Структура ДНК. Властивості ДНК як речовини спадковості і мінливості.

КАТЕГОРІЇ:

Автомобілі Астрономія Біологія Географія Будинок і сад Інші мови інше Інформатика Історія Культура література логіка Математика Медицина металургія механіка Освіта Охорона праці Педагогіка політика право Психологія релігія риторика Соціологія Спорт Будівництво технологія туризм фізика Філософія фінанси хімія Креслення Екологія Економіка електроніка

Первинна структура ДНК - це лінійна послідовність нуклеотидів ДНК в ланцюзі. Послідовність нуклеотидів у ланцюгу ДНК записують у вигляді буквеної формули ДНК: наприклад - AGTCATGCCAG, запис ведеться з 5'- на 3'-кінець ланцюга ДНК.

Вторинна структура ДНК утворюється за рахунок взаємодій нуклеотидів (більшою мірою азотистих основ) між собою, водневих зв'язків. Класичний приклад вторинної структури ДНК - подвійна спіраль ДНК. Подвійна спіраль ДНК - найпоширеніша в природі форма ДНК, що складається з двох полінуклеотидних ланцюгів ДНК. Побудова кожної нової ланцюга ДНК здійснюється за принципом комплементарності, т. Е. Кожному азотистій підставі одного ланцюга ДНК відповідає строго певне підставу інший ланцюга: в комплемнтарной парі навпаки A варто T, а навпаки G розташовується C і т.д.

Одним з основних властивостей матеріалу спадковості є його здатність до самокопірованія - реплікація. Це властивість забезпечується особливостями хімічної організації молекули ДНК, що складається з двох комплементарних ланцюгів. У процесі реплікації на кожній полінуклеотидних ланцюга материнської молекули ДНК синтезується комплементарна їй ланцюг. В результаті з однієї подвійної спіралі ДНК утворюються дві ідентичні подвійні спіралі. Такий спосіб подвоєння молекул, при якому кожна дочірня молекула містить одну материнську і одну знову синтезовану ланцюг, називають напівконсервативним.

Для здійснення реплікації ланцюга материнської ДНК повинні бути відокремлені один від одного, щоб стати матрицями, на яких будуть синтезуватися комплементарні ланцюга дочірніх молекул.

Ініціація реплікації здійснюється в особливих ділянках ДНК, які охоплюють ori (від англ. Origin - початок). Вони включають послідовність, що складається з 300 нуклеотидних пар, впізнавану специфічними білками. Подвійна спіраль ДНК в цих локусах розділяється на два ланцюги, при цьому, як правило, по обидва боки від точки початку реплікації утворюються області розбіжності полінуклеотидних ланцюгів - Реплікаційний вилки, які рухаються в протилежних від локусу ori напрямках. Між вилки реплікації утворюється структура, звана репликационная оком, де на двох ланцюгах материнської ДНК утворюються нові полінуклеотидні ланцюга (рис 8, А).

За допомогою ферменту гелікази, що розриває водневі зв'язки, подвійна спіраль ДНК розплітається в точках початку реплікації. Утворені при цьому одинарні ланцюга ДНК зв'язуються спеціальними дестабілізуючими білками, які розтягують остови ланцюгів, роблячи їх азотисті основи доступними для зв'язування з комплементарними нуклеотидами, що знаходяться в нуклеоплазмі. На кожній з ланцюгів, що утворюються в області вилки реплікації, за участю ферменту ДНК-полімерази здійснюється синтез комплементарних ланцюгів

Поділ спірально закручених ланцюгів батьківської ДНК ферментом геліказу викликає поява супервитки перед репликационной виделкою. Це пояснюється тим, що при розбіжності кожних 10 пар нуклеотидів, що утворюють один виток спіралі, батьківська ДНК повинна зробити один повний оберт навколо своєї осі. Отже, для просування вилки реплікації вся молекула ДНК перед нею повинна була б швидко обертатися, що вимагало б великої затрати енергії. Насправді це не спостерігається завдяки особливому класу білків, званих ДНК-топоізомеразами. Топоізомераза розриває одну з ланцюгів ДНК, що дає їй можливість обертатися навколо другого ланцюга. Це послаблює напругу, що нагромадилася в подвійної спіралі ДНК (рис.9).

До вивільняються водневим зв'язкам нуклеотиднихпослідовностей розділених батьківських ланцюгів приєднуються вільні нуклеотиди з нуклеоплазми, де вони присутні у вигляді дезоксірібонуклеозідгріфосфатов: дАТФ, ДГТФ, дЦТФ, дТТФ. Комплементарний нуклеозидтрифосфат утворює водневі зв'язки з певним підставою материнської ланцюга ДНК. Потім за участю ферменту ДНК-полімерази він зв'язується фосфодіефірних зв'язком з попереднім нуклеотидом знову синтезованої ланцюга, віддаючи при цьому неорганічний пірофосфат (рис.10).

Оскільки ДНК-полімераза приєднує черговий нуклеотид до ОН-групі в 3'-положенні попереднього нуклеотиду, ланцюг поступово подовжується на її 3'-кінці.

Особливістю ДНК-полімерази є її нездатність почати синтез нової полінуклеотидних ланцюга шляхом простого скріплення двох нуклеозидтрифосфатів: необхідний 3'-ОН-кінець будь-якої полінуклеотидних ланцюга, спареної з матричної ланцюгом ДНК, до якої ДНК-полімераза може лише додавати нові нуклеотиди. Таку полінук-леотідную ланцюг називають запалом або праймером.

46. Докази ролі ДНК як носія спадкової інформації.

Перший успіх в молекулярній генетиці був досягнутий при вивченні генетичної трансформації у бактерій.

Трансформація в генетиці, внесення в клітку генетичної інформації за допомогою ізольованої дезоксирибонуклеїнової кислоти (ДНК). Трансформація призводить до появи у трансформованому клітини (трансформанта) і її потомства нових ознак, характерних для об'єкта - джерела ДНК. Явище Трансформація було відкрито в 1928 англійським ученим Ф. Гриффітом, хто спостерігав успадковане відновлення синтезу капсульного полісахариду в пневмококів при зараженні мишей сумішшю убитих нагріванням капсульованих бактерій і клітин, позбавлених капсули. Організм миші в цих експериментах грав роль своєрідного детектора, так як придбання капсульного полісахариду повідомляло клітинам, позбавленим капсули, здатність викликати смертельний для тварини інфекційний процес. У наступних експериментах було встановлено, що Трансформація має місце і в тому випадку, коли замість убитих клітин до позбавлених капсули пневмококів додавали екстракт із зруйнованих капсульованих бактерій. У 1944 О. Ейвері із співробітниками (США) встановив, що фактором, що забезпечує Трансформація, є молекули ДНК. Ця робота - перше дослідження, яке довело роль ДНК як носія спадкової інформації.

О. Ейвері із співробітниками виявив, що спадкові ознаки одного штаму пневмококів можуть бути передані іншій, генетично відмінному штаму шляхом введення в його клітини дезоксирибонуклеїнової кислоти (ДНК), виділеної з першого штаму. Згодом подібна генетична трансформація за допомогою ДНК була здійснена у інших бактерій, а останнім часом - і у деяких багатоклітинних організмів (квіткові рослини, комахи). Т. о., Було показано, що гени складаються з ДНК. Цей висновок був підтверджений дослідами з ДНК-вмісними вірусами: для розмноження вірусу досить введення молекул вірусної ДНК в клітину чутливого господаря; та ін. компоненти вірусу (білки, ліпіди) позбавлені інфекційних властивостей і генетично інертні. Аналогічні досліди з вірусами, що містять замість ДНК рибонуклеїнової кислоту (РНК), показали, що у таких вірусів гени складаються з РНК. З'ясування генетичної ролі ДНК і РНК послужило потужним стимулом для вивчення нуклеїнових кислот біохімічними, фізико-хімічними та рентгеноструктурного методами.

47. Взаємозв'язок між геном і ознакою. Гіпотеза Бідла-Татум "Один ген - один фермент".
Довгий час ген розглядали як мінімальну частину спадкового матеріалу (геному), що забезпечує розвиток певної ознаки у організмів даного виду. Проте яким чином функціонує ген, залишалося неясним. У 1945 р Дж. Бідлом і Е. Татум була сформульована гіпотеза, яка вміщується у формулу «Один ген - один фермент». Відповідно до цієї гіпотези, кожна стадія метаболічного процесу, що призводить до утворення в організмі (клітці) якогось продукту, каталізується білком-ферментом, за синтез якого відповідає один ген.

Пізніше було показано, що багато білків мають четвертинних структуру, в утворенні якої беруть участь різні пептидні ланцюга. Наприклад, гемоглобін дорослої людини включає чотири глобінових ланцюга - 2α і 2β, які кодуються різними генами. Тому формула, що відображає зв'язок між геном і ознакою, була дещо перетворена: «Один ген - один поліпептид».

Вивчення хімічної організації спадкового матеріалу і процесу реалізації генетичної інформації призвело до формування уявлення про гені як про фрагмент молекули ДНК, транскрибується у вигляді молекули РНК, яка кодує амінокислотну послідовність пептиду або має самостійне значення (тРНК і рРНК).

Відкриття екзон-інтронів організації еукаріотичних генів і можливості альтернативного сплайсингу показали, що одна і та ж нуклеотидних послідовність первинного транскрипту може забезпечити синтез декількох поліпептидних ланцюгів з різними функціями або їх модифікованих аналогів. Наприклад, в мітохондріях дріжджів є ген box (або cob), що кодує дихальний фермент цитохром b.Он може існувати в двох формах. «Довгий» ген, що складається з 6400 п. Н., Має 6 екзонів загальною протяжністю 1155 п.н. і 5 интронов. Коротка форма гена складається з 3300 пар основ і має 2 інтрона. Вона фактично є позбавлений перших трьох інтронів «довгий» ген. Обидві форми гена однаково добре експресуються.

Після видалення першого інтрони «довгого» гена box на основі об'єднаної нуклеотидноїпослідовності двох перших екзонів і частини нуклеотидів другого інтрона утворюється матриця для самостійного білка - РНК-матурази. Функцією РНК-матурази є забезпечення наступного етапу сплайсингу - видалення другого інтрона з первинного транскрипту і в кінцевому рахунку утворення матриці для цитохрому b.

Іншим прикладом може служити зміна схеми сплайсингу первинного транскрипту, що кодує структуру молекул антитіл у лімфоцитах. Мембранна форма антитіл має на С-кінці довгий «хвіст» амінокислот, який забезпечує фіксацію білка на мембрані. У секретируемой форми антитіл такого хвоста немає, що пояснюється видаленням в ході сплайсингу з первинного транскрипту кодують цю ділянку нуклеотидів.

У вірусів і бактерій описана ситуація, коли один ген може одночасно бути частиною іншого гена або деяка нуклеотидних послідовність ДНК може бути складовою частиною двох різних перекриваються генів. Наприклад, на фізичній карті генома фага ФХ174 видно, що послідовність гена В розташовується всередині гена А, а ген Е є частиною послідовності гена D. Цією особливістю організації генома фага вдалося пояснити існуючу невідповідність між відносно невеликим його розміром (він складається з 5386 нуклеотидів) і числом амінокислотних залишків у всіх білках, що синтезуються, яке перевищує теоретично припустиме при даній ємності генома. Можливість складання різних пептидних ланцюгів на мРНК, синтезованої з перекриваються генів (А і В або Е і D), забезпечується наявністю всередині цієї мРНК ділянок зв'язування з рибосомами. Це дозволяє почати трансляцію іншого пептиду з нової точки відліку.

Нуклеотидная послідовність гена В є одночасно частиною гена А, а ген Е становить частину гена D

У геномі фага λ були також виявлені перекриваються гени, що транслюються як із зсувом рамки, так і в тій же рамці зчитування. Передбачається також можливість транскрибування двох різних мРНК з обох комплементарних ланцюгів однієї ділянки ДНК. Це вимагає наявності промоторних областей, що визначають рух РНК-полімерази в різних напрямках уздовж молекули ДНК.

Описані ситуації, що свідчать про допустимість зчитування різної інформації з однієї і тієї ж послідовності ДНК, дозволяють припустити, що перекриваються гени являють собою досить поширений елемент організації генома вірусів і, можливо, прокаріотів. У еукаріот уривчастість генів також забезпечує можливість синтезу різноманітних пептидів на основі однієї і тієї ж послідовності ДНК.

Маючи на увазі все сказане, необхідно внести поправку в визначення гена. Очевидно, не можна більше говорити про гені як про безперервну послідовності ДНК, однозначно кодує певний білок. Мабуть, в даний час найбільш прийнятною все ж слід вважати формулу «Один ген - один поліпептид», хоча деякі автори пропонують її переінакшити: «Один поліпептид - один ген». У всякому разі, під терміном ген треба розуміти функціональну одиницю спадкового матеріалу, по хімічній природі що є полінуклеотидом і визначальну можливість синтезу поліпептидного ланцюга, тРНК або рРНК.

Дата додавання: 2015-01-19; переглядів: 124; Порушення авторських прав