загрузка...
 
Лекція 8 Основи молекулярної генетики. Будова і функції ДНК
Повернутись до змісту

Лекція 8 Основи молекулярної генетики. Будова і функції ДНК

Клітини здатні підтримувати високу впорядкованість своєї організації завдяки генетичній інформації, що зберігається, відтворюється, реалізується й удосконалюється. У основі цих фундаментальних явищ є молекулярні процеси, що відбуваються за допомогою ДНК і РНК.

У клітині, в організації потоку біологічної інформації, послідовно беруть участь ДНК хромосом ядра, молекули інформаційної РНК, які переносять її у цитоплазму, потім рибосоми, транспортна РНК і ферменти активізації амінокислот. Нарешті, синтезуються білки, які мають певну структуру і функції.

Головна роль у зберіганні та перенесені інформації належить нуклеїновим кислотам. Уперше нуклеїнові кислоти були виявлені Ф. Мішером у 1869 році. Переконливі докази того, що саме з ДНК пов’язана передача спадкової інформації, отримані при вивчені вірусів. Вагомі докази ролі ДНК у передачі спадкової інформації отримано також в експериментах на мікроорганізмах завдяки явищам трансформації, трансдукції і кон’югації.

Трансформація (перетворення) – включення чужорідної ДНК у геном клітини хазяїна, що призводить до зміни її структурних і функціональних властивостей.

Трансдукція (переміщення) – полягає в тому, що віруси, залишивши бактеріальні клітини, в яких вони паразитували, можуть захоплювати частину їх ДНК і, потрапивши в нові клітини, передають новим хазяям властивості попередніх.

Кон’югація (з’єднання) – перенос генетичного матеріалу від однієї бактерії до іншої шляхом утворення цитоплазматичного містка, переміщення частини ДНК та її інтеграції з геномом клітини реципієнта.

Будова нуклеїнових кислот

Встановлення структури ДНК відкрило нову епоху в біології, оскільки дозволило зрозуміти, яким чином живі клітини, а значить і організми, точно відтворюють собі подібних і як у них кодується інформація, яка необхідна для регуляції їх життєдіяльності.

Дж. Уотсон і Ф. Крік встановили молекулярну структуру нуклеїнових кислот та їх роль у передачі інформації у живій матерії, за що в 1962 р. отримали Нобелівську премію.

Відомо дві групи цих кислот – РНК і ДНК. Вони відрізняються хімічною будовою і біологічними властивостями. Деякі віруси містять тільки РНК, інші – тільки ДНК, але клітини бактерій і всіх еукаріот містять нуклеїнові кислоти обох типів. ДНК і РНК у клітині локалізовані по-різному. ДНК знаходиться переважно в ядрі, входить до складу хроматину, зосереджена у хромосомах. ДНК також входить до складу мітохондрій, центросом і пластид. Основні резервуари РНК – ядерця ядра і рибосоми, які розміщенні у цитоплазмі. Крім того, РНК знаходиться у цитоплазматичному матриксі.

Нуклеїнові кислоти – це полімери, мономерами яких є нуклеотиди.

Кожний нуклеотид складається з моносахариду (рибози або дезоксирибози), залишку фосфорної кислоти і однієї з чотирьох азотистих основ: аденіну (А), гуаніну (Г), цитозину (Ц), і тиміну (Т), або урацилу (У). Нуклеотиди з’єднуються між собою фосфодиефірними зв’язками, утворюючи полімерні ланцюги. Нитки ДНК з’єднані між собою водневими зв’язками і утворюють подвійну спіраль ДНК. Таку модель будови ДНК запропонували у 1953 р. Дж. Уотсон і Ф. Крік. Два полінуклеотидні ланцюги ДНК антипаралельні. Тобто 5'-кінець одного ланцюга (вільний фосфатний залишок біля п’ятого вуглецю рибози чи дезоксирибози)  з’єднаний із 3'- кінцем іншого (вільна гідроксильна група біля третього вуглецю рибози чи дезоксирибози), і навпаки. Генетична інформація записана послідовністю нуклеотидів у напрямку від 5'- до 3'- кінця.

 

Одна нитка називається “змі-стовною”, послідовність її нуклеоти-дів збігається з послідовністю мРНК. Другий ланцюг у напрямку 3'–5' називається “антизмістовним”, він є матричним ланцюгом у процесі транскрипції.

Два довгі антипара-  лельні полімерні ланцюги міцно з’єднані між собою водневими зв’язками (рис8).

Рисунок 8 – Антипаралельні ланцюги ДНК Аденін одного ланцюга двома водневими зв’яз-ками з’єднується з тиміном іншого ланцюга, а гуанін – трьома водневими зв’язками з цитозином. Вони комплементарні один одному. Потім утворюється подвійна спіраль, закручена навколо центральної осі за стрілкою годинника (права спіраль).

Вивчаючи хімічний склад ДНК в 1950 р., Е. Чаргафф сформулював важливі положення щодо структури ДНК:

І Молярна частка пуринів (аденіну – А і гуаніну – Г) дорівнює молярній частці піримідинів (цитозину – Ц і тиміну – Т):

А+Г=Ц+Т, або А+Г/Ц+Т=1

ІІ Кількість аденіну і цитозину дорівнює кількості гуаніну і тиміну:

А+Ц=Г+Т, або А+Ц/Г+Т=1

ІІІ Кількість аденіну дорівнює кількості тиміну, а кількість гуаніну дорівнює кількості цитозину:

А=Т, або А/Т=1, Г=Ц, або Г/Ц=1

 

Рисунок 9 – Просторова організація ДНК

ІV Відношення суми молярних концентрацій А+Т у різних видів значно змінюється: Г+Ц/А+Т названо коефіцієнтом специфічності. Для бактерій коефіцієнт специфічності дорівнює 0,45–2,8, для вищих рослин, тварин і людини – 0,45–0,94.

Просторова організація ДНК. Можна виділити первинну структуру – послідовність нуклеотидів у ланцюгу, з’єднаних між собою фосфодиефірними зв’язками, вторинну структуру – два комплементарні

антипаралельні ланцюги, з’єднані водневими зв’язками, і третинну структуру – тривимірну спіраль.

Рентгеноструктурний аналіз показав, що діаметр подвійної спіралі становить 2 нм, повний оберт спіралі становить 3,4 нм. У кожний виток входить 10 пар нуклеотидів. Внесок одного нуклеотида в довжину спіралі становить 0,34 нм (рис.9).

ДНК не бере безпосередньої участі в життєдіяльності клітин. Роль посередників у передачі інформації  від ДНК у цитоплазму відіграють рибонуклеїнові кислоти. Взаємовідносини між ДНК, РНК і білків можна подати у вигляді схеми:

ДНК ® РНК ® білок.

У цьому випадку один з ланцюгів ДНК є матрицею для молекул РНК, що в свою чергу є матрицями для синтезу білків або входять до складу рибосом чи переносять амінокислоти.

РНК мають вигляд довгих нерозгалужених полімерних молекул, що складаються з одного ланцюга. У частини вірусів РНК є носієм спадкової інформації за відсутності ДНК. РНК – полімер рибонуклеотидів, що складаються із фосфорної кислоти, рибози й азотистих основ (аденіну, гуаніну, цитозину, урацилу). Рибоза разом із залишками фосфорної кислоти утворює скелет молекули, на якому розміщенні азотисті основи. Усі різновиди РНК синтезуються на молекулах ДНК за участю ферментів РНК-полімераз на основі принципу коплементарності.  При цьому в синтезованій молекулі урацил РНК комплементарний аденіну ДНК, а гуанін – цитозину. Якщо вміст ДНК у клітинах постійний, то вміст РНК дуже коливається залежно від типу клітин, інтенсивності метаболізму і синтезу білків.

Молекули РНК мають багато спільного зі структурою ДНК, але відрізняються низкою ознак: а) вуглеводом РНК є рибоза; б) РНК не містить тиміну, його місце в молекулі займає урацил (тільки в тРНК зустрічається тимін); в) РНК – одноланцюгова молекула; г) правила Чаргаффа не виконуються.



загрузка...