ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 03.05.2024
Просмотров: 7
Скачиваний: 0
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Биосинтез белка и его значение в биотехнологии. Создание рекомбинантных организмов.
Нуклеиновые кислоты
Нуклеиновые кислоты – это высокомолекулярные биополимеры, мономерами которых являются нуклеотиды.
Функция нуклеиновых кислот заключается в хранении, реализации и передаче генетической (наследственной) информации в живых организмах.
Общая формула нуклеотида
Остаток фосфорной кислоты + углевод (пентоза) + азотистое основание
Два нуклеотида соединяются фосфодиэфирной связью, по аналогии как две аминокислоты – пептидной.
Существует два типа нуклеиновых кислот:
• ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота)
• РНК (рибонуклеиновая кислота).
ДНК: Остаток фосфорной кислоты + дезоксирибоза + азотистое основание (аденин, гуанин, цитозин, тимин)
РНК: Остаток фосфорной кислоты + рибоза + азотистое основание (аденин, гуанин, цитозин, урацил)
Основания принято обозначать первой буквой их названия. Различают пуриновые (А, Г) и пиримидиновые (Т, У, Ц) основания.
Строение ДНК.
Молекулы ДНК в основном находятся в ядрах клеток, но небольшое их количество содержится в митохондриях и пластидах.
ДНК человеческой клетки умещается в ядре диаметром 0.005 мм. Если полностью развернуть спираль ДНК, то длина составит почти два метра. Все ДНК одного тела, вытянутые в нить, выстроились бы на расстояние, равное 40-ка расстояниям от Земли до Солнца. ДНК человека на девяносто восемь процентов такая же, как и у шимпанзе, и даже на 50 процентов такая же, как у банана. По меньшей мере 8 процентов генома человека порождено вирусами, чей генетический код объединился с нашим в течении около 40 миллионов лет эволюции приматов.
Нуклеиновые кислоты подобно белкам имеют
• первичную структуру – последовательность нуклеотидов. Расположение нуклеотидов важно, так как задает последовательность аминокислот в кодируемых белках.
• вторичную структуру – две комплементарные цепи
• третичную – пространственную структуру, которую и установили Уотсон и Крик (в 1953 г – этот год считается годом выделения
молекулярной биологии в самостоятельную науку). Молекула ДНК состоит из двух спирально закрученных цепей, которые по всей длине соединены друг с другом водородными связями. Такую структуру, свойственную только молекулам ДНК, называют двойной спиралью.
Правила Чаргаффа:
1) В любой молекуле ДНК количество аденина равно числу тимина, а число гуанина= числу цитозина. А = Т, Г = Ц.
2) А + Г = Т + Ц
Между аденином и тимином всегда возникают две, а между гуанином и цитозином — три водородные связи, В связи с этим обнаруживается важная закономерность: против аденина одной цепи всегда располагается тимин другой цепи, против гуанина — цитозин и наоборот.
Таким образом, пары нуклеотидов аденин и тимин, а также гуанин и цитозин строго соответствуют друг другу и являются комплементарными.
Три нуклеотида – триплет или кодон несут информацию об одной аминокислоте.
Основным свойствомДНКявляется ее способность к репликации.
Репликация — это процесс самоудвоения молекул ДНК, происходящий под контролем ферментов. Репликация осуществляется перед каждым делением ядра. Топоизомеразы облегчают расплетание цепей ДНК в двойной спирали (снимают сверхспирализацию некоторых участков ДНК путем внесения одно- или двухцепочечного разрыва с последующим восстановлением – лигированием). Топоизомеразы расплетают небольшие участки ДНК непосредственно перед репликативной вилкой и «подготавливают» ДНК к расплетанию. ДНК-хеликазы (ДНК-геликазы) разделяют цепи двухцепочечной молекулы ДНК, используя энергию гидролиза высокоэнергетических соединений (АТФ или ГТФ). Образуется две материнские цепи ДНК.
Далее на каждой из цепей под действием ДНК-полимеразы синтезируется дочерняя цепь ДНК. В итоге дочерние молекулы ДНК являются точными копиями материнских. Это полуконсервативный механизм.
Экспериментально это было доказано Мезельсоном и Сталем (1958). E.coli выращивали в среде, содержащей в качестве источника азота только его тяжелый изотоп 15N (изотопы – атомы, которые имеют одинаковое число протонов, но разное – нейтронов, т.е. одинаковый порядковый номер, но разное массовое число). Эта метка включалась в ДНК, вследствие чего ДНК в клетках, выращенных среде с
15N, имела большую молекулярную массу на единицу объема (т.е. большую плотность), чем ДНК в клетках, выращенных в обычных условиях, в присутствии легкого изотопа 14N. Поэтому, если клетки после длительного выращивания на среде с 15N отмывали и переносили в среду с 14N вместо 15N, то это должно было привести к появлению молекул ДНК с меньшей плотностью. Различающиеся по плотности молекулы можно разделяли ультрацентрифугированием. Оказалось, что в клетках появилась гибридная («средняя») по плотности ДНК, у которой одна цепь была “тяжелой”, а другая - “легкой”.
Биологический смысл репликации заключается в точной передаче наследственной информации от материнских клеток дочерним.
Особенностью процесса репликации является возможность исправления ошибок (корректорская правка). ДНК-полимераза каждый раз дважды проверяет правильность нуклеотида (измеряет расстояние) в своем активном центре, и ее полимеразная активность включается лишь тогда, когда эта комплементарность установлена. С другой стороны, каждый вновь встроенный нуклеотид также проверяется на соответствие своей паре в активном центре фермента. Если размер образовавшейся пары нуклеотидов не соответствует истинному (когда основания противоположных нуклеотидов не комплементарны друг другу), с помощью своей 3’→5’-экзонуклеазной активности фермент вырезает некомплементарный нуклеотид и ищет ему замену. Дополнительным механизмом, уменьшающим ошибки репликации, служит репарация ДНК. В результате частота ошибочного включения нуклеотидов в образующуюся при репликации цепь ДНК крайне низка (10-8—10-10).
Синтез дочерней цепи ДНК всегда антипаралелен материнской (принцип антипаралельности).
Синтез всегда происходит в направлении 3→5 (принцип униполярности). Синтез комплиментарных цепей – наоборот.
Ген – участок молекулы ДНК, содержащий информацию о первичной структуре белка.
ДНК может повреждаться различными мутагенами и радиацией. Они вызывают различные изменения в структуре ДНК, что мешает репликации и транскрипции и вызывает мутации. Некоторые мутагены используют в химиотерапии для подавления быстрорастущих клеток рака.
Фрагменты ДНК можно разделить с помощью электрофорез
а. Поскольку любая молекула ДНК в водном растворе отрицательно заряжена, смесь фрагментов ДНК различных размеров можно разделить с помощью электрофореза. ДНК помещают в гель (агарозный, полиакриламидный), который помещают в постоянное электрическое поле. Молекулы ДНК будут двигаться к положительному электроду (аноду), причем их скорости будут зависеть от длины молекулы: чем она длиннее, тем сильнее ей мешает двигаться гель и, соответственно, тем ниже скорость. После электрофореза смеси фрагментов разных длин в геле образуют полосы, соответствующие фрагментам одной и той же длины. С помощью маркеров (смесей фрагментов ДНК известных длин) можно установить длину молекул в образце.
Визуализовать результаты электрофореза можно двумя способами:
• добавлением в гель веществ, флуоресцирующих в присутствии ДНК (традиционно использовался довольно токсичный бромистый этидий; в последнее время в обиход входят более безопасные вещества). Бромистый этидий светится оранжевым светом при облучении ультрафиолетом, причем при связывании с ДНК интенсивность свечения возрастает на несколько порядков.
• использовать радиоактивные изотопы, их надо предварительно включить в состав анализируемой ДНК. В этом случае на гель сверху кладут фотопластинку, которая засвечивается над полосами ДНК за счет радиоактивного излучения. Это метод называется авторадиографией.
Кроме «обычного» электрофореза в пластине из геля, в некоторых случаях используют капиллярный электрофорез, который проводят в очень тонкой трубочке, наполненной гелем (обычно полиакриламидным). Разрешающая способность такого электрофореза значительно выше: с его помощью можно разделять молекулы ДНК, отличающиеся по длине всего на один нуклеотид.
РНК
РНК состоит из одной цепи, закрученной в спираль (исключение – некоторые вирусы содержат двухцепочечные РНК). Молекулы РНК короче, чем молекулы ДНК.
Типы РНК
1) Информационные, или матричные, РНК (иРНК) составляют около 5% всей клеточной РНК. Они синтезируются на участке одной из цепей молекулы ДНК и передают информацию о структуре белка из ядра клеток к рибосомам, где эта информация реализуется. В зависимости от объема копируемой информации молекула иРНК может иметь различную длину.
иРНК это копия участка ДНК. Молекулы иРНК относительно нестабильные – быстро распадаются на нуклеотиды. Срок их жизни составляет до несколько часов.
Транскрипция – синтез иРНК на ДНК.
Трансляция – синтез белка на иРНК.
Основная догма молекулярной биологии:
ДНК → РНК → белок.
2) Транспортные РНК (тРНК) образуются в ядре на ДНК, затем переходят в цитоплазму. Они составляют около 10% клеточной РНК и являются самыми небольшими по размеру РНК, состоящими из 70— 100 нуклеотидов.
Каждая тРНК присоединяет определенную аминокислоту и транспортирует ее к месту синтеза белка в рибосоме. Там молекула тРНК узнает соответствующий участок иРНК. Таким образом, определяется порядок расположения аминокислотных остатков в молекуле белка, который синтезируется.
Все известные тРНК за счет комплементарного взаимодействия образуют вторичную структуру, по форме напоминающую лист клевера. В молекуле тРНК есть два активных участка: триплет-антикодон на одном конце и акцепторный конец на другом.
На верхушке «листка» – триплет (три нуклеотида), который по генетическому коду соответствует определенной аминокислоте. Этот триплет называют антикодоном. Он комплементарен соответствующему триплету ДНК (кодону). Поскольку в трёхбуквенных комбинациях используются 4 основания, всего возможны 64 кодона (4³ комбинации). Из них 61 кодирующий и 3 некодирующих (кодоны-терминаторы, свидетельствуют об окончании процесса трансляции).
Кодоны-терминаторы в -РНК: УАА, УАГ, УГА, в ДНК: АТТ, АТЦ, АЦТ.
Кодоны кодируют 20 стандартных аминокислот, каждой из которых соответствует в большинстве случаев более одного кодона.
Возле основания есть участок (акцепторный конец), к которому благодаря ковалентной связи прикрепляется молекула аминокислоты.
Молекула тРНК может образовывать и третичную структуру (L – подобную).
3) Рибосомные РНК (рРНК) синтезируются в основном в ядрышке и составляют примерно 85% всех РНК клетки. Они входят в состав рибосом и участвуют в формировании активного центра рибосомы, где происходит процесс биосинтеза белка. Не принимают участия в передаче наследственной информации. Выполняет
