеиновых кислот: ДНК дезоксирибонуклеиновая кислота и РНК рибонуклеиновая кислота. Нуклеиновые кислоты обеспечивают хранение, воспроизведение и реализацию генетической наследственной информации. Эта информация отражена закодирована в виде нуклеотидных последовательностей. В частности, последовательность нуклеотидов отражает первичную структуру белков. Соответствие между аминокислотами и кодирующими их нуклеотидными последовательностями называется генетическим кодом. Единицей генетического кода ДНК и РНК является триплет – последовательность из трех нуклеотидов.

Свойства генетического кода:

1.       Триплетность — значащей единицей кода является сочетание трёх нуклеотидов.

2.       Непрерывность — между триплетами нет знаков препинания, то есть информация считывается непрерывно.

3.       Неперекрываемость — один и тот же нуклеотид не может входить одновременно в состав двух или более триплетов не соблюдается для некоторых перекрывающихся генов вирусов, митохондрий и бактерий, которые кодируют несколько белков, считывающихся со сдвигом рамки.

4.       Однозначность специфичность — определённый кодон соответствует только одной аминокислоте.

5.       Вырожденность избыточность — одной и той же аминокислоте может соответствовать несколько кодонов.

6.       Универсальность — генетический код работает одинаково в организмах разного уровня сложности — от вирусов до человека на этом основаны методы генной инженерии.

7.       Помехоустойчивость — мутации замен нуклеотидов, не приводящие к смене класса кодируемой аминокислоты, называют консервативными; мутации замен нуклеотидов, приводящие к смене класса кодируемой аминокислоты, называют радикальными.

Нуклеиновые кислоты образуют разнообразные соединения с белками – нуклеопротеиды, или нуклеопротеины.

Согласно существующим представлениям, регуляция могла бы происходить на одном или нескольких уровнях; помимо синтеза ДНК рост и деление клеток, эти уровни включают:

Транскрипция — построение РНК по комплементарной ей ДНК

Процессинг РНК посттранскрипционные модификации РНК — совокупность процессов в клетках эукариот, которые приводят к превращению первичного

транскрипта РНК в зрелую РНК.

Трансляция — осуществляемый рибосомой синтез белка из аминокислот на матрице информационной или матричной РНК иРНК или мРНК.

Посттрансляционные процессы — примером такого рода посттрансляционной модификации белков может служить отщепление сигнальных пептидов по завершении переноса белков через биологические мембраны

12.2Сущность потоков информации, веществ и энергии в клетки.

Сохранение постоянства внутренней среды в организме человека не может поддерживаться самопроизвольно. В эволюции выработаны системы, сохраняющие физико-химические параметры организма в пределах оптимальных для его существования констант.

Консерватизм метаболизма является одним из необходимых свойств здорового организма. Но только одним. В условиях меняющихся средовых воздействий на организм требуется другая составляющая жизни – наличие механизмов обеспечивающих адаптацию, приспособление его к новым условиям существования. И, наконец, в ряде случаев, внешние воздействия могут существенно превысить адаптационные возможности организма. В этом случае развивается патологический процесс (болезнь). С медицинской точки зрения понимание трёх вышеперечисленных свойств живого (сохранение постоянства внутренней среды, его адаптацию и патологию) возможно только на основе знания биологических систем лежащих в их основе. К таким системам относятся, прежде всего потоки информации, энергии и веществ

13)