Posted in Разное

Молекулярные основы наследственности биосинтез белка: Ошибка выполнения

Содержание

Молекулярные основы наследственности — СтудИзба

Лекция 3 Молекулярные основы наследственности

В 1927 году Кольцовым М.К. была выдвинута гипотеза о белковой природе гена. Изучение химии нуклеиновых кислот (рибонуклеиновой и дезоксирибонуклеиновой) началось в Тюбингенской лаборатории в Германии. Здесь в 1868-1869 г.г. молодой швейцарский физиолог и гистолог Ф. Мимер с ядерной массы лейкоцитов выделил вещество с сильными кислыми свойствами – нуклеин (от лат. ядро). Это была смесь двух веществ – нуклеиновой кислоты и белка. Ученый доказал, что в состав нуклеиновых кислот входят фосфорная кислота, пуриновые и пиримидиновые основания, углеводные компоненты (сахара).

Исследованиями Ф.Гриффитса (1928), О.Эвери, К.Мак-Леода (1944) доказано, что вещество, которое направленно изменяет наследственность пневмококков, является ДНК, а не белок. С этого времени роль ДНК в наследственности большинство ученых считают доказанной.

Структурной единицей ДНК является нуклеотид. В состав каждого нуклеотида входит три компонента: остаток фосфорной кислоты, сахар пентоза – дезоксирибоза, азотистые основания – пуриновые (аденин — А, гуанин — Г) и пиримидиновые (тимин — Т, цитозин — Ц).

Структура молекулы ДНК была установлена в 1953 г. Д.Уотсоном и Ф.Криком. Молекула ДНК состоит из двух связанных между собой полинуклеотидных нитей спирально скрученных. Молекула ДНК состоит из тысяч нуклеотидов (108 и более). Нуклеотиды последовательно связаны друг с другом в цепочку с помощью остатка фосфорной кислоты и молекулы дезоксирибозы. Специфичность каждого нуклеотида в молекуле ДНК определяется наличием соответствующего азотистого основания. Каждый нуклеотид одной цепочки соединяется водородными связями с нуклеотидом другой цепочки строго закономерно: аденин соединяется с тимином двумя водородными связями, гуании – с цитозином тремя водородными связями.

Число пуриновых нуклеотидов (А+Г) равно числу пиримидиновых (Ц+Т), то есть отношение (А+Г):(Т+Ц)=1. Две комплементарные нити образуют правовинтовую спираль, каждый виток которой имеет длину 3,4 нм, расстояние между нуклеотидами 0,34 нм. Азотистые основания ориентированы к середине спирали.

Число нуклеотидов и их последовательность в молекуле ДНК специфичны для каждого вида и частично – для каждой особи. Д.Уотсон ввел понятие о видовой специфичности ДНК. Коэффициентом видовой специфичности называют соотношение (А+Т):(Г+Ц).

Репликацией называют процесс самокопирования молекулы ДНК с точным соблюдением порядка чередования нуклеотидов, присущего исходным комплементарным нитям. У многоклеточных организмов в результате слияния гамет при оплодотворении образуется зигота, в которой содержится наследственная информация гаплоидных геномов родительских особей. В онтогенезе из зиготы в результате митоза образуются миллиарды клеток, каждая из которых несет в себе всю генетическую информацию.

Репликация происходит в период синтеза (S-период) интерфазы митотического цикла. На отдельных участках молекулы ДНК образуются так называемые вилки репликации (участки молекулы ДНК, где расплетаются комплементарные нити). В этих местах водородные связи между азотистыми основаниями под действием соответствующих ферментов (ДНК-полимераз) разрываются, комплементарные нити разъединяются, и каждая из них становится матрицей, на которой происходит синтез дочерних нитей. Таким образом, ДНК способна самовоспроизводиться (реплицироваться, самокопироваться) и сохранять наследственную информацию, закодированную в ней в виде последовательности чередования нуклеотидных оснований, во множестве поколений клеток, образующихся в онтогенезе многоклеточного организма.

Структура молекулы РНК отличается от ДНК тем, что тимин (Т) заменяется урацилом (У), а дезоксирибоза – рибозой. Молекула РНК одноцепочечная. Они имеют значительно меньшие размеры, чем ДНК.

Рекомендуемые файлы

Виды РНК: матричная (мРНК, или информационная иРНК), рибосомальная (рРНК), транспортная (тРНК). Все рибонуклеиновые кислоты синтезируются на соответствующих участках молекулы ДНК, как на матрице при участии фермента РНК-полимеразы.

Строение белка и его синтез.

Белкам принадлежит исключительно важная роль в жизнедеятельности каждой клетки (построение мембран, хроматина, рибосом, митохондрий). Первичная молекула белка представляет собой цепочку, состоящую из 100-300 различных аминокислот и более, порядок чередования которых определяет специфичность данной молекулы: каждая из 20 аминокислот может встречаться многократно, но местонахождение контролируется ДНК. В настоящее время для многих молекул белка установлена их первичная структура, то есть порядок чередования аминокислот в полипептидной цепи.

Вторичная структура белковой молекулы зависит от первичной: аминокислоты в полипептидной цепи соединяются водородными связями между NH– и СО-группами, в результате чего она свертывается в так называемую альфа-спираль.

Третичная структура белковых молекул образуется в результате связывания так называемыми дисульфидными мостиками (S-S) двух цистеиновых остатков аминокислот.

Четвертичная структура белковых молекул характеризуется тем, что они состоят из двух-четырех различных, стабильно соединенных полипептидных цепей. Такая структура характерна для многих ферментов.

Вторичная, третичная, четвертичная структуры белковых молекул зависят от числа и порядка чередования аминокислот в полипептидной цепи, то есть от первичной структуры.

Процесс синтеза белка в клетке называется биосинтезом. Он осуществляется под контролем молекулы ДНК, которая таким образом реализует закодированную в ней наследственную информацию. Процесс биосинтеза сложный и включает ряд этапов – транскрипцию и трансляцию.

Рекомендуем посмотреть лекцию «16.3 Русская литература XVIII века».

Транскрипция – это процесс считывания информации с ДНК на иРНК во время ее синтеза (первый этап реализации генетической информации в клетках). Транскрипция происходит в ядре клетки: на участке определенного гена молекулы ДНК синтезируется мРНК. Этот синтез осуществляется при участии комплекса ферментов, главным из которых является ДНК-зависимая РНК-полимераза, которая прикрепляется к начальной (инициальной) точке молекулы ДНК, расплетает двойную спираль и, перемещаясь вдоль одной из нитей, синтезирует рядом с ней комплементарную нить мРНК. В результате транскрипции мРНК содержит генетическую информацию в виде последовательного чередования нуклеотидов, порядок которых точно скопирован с соответствующего участка (гена) молекулы ДНК.

В ДНК наряду с участками, кодирующими рРНК, тРНК и полипептиды, имеются фрагменты, не содержащие генетической информации. Они получили название интронов в отличие от кодирующих фрагментов, которые называются экзонами. Установлено, что, если в ДНК считываются только участки экзонов, зрелая мРНК не образуется.

Следующий этап биосинтеза белка – трансляция – происходит в цитоплазме на рибосомах при участии тРНК.

Трансляция (от лат. передача) – это синтез полипептидных цепей белков по матрице иРНК согласно генетическому коду. Генетический код – свойственная живым организмам единая система записи наследственной информации в молекулах нуклеиновых кислот в виде последовательности нуклеотидов; определяет последовательность включения аминокислот в синтезирующуюся полипептидную цепь в соответствии с последовательностью нуклеотидов ДНК гена (или процесс перевода триплетной последовательности нуклеотидов молекулы ДНК в последовательность аминокислот в белковой молекуле). В узком смысле генетический код – это словарь кодонов (триплетов иРНК), кодирующих те или иные аминокислоты и знаки пунктуации белкового синтеза.

В 1964 году Дж.Маттей, Ф.Крик, М.Ниренберг, а затем С.Очао расшифровали генетический код. Триплет ДНК, или кодоген – это три соседних нуклеотида, которые несут информацию на включение одной из 20 основных аминокислот в полипептидную цепь белка. Триплеты – это не просто случайные группы трех нуклеотидов, а видовая специфичность молекул ДНК и РНК. Генетический код колинеарный, то есть четкое соответствие между последовательностями кодонов нуклеиновых кислот и аминокислотами полипептидной цепи. Генетический код универсальный, триплетный, вырожденный, неперекрывающийся.

Транспортные РНК синтезируются в ядре, но функционируют в свободном состоянии в цитоплазме клетки. Одна молекула тРНК содержит 76-85 нуклеотидов и имеет довольно сложную структуру, напоминающую клеверный лист. Три участка тРНК имеют особо важное значение: 1) антикодон, состоящий из трех нуклеотидов, определяющий место прикрепления тРНК к соответствующему комплементарному кодону (мРНК) на рибосоме; 2) участок, определяющий специфичность тРНК, способность данной молекулы прикрепляться только к определенной аминокислоте; 3) акцепторный участок, к которому прикрепляется аминокислота.
Он одинаков для всех тРНК и состоит из трех нуклеотидов – ЦЦА. Присоединению аминокислоты к тРНК предшествует ее активация ферментом аминоацил-тРНК-синтетазой. Этот фермент специфичен для каждой аминокислоты. Активированная аминокислота прикрепляется тРНК и доставляется ею на рибосому.

Молекула мРНК выходит из ядра в цитоплазму и прикрепляется к малой субъединице рибосомы. Трансляция начинается со стартового кодона (инициатора синтеза) –АУГ. Когда тРНК доставляет к рибосоме активированную аминокислоту, ее антикодон соединяется водородными связями с нуклеотидами комплементарного кодона мРНК. Акцепторный конец тРНК с соответствующей аминокислотой прикрепляется к поверхности большой субъединице рибосомы. После первой аминокислоты другая тРНК доставляет следующую аминокислоту, и таким образом на рибосоме синтезируется полипептидная цепь. Синтез полипептидной цепи прекращается, когда на мРНК появляется один из кодонов-терминаторов – УАА, УАГ или УГА. Начало синтеза полипептидной цепи называется инициацией, а окончание синтеза – терминацией.

Тесты по молекулярным основам наследственности

Тестовые задания по теме

«Молекулярные основы наследственности»

Инструкция: выбрать один наиболее правильный ответ

  1. Полипептидная цепь белка это

  1. Вторичная структура

  2. Первичная структура

  3. Третичная структура

  4. Четвертичная структура

  1. Полипептид состоит из

  1. Белков

  2. Нуклеотидов

  3. Аминокислот

  4. Азотистых оснований

  1. Нуклеотид является частью

  1. Полипептида

  2. Аминокислоты

  3. Белка

  4. Дезоксирибонуклеиновой кислоты

  1. Дезоксирибоза это

  1. ДНК

  2. Нуклеотид

  3. Сахар

  4. Аминокислота

  1. Кодон это

  1. Три аминокислоты

  2. Т-РНК

  3. Три нуклеотида

  4. Часть полипептида

  1. Синтез белка происходит

  1. Ядре клетки

  2. Рибосомах

  3. В глыбках хроматина

  4. В митохондриях

  1. Трансляция это

  1. Переписывание информации с ДНК на И-РНК

  2. Перевод информации с И-РНК на М-РНК

  3. Сборка первичной структуры белка

  4. Сборка ДНК

  1. Комплементарность это соответствие

  1. А – Г

  2. Г – Т

  3. Т –А

  4. Ц – А

  1. Разрезание молекулы ДНК происходит с помощью

  1. Гидроктазы

  2. Рестриктазы

  3. ДНК-полимеразы

  4. РНК-полимеразы

  1. Узнавание нужной аминокислоты происходит в

  1. АКЦ рибосомы

  2. ППЦ рибосомы

  3. Ядре

  4. Митохондрии

  1. В одну рибосому одновременно может попасть

  1. 2 нуклеотида

  2. 6 нуклеотидов

  3. 3 триплета

  4. 6 триплетов

  1. Информационная РНК проходит при трансляции через

  1. Ядро

  2. Рибосому

  3. Митохондрию

  4. Лизосому

  1. Образование пептидных связей между аминокислотами происходит при трансляции в

  1. Ядре Кариолемму

  2. АКЦ рибосомы

  3. ППЦ рибосомы

  4. Митохондриях

  1. Трансляция происходит в

  1. Ядре

  2. АКЦ рибосомы

  3. ППЦ рибосомы

  4. Гранулярной ЭПС

  1. Транскрипция это

  1. Перенос информации с М-РНК на белок

  2. Перенос информации с ДНК на И-РНК

  3. Удвоение молекулы ДНК

  4. Разрезание молекулы ДНК

  1. Сборка И-РНК на матрице ДНК идет с помощью

  1. Ревертазы

  2. ДНКА-полимеразы

  3. РНК-полимеразы

  4. Рестриктазы

Тестовые задания открытого типа по теме

«Молекулярные основы наследственности. ДНК и РНК. Синтез белка.»

Инструкция: закончите фразу.

  1. ДНК по своей структуре является …

  2. Комплементарность – это …

  3. Генетический код – это …

  4. В состав одного нуклеотида ДНК входят …

  5. Отличия ДНК от РНК:

  1. …

  2. …

  3. …

  1. Строение ДНК в 1953 году открыли

  2. Каждой аминокислоте по генетическому коду соответствует ….

  3. Рибоза входит в состав …

  4. Кодон – это…

  5. Остаток фосфорной кислоты РО4-3 входит в состав …

  6. Транскрипция — это …

  7. РНК бывает трех видов:

  1. …

  2. …

  3. …

  1. ДНК входит в состав …

  2. Трансляция происходит в …

  3. В рибосомах различают два центра:

  1. …

  2. …

  1. Трансляция – это. ..

  2. Т-РНК переносит к месту сборки белка на своем конце …

  3. Редупликация ДНК – это …

  4. Каждая рибосома состоит из двух частей:

  1. …

  2. …

  1. Образование из нескольких рибосом называется …

Пособие для самостоятельной работы студентов с глоссарием

Тема «Цитологические основы наследственности»

В соматической клетке человека 46 хромосом, которые хорошо различны в метафазу митоза. В интерфазном ядре видны только глыбки хроматина.

Хроматин – это ДНК + белок.

Кариотип – это набор хромосом в соматической клетке, характерный для данного вида.

Кариограмма – хромосомы кариотипа, выстроенные по порядку.

Каждая хромосома кариотипа имеет парную себе или гомологичную хромосому, сходную по размерам, строению и генам, находящиеся в ней.

В каждом кариотипе различают пару половых (ХХ для ♀ и ХУ для ♂) и 22 пары аутосом.

Аутосомы – хромосомы кариотипа, одинаковые для мужчины и женщины. В половых клетках по 1 половой и по 22 аутосомы.

Ядро клетки окружено ядерной мембраной – кариолеммой, внутри ядра находится кариоплазма, в которой видны в интерфазу глыбки хроматина и ядрышко. В ядрышке находится РНК и формируются рибосомы.

В хромосомах кариотипа человека сосредоточены ≈ 60000 генов.

Молекулу ДНК в 1953 году расшифровали Уотсон и Крик.

Лекция Молекулярные основы наследственности Биосинтез белка Транскрипция 1

Лекция Молекулярные основы наследственности. Биосинтез белка. Транскрипция. 1

План 1. Организация наследственного материала. а) Историческое развитие концепции гена. б) Фукционально-генетическая классификация генов. 2. Особенности транскрипции. 3. Транскрипция у прокариот. Регуляция транскрипции у прокариот. Схема работы лактозного оперона. 4. Транскрипция у эукариот. Регуляция транскрипции у эукариот. 2

1. Организация наследственного материала. а) Историческое развитие концепции гена. б) Фукционально-генетическая классификация генов.

Организация наследственного материала Современные представления о природе генетического аппарата позволяют выделить три уровня его организации: • Генный • Хромосомный • Геномный

Геномный уровень организации наследственного материала • Геном это совокупность наследственного материала в гаплоидном наборе хромосом клеток организмов соответствующего биологического вида. • Геном видоспецифичен. • Геном сбалансированный, эволюционно «проработанной» и отобранный объем генетической информации. • С геномным уровнем генетического аппарата эукариот связывают переход к избирательной транскрипции генов по времени (период онтогенеза), месту (тип клеток) и объему.

Хромосомный уровень организации наследственного материала Связан с его большим объемом по сравнению с прокариотической клеткой.

• Распределение основной массы генетического материала в ограниченном числе ядерных структур – хромосом – обеспечивает упорядоченность его пространственной организации по группам сцепления (хромосомам – хромосом и закономерное пространственное взаиморасположение хромосом в клеточном ядре. •

Генный уровень организации наследственного материала. • Ген – это единица наследственности и изменчивости. • По современным представлениям ген – это участок молекулы ДНК, кодирующий информацию о синтезе определенного полипептида или нуклеиновой кислоты.

а) Историческое развитие концепции гена

б) Фукционально-генетическая классификация генов.

2. Особенности транскрипции.

Так выглядит транскрипция – синтез РНК для последующего производства белка http: //www. vechnayamolodost. ru/pages/drugienaukiozhizni/rodkoodnrntrimndr 80. html

Фермент РНК-полимераза (зеленые комки) ползет по молекуле ДНК (скрученный тяж) и «считывает» ее, синтезируя молекулу РНК (разноцветная лента). В молекуле РНК интроны показаны серым, экзоны — яркими цветами. Вырезанные фрагменты РНК уплывают вдаль, облепленные разнообразными полупрозрачными РНК-связывающими белками. 12

Стадии и ферменты транскрипции Транскрипция – биосинтез одноцепочечной молекулы РНК на матрице ДНК 1. Синтез молекул РНК идет в направлении 5’– 3′; считывание матричной ДНК идет в направлении 3’– 5‘ 2. Для каждого гена только одна из цепей ДНК кодирующая, то есть, каждая молекула РНК считывается только с одной цепи ДНК. 3. Разные гены могут считываться с противоположных цепей ДНК 4. Синтезированная молекула РНК идентична кодирующей цепи ДНК (кроме замены основания тимин на урацил) http: //www. alliot. fr/bio. shtml. fr 13

Стадии и ферменты транскрипции Для осуществления транскрипции необходимо наличие: 1. ДНК-матрицы, 2. пула предшественников (аденин-, гуанин-, цитозин- и урацилтрифосфатнуклеотиды), 3. соответствующего фермента (РНК-полимераза). 14

Последовательность ДНК, транскрибируемая в одну молекулу РНК, начинающаяся промотором и заканчивающаяся терминатором, называется транскрипционной единицей, или транскриптоном. Промотор — сайт ДНК, с которым связывается РНК-полимераза. Терминатор — последовательность ДНК, 15 http: //www. biochemistry. ru/biohimija_severina/B 5873 Part 31 -185. html на которой РНК-полимераза прекращает синтез РНК

Транскрипция – матричный процесс, в котором выделяют три стадии Стадии транскрипции ИНИЦИАЦИЯ (самая медленная стадия) промотор ЭЛОНГАЦИЯ Процессы, происходящие на стадиях транскрипции 1. 2. 3. Связывание РНК-полимеразы с ДНК Расплетание ДНК на участке 10 -20 нуклеотидов Формирование первых фосфодиэфирных связей Удлинение цепи РНК (самая длительная стадия) ТЕРМИНАЦИЯ (самая короткая стадия) терминатор 1. Остановка синтеза РНК 2. Распад тройного комплекса ДНК—-РНК-полимераза——РНК 16

3. Транскрипция у прокариот. Регуляция транскрипции у прокариот. Схема работы лактозного оперона.

Схема регуляции транскрипции у прокариот (гипотеза оперона) была предложена Ф. Жакобом и Ж. Моно в 1961 г. на примере лактозного оперона для объяснения регуляция генов у E. coli (Нобелевская премия по физиологии и медицине, 1965 г. ). Оперон – группа тесно сцепленных генов, находящихся под контролем общего промотора и транскрибируемых как единая и-РНК. Оперон – группа структурных генов управляемых одним геномоператором. Оперон – участок ДНК, на котором синтезируется и-РНК, определяющая синтез белка 18

Регуляция транскрипции у прокариот В состав оперона входит: 1. Промотор 2. Инициатор 3. Ген-оператор 4. Структурные гены 5. Терминатор Ген-регулятор не является частью оперона, он активен постоянно и на основе его информации через и-РНК синтезируется особый белокрепрессор. Белок-репрессор связывается индуктором. Индуктор – вещество, инициирующее синтез фермента, который его разлагает. 19

Схема работы лактозного оперона Оперон работает 20

Регуляция работы генов у прокариот http: //bio. fizteh. ru/student/files/biology/biolections/lection 11. html 21

4. Транскрипция у эукариот. Регуляция транскрипции у эукариот.

Схема регуляции транскрипции у эукариот разработана Георгием Павловичем Георгиевым (1972 г. ) и получила название гипотезы транскриптона. Единица транскрипции у эукариот также транскриптон Принцип регуляции (обратная связь) сохраняется, но механизмы ее более сложные. В прокариотической клетке наследственный материал и аппарат биосинтеза белка пространственно не разобщены, поэтому транскрипция и трансляция происходят почти одновременно. У эукариот транскрипция происходит в ядре и сопровождается процессингом пре-РНК транскрипта, трансляция — в 23 цитоплазме на рибосомах.

Транскрипция у эукариот Транскриптон состоит из неинформативной (акцепторной) и информативной (структурной) зон. Неинформативная зона начинается промотором с инициатором. Далее следует группа генов-операторов, за которым расположена информативная зона. Информативная зона образована структурным геном, разделенным на экзоны и интроны. Заканчивается транскриптон терминатором. 24

Энхансеры Энхансер (усилители транскрипции, англ. enhance — увеличивать, усиливать) – это генетический элемент, обладающий усиливающим транскрипцию действием, которое практически не зависит от расположения элемента относительно контролируемого им гена. http: //moikompas. ru/compas /regulation_gene 25

Энхансеры представлены короткими последовательностями ДНК, включающих десятки нуклеотидных пар. Энхансер увеличивает эффективность транскрипции гена в десятки и сотни раз. Энхансеры способны активировать гены на больших расстояниях, достигающих нескольких десятков тысяч пар нуклеотидов. В некоторых случаях они могут активировать транскрипцию генов, расположенных на других хромосомах. Энхансер увеличивает эффективность транскрипции гена в десятки и сотни раз. Особенность энхансеров состоит в том, что они способны действовать на больших расстояниях (более чем 1000 п. н. ) и вне зависимости от ориентации по отношению к направлению транскрипции гена. Еще одной важной характеристикой энхансера является его способность активировать любой промотор, расположенный сравнительно недалеко. Энхансеры — основное средство регуляции транскрипции в клетках высших эукариот. Для взаимодействия энхансера с промотором необходимо приблизить эти сайты друг к другу. Возможность такого контакта может определяться другими регуляторными участками, формирующими петлевую укладку хроматина.

Сайленсеры Сайленсер (ослабители транскрипции, англ. silense — заглушать) – это регуляторный участок ДНК, который подавляет активность промотора. Также как энхэнсеры, сайленсеры действуют в определенной степени независимо от ориентации в геноме и от расстояния от промотора. Связывание белков-репрессоров с сайленсерами приводит к понижению или к полному подавлению синтеза РНК-полимеразой. http: //kak. znate. ru/docs/index-9406. html 27

Сайленсеры Ингибирование транскрипции с использованием регуляторных элементов, называемых сайленсерами, — активный процесс. В этом случае происходит прямое подавление инициации транскрипции путем разрушения транскрипционного комплекса на промоторе или посредством его инактивации иным способом. Первый из описанных в 1986 г. сайленсеров обладал классическими энхансероподобными свойствами, действуя на промоторы, расположенные в цис-положении (на той же молекуле ДНК) на большом расстоянии. При этом активность сайленсера, подобно энхансеру, не зависела от его ориентации по отношению к регулируемому промотору.

Инсуляторы Специфичность действия энхансеров и сайленсеров определяется инсуляторами, которые блокируют активность энхансера или сайленсера. Существуют определенные последовательности нуклеотидов длиной в несколько сотен пар оснований, которые обладают способностью подавлять позитивное и негативное влияние эухроматина и гетерохроматина на экспрессию трансгенов, интегрированных в этот хроматин и фланкированных указанными последовательностями в новом сайте интеграции. Такие участки ДНК как бы изолируют ген, находящийся между ними, способствуя сохранению его обычной пространственной структуры. Эти последовательности известны под названием инсуляторов (англ. insulate — изолировать) и как регуляторные области локусов (LCR — locus control regions). Введение одного из таких элементов между энхансером и промотором регулируемого гена приводит к функциональной изоляции энхансера и подавлению экспрессии гена. http: //kak. znate. ru/docs/index-9406. html 29

Процессинг первичных транскриптов Процессинг (созревание) РНК – совокупность биохимических реакций, в результате которых происходит модификация пре-РНК с образованием зрелых молекул РНК: структурная (уменьшается молекулярная масса) и химическая. 30

Процессинг первичных транскриптов http: //rpp. nashaucheba. ru/docs/index-102487. html 31

Процессинг РНК как компонент центральной догмы молекулярной биологии ДНК Репликация рекомбинация репарация пре-РНК репликация БЕЛОК сворачивание сборка ПРОЦЕССИНГ ФУНКЦИЯ 32

Сплайсинг – это точное воссоединение (сшивание) участков, соответствующих экзонам. 33 http: //bio. fizteh. ru/student/files/biology/biolections/lection 25. html

Альтернативный сплайсинг • обеспечивает кодирование одним геном различных конечных продуктов (структурно и функционально различающихся полипептидов), что определяется спецификой клетки (ткани), то есть, один ген обеспечивает образование изоформ белка, специфичных для различных конкретных тканей; • является эффективным и экономичным способом кодирования множества продуктов ограниченным числом нуклеотидов; • служит одним из механизмов порождения белкового разнообразия у высших эукариот; 34

http: //www. biospsma. spb. ru/SZGMU_SITE/TL_Abstracts_of_l ectures/Structure_and_function_of_the_gene. html

Молекулярная основа наследственности

Молекулярная основа наследственности

МОЛЕКУЛЯРНАЯ ОСНОВА НАСЛЕДСТВИЯ

Поиск генетических материал привел к ДНК
_ До 1940-х годов большое разнообразие белков казалось, указывает на то, что белки были генетическим материалом.
_ Начало открытия генетической роли ДНК с исследованием Griffith в 1928 году.
_ Он изучил Streptococcus pneumoniae , бактерию вызывает пневмонию у млекопитающих.Инжир 16.1.

    _ Штамм R был безвреден.

    _ Штамм S, был патогенен.

_ Гриффит смешанный убитый нагреванием штамм S с живыми бактериями штамма R и введенный это в мышь.
_ Мышь умерла, а он восстановил патогенную штамм из крови мыши.
_ Гриффит назвал это явление трансформацией , изменение генотипа и фенотипа в результате ассимиляции чужеродное вещество (теперь известное как ДНК) клеткой.

_ В 1944 год, Эйвери, Маккарти и Маклауд, после многих лет экспериментов с бактерии, объявили, что трансформирующим веществом является ДНК . Многие все еще были настроены скептически.

_ Далее доказательства того, что ДНК была генетическим материалом, были получены в результате исследований которые отслеживали заражение бактерий вирусами.
_ Вирусы состоят из молекул ДНК (иногда РНК), окруженный защитной оболочкой белка .
_ Для репликации вирус заражает клетку-хозяина и захватывает над метаболическим механизмом клетки. Кино!
_ Вирусы которые специально атакуют бактерии, называются бактериофагами или просто фагов . Инжир 16.2а

_ В 1952, Херши и Чейз показали, что ДНК является генетической материал фага Т2. Инжир 16.2b
_ К определить источник генетического материала в фаге Hershey и Чейз разработали эксперимент, в котором они могли маркировать белок или ДНК, а затем отследить, которые вошли в E.coli во время инфекционное заболевание.

    _ Они вырастили одну партию фага Т2 в присутствии радиоактивной серы, маркируют белки, но не ДНК.

    _ Они вырастили очередную партию в наличие радиоактивного фосфора, маркирующего ДНК, но не белки.

    _ Они позволили каждой партии заражают отдельные культуры E. coli .

    _ Раскрутили культивированных зараженных клетки в блендере, стряхивая любые части фага, которые остались вне бактерий.

    _ Смеси формовались в центрифуга, которая отделяла более тяжелые бактериальные клетки в осадок из более легких свободных фагов и части фага в жидкости супернатант.

    _ Херши и Чейз обнаружили, что когда бактерии были инфицированы фагами Т2, которые содержали радиоактивно меченых белков, большая часть радиоактивности находилась в супернатант, а не в осадке.

    _ При исследовании бактериального культуры с фагом Т2, имеющим радиоактивно меченую ДНК, большинство радиоактивность была в осадке с бактериями.

    _ Херши и Чейз заключили что инъецированная ДНК фага обеспечивает генетическую информацию что заставляет инфицированные клетки производить новую вирусную ДНК и белки, которые собираются в новые вирусы.

_ Другие доказательства — клетки удвоить количество ДНК в клетке перед митозом, а затем распределить ДНК поровну каждой дочерней клетке.
_ В диплоидном наборе хромосом вдвое больше ДНК, чем в гаплоидном. закладывается в гаметах одного и того же организма.

_ К 1947 году Чаргафф имели разработал ряд правил, основанных на исследовании состава ДНК в организмах.

    _ Он уже знал, что ДНК полимер нуклеотидов, состоящий из азотистого основания дезоксирибозы, и фосфатная группа. Инжир 16,3

    _ Основания могут быть адениновыми (А), тимин (Т), гуанин (Г) или цитозин (С).

    _ Чаргафф отметил, что ДНК состав варьируется от вида к виду.

    _ У любого вида четыре основания встречаются в характеристических, но не обязательно равных, отношения.

    _ Он тоже нашел закономерность в соотношениях нуклеотидных оснований, которые известны как Чаргаффа правила.

    _ Количество аденинов было примерно равно количеству тиминов ( %T = %A ).

    _ Количество гуанинов было примерно равно количеству цитозинов ( %G = %C ).

    _ ДНК человека состоит из 30,9 % аденина, 29,4 % тимина, 19,9% гуанина и 19,8% цитозина.

_ Уилкинс и Франклин использовали рентген Кристаллография для изучения структуры ДНК. Инжир 16,4

_ Ватсон и Crick , основанный на работе Уилкинса и Франклина, начал работать над моделью ДНК с двумя нитями, двойной спиралью. Инжир 16.5.
_ Ключевой прорыв произошел, когда Уотсон поставил сахаро-фосфатный цепь снаружи и азотистые основания внутри двойная спираль.

    _ Цепи сахаро-фосфатные каждой нити подобны боковым канатам веревочной лестницы.

    _ Пары азотистых оснований, одна из каждой нити сформируйте перекладины.

    _ Лестница образует изгиб каждый десять баз.

    _ Азотистые основания в паре в определенных сочетаниях: аденин с тимином и гуанином с цитозином.

    _ Спаривание, как у нуклеотидов не соответствует единому диаметру, указанному данными рентгеновского снимка.

    _ Пара пурин-пурин слишком широк, и пара пиримидин-пиримидин была бы слишком короткая.

    _ Только пиримидин-пуриновая пара будет давать диаметр 2 нм, указанный рентгеновскими данными.

    _ Кроме того, Уотсон и Крик установили, что химические боковые группы азотистых оснований образуют водородные связи, соединяющие две нити. Инжир 16.6.

    _ На основании данных их структура, аденин будет образовывать две водородные связи только с тимином а гуанин будет образовывать три водородные связи только с цитозином.

    _ Это открытие объяснило правила.

    _ Линейная последовательность четыре основания можно варьировать бесчисленным множеством способов.

    _ Каждый ген имеет уникальный порядок азотистых оснований.

Репликация ДНК
_ Во второй статье Уотсон и Крик опубликовали свою гипотезу. для того, как ДНК реплицируется.

_ Когда клетка копирует ДНК молекулы, каждая нить служит шаблоном для упорядочения нуклеотидов в новую комплементарную цепь. Инжир 16.7.
_ Модель Уотсона и Крика, полуконсервативная репликация, предсказывает что при репликации двойной спирали каждая из дочерних молекул будет иметь одну старую нить и одну новую прядь. Инжир 16.8.
_ Другие конкурирующие модели, консервативная модель и дисперсионная также были предложены модели.
_ Эксперименты Мезельсона и Шталя в конце 1950-х годов поддержали полуконсервативная модель, предложенная Уотсоном и Криком. две другие модели.

Большое разнообразие ферментов и другие белки осуществляют репликацию ДНК

_ Требуется E. coli меньше чем час, чтобы скопировать каждую из 5 миллионов пар оснований в его одну хромосому и делятся, образуя две идентичные дочерние клетки.
_ Человеческая клетка может копировать свои 6 миллиардов пар оснований и делиться на дочерние клетки всего за несколько часов, с одной ошибкой на миллиард нуклеотиды.

_ Более дюжины ферментов и другие белки участвуют в репликации ДНК.

_ Репликация молекулы ДНК начинается на специальных сайтах, ориджинов репликации. Рис 16.10. Кино!

_ В бактерий это единственная специфическая последовательность нуклеотидов , которая распознается с помощью ферментов репликации.

_ Эти ферменты разделяют нити, образующие повторений «пузыря» .

_ Репликация продолжается в обоих направлениях, пока вся молекула не будет скопирована.

_ В эукариот , есть может быть сотен или тысяч сайтов происхождения на хромосому .

_ В местах происхождения ДНК нити расходятся, образуя репликационный «пузырь» с вилок репликации на каждом конце.

_ Пузырьки репликации удлиняются поскольку ДНК реплицируется и в конечном итоге сливается.

_ ДНК-полимеразы катализируют удлинение новой ДНК на репликационной вилке.

_ Нуклеотиды добавляются к растущий конец новой цепи полимеразой.

_ Необработанные нуклеотиды представляют собой нуклеозид трифосфаты .

_ Каждый имеет азотистое основание , дезоксирибозу и трифосфатный хвост.
_ По мере добавления каждого нуклеотида последние две фосфатные группы гидролизуются с образованием пирофосфата .Инжир 16.11.
_ Экзэргонический гидролиз пирофосфата до двух молекул неорганического фосфата полимеризация нуклеотида в новую цепь.

_ Нити двойной спирали антипараллельны . Инжир 16.12.

_ Сахаро-фосфатные костяки бегите в противоположных направлениях.
_ Каждая цепь ДНК имеет 3′ конец со свободной гидроксильной группой , присоединенной к дезоксирибозе и 5′-конец со свободной фосфатной группой , присоединенной к дезоксирибозе.
_ ДНК-полимеразы могут только добавить нуклеотиды к свободному 3′-концу растущей цепи ДНК. Инжир 16.13.
_ Новая цепь ДНК может быть удлиняются в направлении 5′->3′.
_ На вилке репликации, одна родительская нить (3′-> 5′ в развилке), ведущая цепь , может использоваться полимеразами в качестве матрицы для непрерывного комплементарная нить. Кино!
_ Другая родительская нить (5′->3′ в развилку) копируется отстающая нить . от развилки короткими отрезками ( фрагментов Окадзаки ).Кино!
_ Фрагменты Окадзаки, каждый около 100-200 нуклеотидов соединяются ДНК-лигазой с образованием сахарофосфатный остов одной цепи ДНК.

Для запуска новой цепочки требуется праймер , короткий сегмент РНК. Инжир 16.14.

_ Праймер состоит примерно из 10 нуклеотидов долго у эукариот.
_ Primase , РНК-полимераза, связывает рибонуклеотиды с праймером.
_ Еще одна ДНК-полимераза позже заменяет рибонуклеотиды праймера .
_ Для ведущей пряди требуется образование только одного праймера.
_ Отстающая прядь требует образование нового праймера по мере развития репликационной вилки.
_ После формирования грунтовки, ДНК-полимераза может добавлять новые нуклеотиды от разветвления до тех пор, пока он сталкивается с предыдущим фрагментом Окадзаки.
_ Праймеры преобразованы к ДНК до того, как ДНК-лигаза соединит фрагменты вместе.
_ Копируется отстающая ветвь от развилки короткими сегментами, каждый из которых требует нового праймера.

Сводка репликации. Инжир 16.16. Кино!

Основные белки репликации. Инжир 16.15.

Помимо праймазы, ДНК-полимеразы, и ДНК-лигазы, некоторые другие белки играют заметную роль в Синтез ДНК.

_ A спираль раскручивается и разделяет нити матричной ДНК на репликационной вилке.
_ Одноцепочечные связывающие белки сохраняют непарную матрицу нити расходятся во время репликации.

ДНК-полимераза корректирует каждого нового нуклеотида по шаблону нуклеотида сразу после его добавления.

_ При наличии неправильного спаривания, фермент удаляет неправильный нуклеотид, а затем возобновляет синтез.
_ Окончательная частота ошибок составляет всего один на миллиард нуклеотидов.
_ Молекулы ДНК постоянно подвержены воздействию потенциально вредных химических и физических агентов.
_ Несовпадающие нуклеотиды, которые пропускаются ДНК-полимеразой или мутациями, которые происходят после ДНК синтез завершен, часто можно восстановить.
_ Каждая ячейка постоянно контролирует и восстанавливает свой генетический материал с помощью более чем 130 репарационных ферментов выявлены у человека.
_ В ремонте несоответствия, спец. ферменты исправляют неправильно спаренные нуклеотиды.
_ наследственный дефект один из этих ферментов связан с формой толстой кишки рак .
_ Вырезание нуклеотидов ремонт , нуклеаза вырезает сегмент поврежденного прядь. Инжир 16.17.
_ Пробел заполнен ДНК полимераза и лигаза.
_ Важность правильного функционирование ферментов репарации ясно из наследственного нарушения пигментная ксеродерма .
_ У лиц с этим расстройство, мутации в их клетках кожи остаются неисправленными и вызвать рак кожи.

концов молекул ДНК воспроизводятся специальным механизмом. Инжир 16.18.

_ Обычный механизм репликации не дает возможности завершить 5′-концы дочерних цепей ДНК.
_ Повторяющиеся раунды репликации производят все более и более короткие молекулы ДНК.
_ Концы эукариотических хромосом Молекулы ДНК, теломер , имеют специальные последовательности нуклеотидов. Инжир 16.19б.
_ В теломерах человека это последовательность обычно TTAGGG, повторяется между 100 и 1000 раз.
_ Теломеры защищают гены от разрушается в результате нескольких раундов репликации ДНК, обеспечивая механизм восстановления укороченных теломер.
_ Теломераза использует короткая молекула РНК в качестве матрицы для удлинения 3′-конца теломер.
_ Теперь есть место для примаса и ДНК-полимераза для удлинения 5′-конца.
_ Теломераза присутствует в зародышевые клетки, благодаря чему зигот имеют длинные теломеры.
_ Активная теломераза также обнаружено в раковых соматических клетках .
_ Это превосходит прогрессивный сокращение, которое в конечном итоге привело бы к самоуничтожению рака.
_ Теломераза — это , а не присутствуют в большинстве клеток многоклеточных организмов.
_ Следовательно, ДНК делящихся соматические клетки и культивируемые клетки имеют тенденцию становиться короче.
_ Длина теломер мая быть лимитирующим фактором в продолжительности жизни некоторых тканей и организма.

наследственность | Определения и факты

Донаучные концепции наследственности

Наследственность долгое время была одним из самых загадочных и загадочных явлений природы.Это произошло потому, что половые клетки, образующие мост, по которому наследственность должна проходить между поколениями, обычно невидимы невооруженным глазом. Только после изобретения микроскопа в начале 17 века и последующего открытия половых клеток можно было понять основы наследственности. До этого древнегреческий философ и ученый Аристотель (4 век до н.э.) предполагал, что относительный вклад родителей женского и мужского пола был очень неравным; Считалось, что самка обеспечивает то, что он называл «материей», а самец — «движением».«90 424 Института Ману 90 425», составленные в Индии между 100 и 300 годами нашей эры, рассматривают роль женщины как роль поля, а роль мужчины — как роль семени; новые тела формируются «в результате совместной работы семени и поля». В действительности оба родителя одинаково передают наследственный образец, и в среднем дети похожи на своих матерей не меньше, чем на своих отцов. Тем не менее женские и мужские половые клетки могут сильно различаться по размеру и строению; масса яйцеклетки иногда в миллионы раз превышает массу сперматозоида.

Древние вавилоняне знали, что пыльцу финиковой пальмы мужского пола нужно наносить на пестики женского дерева, чтобы получить плоды. Немецкий ботаник Рудольф Якоб Камерариус показал в 1694 году, что то же самое верно и для кукурузы (кукурузы). Шведский ботаник и исследователь Каролус Линней в 1760 году и немецкий ботаник Йозеф Готлиб Кёльройтер в серии работ, опубликованных с 1761 по 1798 год, описали скрещивания сортов и видов растений. Они обнаружили, что эти гибриды в целом занимали промежуточное положение между родителями, хотя по некоторым характеристикам они могли быть ближе к одному родителю, а по другим — к другому.Кёльрейтер сравнил потомство реципрокных скрещиваний, то есть скрещивания разновидности A , функционирующей как самка, с разновидностью B как самца и, наоборот, разновидности B как самки с A как самца. Гибридное потомство от этих взаимных скрещиваний обычно было одинаковым, что указывает на то, что, вопреки убеждению Аристотеля, наследственность потомства в равной степени происходила от родителей женского и мужского пола. В 1800-х годах было проведено еще много экспериментов с гибридами растений.Эти исследования также показали, что гибриды обычно занимают промежуточное положение между родителями. Между прочим, они записали большинство фактов, которые впоследствии привели Грегора Менделя (, см. ниже ) к формулировке его знаменитых правил и к основанию теории гена. По-видимому, никто из предшественников Менделя не видел значения накапливаемых данных. Общее промежуточное положение гибридов, казалось, лучше всего согласовывалось с верой в то, что наследственность передается от родителей к потомству «по крови», и это убеждение было принято большинством биологов XIX века, включая английского натуралиста Чарльза Дарвина.

Теория наследственности крови, если это понятие можно удостоить таким названием, на самом деле является частью фольклора, предшествовавшего научной биологии. Это подразумевается в таких популярных фразах, как «полукровка», «новая кровь» и «голубая кровь». Это не означает, что наследственность действительно передается через красную жидкость в кровеносных сосудах; существенным моментом является вера в то, что родитель передает каждому ребенку все его характеристики и что наследственный дар ребенка представляет собой сплав, смесь дарований его родителей, бабушек и дедушек и более отдаленных предков.Эта идея нравится тем, кто гордится тем, что имеет благородную или выдающуюся «кровную» линию. Однако возникает загвоздка, когда замечают, что у ребенка есть некоторые характеристики, которых нет ни у одного из родителей, но они присутствуют у некоторых других родственников или присутствовали у более отдаленных предков. Еще чаще видно, что братья и сестры хотя и обнаруживают фамильное сходство в одних чертах, но в других явно различаются. Как одни и те же родители могли передать разную «кровь» каждому из своих детей?

Мендель опроверг теорию крови. Он показал, (1) что наследственность передается через факторы (теперь называемые генами), которые не смешиваются, а разделяются, (2) что родители передают каждому ребенку только половину имеющихся у них генов и передают разные наборы генов детям. разные дети, и (3) что, хотя братья и сестры получают свою наследственность от одних и тех же родителей, они не получают одну и ту же наследственность (исключение составляют однояйцевые близнецы). Таким образом, Мендель показал, что, даже если бы возвышение какого-либо предка было целиком отражением его генов, весьма вероятно, что некоторые из его потомков, особенно более отдаленные, вообще не унаследовали бы эти «хорошие» гены.У организмов, размножающихся половым путем, включая человека, каждый индивидуум обладает уникальной наследственной одаренностью.

Ламаркизм — школа мысли, названная в честь пионера XIX века, французского биолога и эволюциониста Жана-Батиста де Моне, шевалье де Ламарка, — предполагала, что черты, приобретенные в течение жизни человека, наследуются его потомством, или, говоря современным языком, , что изменения, внесенные средой в фенотип, отражаются в аналогичных изменениях в генотипе. Если бы это было так, то результаты физических упражнений сделали бы физические упражнения гораздо более легкими или даже ненужными для потомства человека. Не только Ламарк, но и другие биологи XIX века, в том числе Дарвин, признавали наследование приобретенных признаков. Его поставил под сомнение немецкий биолог Август Вейсман, чьи знаменитые эксперименты конца 1890-х годов по ампутации хвостов у поколений мышей показали, что такая модификация не приводит ни к исчезновению, ни даже к укорочению хвостов у потомков.Вейсман пришел к выводу, что наследственный дар организма, который он назвал зародышевой плазмой, совершенно обособлен и защищен от влияний, исходящих от остального тела, называемого соматоплазмой или сомой. Понятия зародышевая плазма–соматоплазма связаны с понятиями генотип–фенотип, но они не тождественны, и их не следует смешивать с ними.

Ненаследуемость приобретенных признаков не означает, что гены не могут быть изменены влиянием среды; Рентгеновские лучи и другие мутагены, безусловно, изменяют их, а генотип популяции может быть изменен отбором. Это просто означает, что то, что приобретено родителями в их телосложении и интеллекте, не наследуется их детьми. С этими неправильными представлениями связаны убеждения в «препотентности» — т. е. в то, что некоторые особи передают свою наследственность своим потомкам более эффективно, чем другие, — и в «пренатальные влияния» или «материнские впечатления», т. е. в то, что события, переживаемые беременной самкой, отражаются в конституции будущего ребенка. Насколько древними являются эти верования, показано в Книге Бытия, в которой Иаков производит пятнистое или полосатое потомство овец и коз, показывая стадам полосатые прутья, пока животные размножаются.Другая такая вера — «телегония», восходящая к Аристотелю; в нем утверждалось, что на наследственность человека влияет не только его отец, но и самцы, с которыми женщина могла спариваться и которые вызвали предыдущие беременности. Даже Дарвин еще в 1868 г. серьезно обсуждал предполагаемый случай телегонии: случай, когда кобыла спарилась с зеброй, а затем с арабским жеребцом, от которого кобыла произвела на свет жеребенка со слабыми полосами на ногах. Простое объяснение этого результата состоит в том, что такие полосы естественным образом встречаются у некоторых пород лошадей.

Все эти верования, от наследования приобретенных черт до телегонии, теперь должны быть причислены к суевериям. Они не выдерживают экспериментального исследования и несовместимы с тем, что известно о механизмах наследственности и о замечательных и предсказуемых свойствах генетического материала. Тем не менее, некоторые люди все еще цепляются за эти убеждения. Некоторые животноводы серьезно относятся к телегонии и не считают чистокровными особей, чьи родители, по общему признанию, «чистокровны», но чьи матери скрещивались с самцами других пород.Советский биолог и агроном Трофим Денисович Лысенко смог почти за четверть века, примерно между 1938 и 1963 годами, сделать свою особую разновидность ламаркизма официальным кредо в Советском Союзе и запретить большую часть преподавания и исследований в области ортодоксальной генетики. . Он и его сторонники опубликовали сотни статей и книг, якобы подтверждающих их утверждения, фактически отрицающие достижения биологии как минимум за предшествующее столетие. Официально лысенковцы были дискредитированы в 1964 году.

Синтез белка — Основные понятия генетики — Геном Квебек Образование и образование

Синтез белка — Основные понятия генетики — Геном Квебек Образование и образованиеВерх

От ДНК к белку — 3D , вашгеном.org, Wellcome Genome Campus (Великобритания) — 2:42 мин.

Белки — это большие молекулы, которые могут выполнять множество различных функций. Они могут способствовать химическим реакциям (например, ферменты), обеспечивать структурную поддержку (например, цитоскелет), передавать сигналы с поверхности клетки (например, мембранные рецепторы) и многое другое.

Но откуда они?

Гены в нашей ДНК похожи на рецепты, используемые для производства белков. Но поскольку рецепты закодированы с помощью азотистых оснований (ATCG), их необходимо сначала перевести.Многие белки работают вместе над этой задачей трансляции. Нити двойной спирали ДНК должны сначала разойтись, чтобы можно было получить доступ к гену-мишени. Затем белки производят идентичную копию целевой последовательности ДНК: информационную РНК.

Эта копия рецепта, теперь расшифрованная как мессенджер РНК, затем отправляется за пределы клеточного ядра, поскольку белки производятся в другом месте клетки. Оттуда рибосомы, маленькие частицы, присутствующие в большом количестве вокруг ядра, будут служить поварами, читая рецепт приготовления белка.Аминокислоты являются основными ингредиентами, которые входят в рецепт белка, и рибосомы используют план, предоставленный матричной РНК, чтобы расположить аминокислоты в правильном порядке и сформировать длинную цепь. Аминокислоты представляют собой органические молекулы, содержащие амин, химическое соединение, полученное из аммиака.

Химикам известны сотни аминокислот, но только 20 из них образуют белки. Но белки в этой линейной форме еще не готовы. Чтобы функционировать, он должен складываться в стиле оригами. Это когда он превращается из одиночной цепи в сложную трехмерную структуру.

 

Бонусный материал

РНК (рибонуклеиновая кислота) практически идентична ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота). Его структура аналогична на химическом уровне, но менее стабильна. В то время как ДНК имеет форму скрученной лестницы, образованной двумя комплементарными половинками, РНК чаще всего состоит из одной нити. Он выглядит как лестница, разрезанная пополам сверху донизу. Как и ДНК, РНК состоит из четырех типов азотистых оснований, которые выстраиваются в очень специфической последовательности.В ДНК такими основаниями являются аденин (А), тимин (Т), цитозин (С) и гуанин (Г). Но в РНК тимин заменен урацилом (U), который также способен образовывать пары с аденином (A). Но почему мы не находим урацил в ДНК? Это делается для того, чтобы облегчить восстановление ДНК при возникновении мутации.

Цитозин иногда по ошибке превращается в урацил. Если бы ДНК состояла из урацила, а не из тимина, клетке было бы трудно понять, какие молекулы урацила являются ошибками, которые необходимо исправить. Однако эта проблема не относится к РНК из-за ее короткого времени жизни.Чаще всего молекулы РНК служат своей цели всего за несколько минут, прежде чем их перерабатывают.

Откройте для себя все основные понятия генетики:

Генетические регуляторные механизмы в синтезе белков

Здесь мы рассматриваем принцип трафарета для минерализации внеклеточного матрикса, который описывает процесс с двойным отрицанием (ингибирование ингибиторов), который способствует минерализации в костях и других минерализованных тканях, в то время как состояние по умолчанию ингибирование само по себе предотвращает минерализацию в других местах мягких соединительных тканей.Принцип трафарета действует на нескольких уровнях: от макромасштаба (скелет/зубной ряд 90 424 против 90 425 мягких соединительных тканей) до микромасштаба (например, энтезы и комплекс прикрепления зубов, где мягкая периодонтальная связка расположена между минерализованным цементом зуба и минерализованным альвеолярным отростком). кость) и до мезомасштаба (минеральная мозаика). Он относится как к низкомолекулярным ( например, пирофосфат) и белковым ( например остеопонтин) ингибиторам минерализации, так и к промоторам (ферменты, например, e.г. TNAP, PHEX), которые разлагают ингибиторы, позволяя и регулируя минерализацию. В этом процессе возникает организационный мотив для костного минерала, который мы называем кросс-фибриллярной минеральной мозаикой , где минеральные образования, называемые мозаиками, , геометрически аппроксимируют вытянутые эллипсоиды и пересекают множественные коллагеновые фибриллы (латерально). Рост тесселей обусловлен структурной анизотропией коллагена, который пространственно ограничен более короткими поперечными размерами тесселей (в среднем 1.6 × 0,8 × 0,8 мкм, соотношение сторон 2, диапазон длин 1,5–2,5 мкм). Временно-пространственно тесселлы упираются в 3D (плотная эллипсоидная упаковка), чтобы заполнить объем внеклеточного матрикса пластинчатой ​​кости. Слабоминерализованные межфазные промежутки между соседними тесселями остаются различимыми даже в зрелой пластинчатой ​​кости. Мозаика одного и того же небольшого базового блока для формирования более крупных структурных узлов приводит к многочисленным трехмерным интерфейсам, позволяет рассеивать критические напряжения и обеспечивает безотказную циклическую деформацию. Неполная мозаика при остеомаляции/одонтомаляции может объяснить, почему мягкие кости с остеомаляцией изгибаются и деформируются под нагрузкой.

Генетическая информация и синтез белка

ДНК несет гены, кодирующие белки

Генетический код

Гены представляют собой последовательности нуклеотидов ДНК, которые несут и передают информацию, определяющую аминокислотные последовательности для синтеза белка. Каждая молекула ДНК содержит множество генов. Геном в совокупности относится ко всей генетической информации, закодированной в клетке. За исключением репродуктивных клеток, все клетки человека содержат 46 молекул ДНК в каждом клеточном ядре. Каждая молекула ДНК соответствует хромосоме. Каждая хромосома упакована белками, называемыми гистонами. Комплекс хромосом и гистонов называют нуклеосомами.

Молекулы РНК отвечают за передачу информации от ДНК к месту синтеза белка. Сами молекулы РНК синтезируются в соответствии с информацией, закодированной в ДНК.
транскрипция трансляция

ДНК -> мРНК -> белок

Напомним, что нуклеотиды ДНК состоят из длинных цепочек оснований.Триплетный код представляет собой последовательность из трех оснований на одной цепи ДНК. Каждый триплетный код «читается» и требует определенной аминокислоты. Напомним, что в ДНК есть 4 основания (гуанин, аденин, цитозин, тимин) и 20 аминокислот, которые связаны друг с другом в различном порядке, образуя различные белки. 4 основания могут быть организованы в 64 различных триплетных кода (последовательность из трех оснований). Шестьдесят один (61) код соответствует одной из 20 аминокислот, данная аминокислота может быть указана более чем одним триплетным кодом, в то время как оставшиеся три триплетных кода действуют как стоп-сигналы и скорее заканчивают белковую цепь. чем добавление аминокислоты.По мере считывания триплетных кодов к растущей цепи добавляется соответствующая аминокислота, и конечным результатом является белок, определяемый информацией ДНК. Генетический код универсален во всех клетках.

Синтез белка

Транскрипция: синтез мРНК

Первым делом в синтезе белка является распутывание двойной спирали ДНК и разделение двух нитей нуклеотидов. Одна из нитей будет служить матрицей и будет определять последовательность нуклеотидов РНК.Нить матрицы определяется наличием определенной последовательности нуклеотидов ДНК, называемой промотором. Последовательность расположена ближе к началу гена. РНК-полимераза — это фермент, который соединяет выровненные рибонуклеотиды в цепь. Когда триплетные коды достигают стоп-последовательности или стоп-сигнала, РНК-полимераза заканчивает цепь и затем высвобождает РНК-транскрипт. В качестве последнего штриха к концу транскрибируемой цепи РНК добавляется серия адениновых нуклеотидов, называемая поли-А-хвостом . Хвост жизненно важен, поскольку он дает сигнал, необходимый для того, чтобы позволить РНК выйти из ядра, а затем соединиться с рибосомами в цитоплазме, где из закодированной информации будут синтезироваться белки.
В ДНК последовательности из трех оснований называются триплетными кодами, а в РНК последовательности из трех оснований, определяющие одну аминокислоту, называются кодонами. Следовательно, триплетные коды и кодоны аналогичны по функциям. Вся последовательность нуклеотидов во всей цепи матрицы транскрибируется в первичный транскрипт РНК.Только определенные сегменты этого гена на самом деле кодируют аминокислоты. Сегменты называются экзонами, а некодирующие сегменты между экзонами называются интронами. Интроны отделяются от гена сплайсосомой, образуя непрерывную последовательность экзонов; последовательность теперь называется мРНК.

Трансляция: синтез полипептидов

После удаления интронов мРНК выходит в цитоплазму через ядерные поры и связывается с рибосомой. Каждая рибосома состоит из белков и класса РНК, называемого рибосомной РНК (рРНК), которая представляет собой цепь, транскрибируемую с ДНК в ядрышке.

Транспортная РНК (тРНК) является связующим звеном между аминокислотой и ее кодоном мРНК, поскольку молекула тРНК в форме листьев клевера может соединяться с обоими. Транспортная РНК синтезируется в ядре до того, как она выйдет в цитоплазму. Фермент, называемый аминоацил-тРНК-синтетазой (их 20, специфичных для каждой аминокислоты), связывает определенные аминокислоты с молекулами тРНК. Затем молекула тРНК и аминокислота спариваются с мРНК с последовательностью из трех оснований, называемой антикодоном. Антикодон определяет аминокислоту.

Сборка белка представляет собой трехстадийный процесс:

  1. Инициация полипептидной цепи начинается со связывания антикодона в комплексе аминокислота-тРНК с соответствующим кодоном в комплексе мРНК-рибосома. Это начальное связывание управляется ферментами, называемыми факторами инициации; активность этих ферментативных факторов регулирует скорость синтеза белка. Фаза инициации — самая медленная из трех фаз в процессе сборки.
  2. Удлинение полипептидной цепи – вторая фаза.Каждая аминокислота, вводимая в цепь на молекуле тРНК, связана пептидной связью с концом растущей белковой цепи; свободная тРНК затем высвобождается из рибосомы и присоединяется к другой аминокислоте.
  3. Рибосома действует как «считыватель», и когда она достигает терминирующей последовательности в мРНК, связь между полипептидной цепью и тРНК разрывается. Готовый белок затем высвобождается из рибосомы, и рибосома становится доступной для следующей нити мРНК, исходящей из ядра.

Когда небольшой белок выходит из рибосомы, он подвергается сворачиванию. Более крупные белки будут складываться в углублении небольшой полой белковой камеры, называемой шаперонами. Если что-то должно быть добавлено к белковой цепи, например производные углеводов или липидов, это происходит в месте шаперона. В конце концов, молекулы мРНК расщепляются на нуклеотиды цитоплазматическими ферментами.

Митохондриальная ДНК не имеет интронов. Каждая митохондрия имеет полный набор механизмов для производства собственных белков, остальное обеспечивает ядерная ДНК.

Регуляция синтеза белка

Сигналы внутри или снаружи клетки могут включать или выключать транскрипцию генов. Эта регуляция осуществляется посредством аллостерической или ковалентной модуляции класса ферментов, называемых факторами транскрипции. Преинициаторный комплекс в промоторной области формирует эти факторы и активирует или репрессирует процесс инициации (такой как разделение нитей ДНК, активация РНК-полимеразы).

Белковая секреция

Белки, секретируемые клеткой, имеют сигнальную последовательность, которая связывается со специфическим мембранным белком на поверхности гранулярного эндоплазматического ретикулума и направляется в его просвет, внутри которого сигнальная последовательность удаляется, а углеводные группы присоединены (почти все секретируемые белки являются гликопротеинами). Части ретикулума отпочковываются, образуя пузырьки, содержащие белки. Везикулы мигрируют в аппарат Гольджи и сливаются с мембраной Гольджи. В Golgi группы могут быть добавлены или удалены в соответствии с конечным назначением белков. Затем белки упаковываются в везикулы, которые отпочковываются от поверхности мембраны Гольджи и перемещаются к плазматической мембране, где они сливаются и высвобождают свое содержимое во внеклеточную жидкость посредством процесса, называемого экзоцитозом.

Репликация и экспрессия генетической информации

Каждая клетка имеет 44 аутосомы, хромосомы, содержащие гены, продуцирующие белки, определяющие структуру и функции клетки, и 2 половые хромосомы, содержащие гены, определяющие пол.Каждый родитель вносит половину этих (22) аутосом и (1) половых хромосом. Каждая пара аутосом имеет гомологичные гены, кодирующие один и тот же белок.

Каждый раз, когда клетка делится, все 46 хромосом, каждая из которых соответствует молекуле ДНК, должны быть реплицированы, и идентичные копии должны быть переданы каждой из новых дочерних клеток. Следовательно, все клетки (кроме сперматозоидов и яйцеклеток) имеют одинаковый набор ДНК (и, следовательно, генов). Что отличает одну клетку от другой, так это дифференциальная экспрессия различных наборов генов.

Репликация ДНК

ДНК — единственная молекула в клетке, способная воспроизводить себя без получения информации от какого-либо другого компонента клетки. Во время репликации две нити двойной спирали расходятся, и каждая открытая нить действует как матрица, к которой присоединяются свободные дезоксирибонуклеотидтрифосфаты. Затем фермент ДНК-полимераза связывает свободные нуклеотиды, образуя цепь, комплементарную каждой цепи матрицы, образуя две идентичные молекулы ДНК.

Ферменты, способствующие репликации, прикрепляются к ДНК непосредственно перед местом разделения нитей.Чтобы ферменты находили место для закрепления, когда процесс репликации достигает терминального сегмента молекулы ДНК, фермент, называемый теломеразой, добавляет повторяющуюся последовательность, называемую теломерой , на конце молекулы ДНК. В отсутствие теломеразы каждая репликация приводит к укорочению молекулы ДНК. Любая ошибка в базовой последовательности во время репликации исправляется с помощью механизма, называемого корректурой.

Деление клетки и клеточный цикл

Период между концом одного деления и началом следующего называется интерфазой .Клетка проводит большую часть своего времени в интерфазе, которую можно разделить на:

  1. G1 (Пробел 1) : Период от конца одного деления до S фазы.
  2. S (Синтез) : Период, когда репликация ДНК происходит после фазы G1.
  3. G2 (Пробел 2) : Короткий интервал между окончанием S-фазы и фактическим делением клетки.

М-фаза — собственно клеточное деление, состоящее из ядерного деления, митоза и цитоплазматического деления, цитокинеза .

Двумя критическими контрольными точками, контролирующими ход клеточного цикла, являются границы GI – S и G2 – M.

Некоторые клетки, например, стволовые клетки, делятся непрерывно и непрерывно проходят через последовательные клеточные циклы, в то время как некоторые клетки, например нервные клетки, редко делятся и проводят большую часть своего времени в фазе, называемой G0, которая представляет собой остановленную G1 без входа в фаза С. Go может быть временной фазой, и клетка может повторно войти в активный клеточный цикл после получения подходящих сигналов от белков, называемых факторами роста, которые контролируют синтез ферментов, киназ цикла клеточного деления (киназы cdc) и циклинов.

В результате репликации молекулы ДНК образуются две идентичные цепи, называемые сестринскими хроматидами; соединяются вместе в точке, называемой центромерой. Непосредственно перед клеточным делением имеется 46 хромосом, каждая из которых состоит из двух хроматид. Ядерная оболочка разрывается, центромеры хромосом сцепляются с нитями веретена, состоящими из микротрубочек, выходящих из центросомы. 2 центриоли центросомы делятся, и пара перемещается в противоположные стороны клетки.

Сестринские хроматиды расходятся на центромере и движутся к противоположным центриолям.Цитокинез окончательно делит клетку на две части. Волокна веретена распадаются, вновь появляется ядерная мембрана и раскручиваются хроматиды.

Мутация

Любое изменение последовательности нуклеотидов ДНК, вызванное факторами, называемыми мутагенами, которые разрывают химические связи в ДНК и приводят к потере или включению сегментов. Это также происходит естественным образом из-за ошибок во время репликации.

Типы мутаций:

  1. Точечная мутация – Одно основание заменяется другим.Может изменить или не изменить аминокислотную последовательность из-за избыточности генетического кода.
  2. Добавление/удаление – Добавляются или удаляются целые участки ДНК, что приводит к неправильному прочтению кода или потере набора генов.

Мутация может не иметь никакого эффекта, если:

  • Мутация происходит в сегменте интрона
  • Измененная аминокислота не влияет на структуру и функцию полипептида
  • Гомологичный ген не поврежден и способен продуцировать интактный белок
  • Аминокислота может быть получена из внешних источников.

Мутация в сперматозоиде или яйцеклетке не влияет на человека, но влияет на потомство.

Мутации могут способствовать внесению вариаций, некоторые из которых могут быть лучше с точки зрения конкуренции.

Механизмы восстановления ДНК

В клетках имеется ряд ферментативных механизмов, которые могут восстанавливать одну измененную цепь ДНК на основе матрицы, обеспечиваемой неповрежденной цепью.

Генофонд

Аллели представляют собой варианты одного и того же гена. От каждого родителя передается по одному аллелю каждого гена.Если оба аллеля идентичны, индивидуум гомозиготен по этому гену, если два различны, индивидуум гетерозиготен. Совокупность аллелей у особи называется ее генотипом. Экспрессия генотипов в белки, производящие специфическую структурную и функциональную форму, называется фенотипом.

Каждый гомологичный аллель гена (за исключением генов в половых хромосомах) может транслироваться в белки. Если только один из аллелей активен и дает признак, его называют доминантным аллелем. Если оба аллеля должны быть активны для получения определенного признака, такие аллели называются рецессивными.

Генетическое заболевание может быть результатом наследования мутантных генов, которые вызывают аномальную структуру или функцию. Семейная гиперхолестеринемия, муковисцидоз, серповидноклеточная анемия, гемофилия, мышечная дистрофия являются моногенными заболеваниями. Полигенные заболевания возникают в результате нескольких дефектных генов, каждый из которых сам по себе малоэффективен. Примерами являются диабет, гипертония и рак.

Хромосомные болезни возникают в результате добавления или делеции целых хромосом или их частей во время мейоза. Примером может служить синдром Дауна или трисомия 21, при которой яйцеклетка имеет дополнительную копию хромосомы 21.

Рак

Рак — это генетическое заболевание, которое обычно не передается по наследству. Возникают в результате мутаций в соматических клетках. Приводит к отказу системы контроля, которая регулирует клеточное деление, и приводит к неконтролируемому росту.
Доминантные гены, вызывающие рак, называемые онкогенами, кодируют аномальные формы рецепторов клеточной поверхности, которые связывают факторы роста и производят непрерывный сигнал роста.Рецессивные гены, вызывающие рак, называемые генами-супрессорами опухолей, не могут продуцировать белки, которые ингибируют различные этапы репликации клеток.
Аномальная репликация клеток образует тканевую массу, называемую опухолью . Если эти клетки остаются локализованными, это называется доброкачественной опухолью, если они проникают в окружающие ткани, это называется злокачественной опухолью.

Рак, развивающийся в эпителиальных клетках, называется карциномой, в мышечных клетках — саркомой, а в лейкоцитах — лимфомой.Наиболее часто поражаются легкие, толстая кишка и молочная железа. Заболеваемость раком увеличивается с возрастом из-за накопления дефектных мутаций.
Мутагены, повышающие вероятность раковой трансформации клетки, называются канцерогенами.

Генная инженерия

Модификация последовательности оснований молекулы ДНК путем добавления или удаления оснований. Включает:

  1. Разрезание нитей ДНК в определенных местах, называемых сайтами рестрикции, бактериальными ферментами, называемыми рестрикционными нуклеазами.
  2. Связывание полученных интересующих фрагментов с другой молекулой ДНК с помощью фермента, называемого лигазой.
    Процесс переноса ДНК из одного организма в другой называется трансфекцией, а организм, в который произошел такой перенос, называется трансгенным организмом.

Бактерии могут быть трансфицированы человеческими генами для производства больших количеств человеческих белков. Включает производство ДНК без интронов, называемой комплементарной ДНК (кДНК), с использованием вирусного фермента, называемого обратной транскриптазой, на матрице мРНК.Потребность в кДНК возникает из-за того, что бактериальная ДНК не имеет ни интронов, ни механизма их сплайсинга.