Принципи вирішення типових завдань із молекулярної біології. Комплементарність понуклеотидних ланцюгів у подвійній спіралі днк

Справа найбільша спіраль ДНК людини, збудована з людей на пляжі у Варні (Болгарія), що увійшла до книги рекордів Гіннеса 23 квітня 2016 року

Дезоксирибонуклеїнова кислота. Загальні відомості

ДНК (дезоксирибонуклеїнова кислота) - своєрідне креслення життя, складний код, в якому укладені дані про спадкову інформацію. Ця складна макромолекула здатна зберігати та передавати спадкову генетичну інформацію з покоління до покоління. ДНК визначає такі властивості будь-якого живого організму як спадковість та мінливість. Закодована у ній інформація задає всю програму розвитку будь-якого живого організму. Генетично закладені фактори визначають весь перебіг життя як людини, так і будь-якого ін організму. Штучний чи природний вплив довкілля здатні лише незначною мірою вплинути на загальну вираженість окремих генетичних ознак або позначитися на розвитку запрограмованих процесів.

Дезоксирибонуклеїнова кислота(ДНК) - макромолекула (одна з трьох основних, дві інші - РНК та білки), що забезпечує зберігання, передачу з покоління в покоління та реалізацію генетичної програми розвитку та функціонування живих організмів. ДНК містить інформацію про структуру різних видів РНК та білків.

У клітинах еукаріотів (тварин, рослин та грибів) ДНК знаходиться в ядрі клітини у складі хромосом, а також у деяких клітинних органоїдах (мітохондріях і пластидах). У клітинах прокаріотичних організмів (бактерій та архей) кільцева чи лінійна молекула ДНК, так званий нуклеоїд, прикріплена зсередини до клітинної мембрани. У них і нижчих еукаріотів (наприклад, дріжджів) зустрічаються також невеликі автономні, переважно кільцеві молекули ДНК, звані плазмідами.

З хімічної точки зору ДНК - це довга полімерна молекула, що складається з блоків, що повторюються - нуклеотидів. Кожен нуклеотид складається з азотистої основи, цукру (дезоксирибози) та фосфатної групи. Зв'язки між нуклеотидами в ланцюзі утворюються рахунок дезоксирибози ( З) та фосфатної ( Ф) групи (фосфодіефірні зв'язки).

Рис. 2. Нуклертид складається з азотистої основи, цукру (дезоксирибози) та фосфатної групи

У переважній більшості випадків (крім деяких вірусів, що містять одноланцюжкову ДНК) макромолекула ДНК складається з двох ланцюгів, орієнтованих азотистими основами один до одного. Ця дволанцюжкова молекула закручена по гвинтовій лінії.

У ДНК зустрічається чотири види азотистих основ (аденін, гуанін, тимін та цитозин). Азотисті основи одного з ланцюгів з'єднані з азотистими основами іншого ланцюга водневими зв'язками згідно з принципом комплементарності: аденін з'єднується тільки з тиміном ( А-Т), Гуанін - тільки з цитозином ( Г-Ц). Саме ці пари і становлять «поперечини» гвинтової "драбини" ДНК (див. рис. 2, 3 і 4).

Рис. 2. Азотисті основи

Послідовність нуклеотидів дозволяє «кодувати» інформацію про різні типи РНК, найбільш важливими є інформаційні, або матричні (мРНК), рибосомальні (рРНК) і транспортні (тРНК). Всі ці типи РНК синтезуються на матриці ДНК рахунок копіювання послідовності ДНК в послідовність РНК, синтезованої у процесі транскрипції, і беруть участь у біосинтезі білків (процесі трансляції). Крім кодуючих послідовностей, ДНК клітин містить послідовності, що виконують регуляторні та структурні функції.

Рис. 3. Реплікація ДНК

Розташування базових комбінацій хімічних сполук ДНК та кількісні співвідношення між цими комбінаціями забезпечують кодування спадкової інформації.

Утворення нової ДНК (реплікація)

1. Процес реплікації: розкручування подвійної спіралі ДНК – синтез комплементарних ланцюгів ДНК-полімеразою – утворення двох молекул ДНК із однієї.
2. Подвійна спіраль розстібається на дві гілки, коли ферменти руйнують зв'язок між базовими парами хімічних сполук.
3. Кожна гілка є елементом нової ДНК. Нові базові пари з'єднуються у тій самій послідовності, як і батьківської гілки.

Після завершення дуплікації утворюються дві самостійні спіралі, створені з хімічних сполук батьківської ДНК і які мають із нею однаковий генетичний код. Таким шляхом ДНК здатна переривати інформацію від клітини до клітини.

Більш детальна інформація:

БУДОВА НУКЛЕЇНОВИХ КИСЛОТ

Рис. 4 . Азотисті основи: аденін, гуанін, цитозин, тимін

Дезоксирибонуклеїнова кислота(ДНК) відноситься до нуклеїнових кислот. Нуклеїнові кислоти– це клас нерегулярних біополімерів, мономерами яких є нуклеотиди.

Нуклеотидискладаються з азотистої основи, з'єднаного з п'ятивуглецевим вуглеводом (пентозою) - дезоксирибозою(у разі ДНК) або рибозою(у разі РНК), який з'єднується із залишком фосфорної кислоти (H 2 PO 3 -).

Азотисті основибувають двох типів: піримідинові основи - урацил (тільки в РНК), цитозин і тимін, пуринові основи - аденін та гуанін.

Рис. 5. Типи азотистих основ: піримідинові та пуринові

Атоми вуглецю в молекулі пентози нумеруються числами від 1 до 5. Фосфат з'єднується з третім та п'ятим атомами вуглецю. Так нуклеїнотиди з'єднуються в ланцюг нуклеїнової кислоти. Таким чином, ми можемо виділити 3' та 5'-кінці ланцюга ДНК:

Рис. 6. Виділення виділити 3' і 5'-кінців ланцюга ДНК

Два ланцюги ДНК утворюють подвійну спіраль. Ці ланцюги в спіралі зорієнтовані протилежних напрямах. У різних ланцюгах ДНК азотисті основи з'єднані між собою за допомогою водневих зв'язків. Аденін завжди поєднується з тиміном, а цитозин – з гуаніном. Це називається правилом комплементарності.

Правило комплементарності:

Наприклад, якщо нам дано ланцюг ДНК, що має послідовність

3'- ATGTCCTAGCTGCTCG - 5',

то другий їй ланцюг буде комплементарний і спрямований у протилежному напрямку - від 5'-кінця до 3'-кінця:

5'-TACAGGATCGACGAGC-3'.

Рис. 7. Спрямованість ланцюгів молекули ДНК та з'єднання азотистих основ за допомогою водневих зв'язків

РЕПЛІКАЦІЯ

Реплікація ДНК– це процес подвоєння молекули ДНК шляхом матричного синтезу. Реплікація відбувається за напівконсервативний механізм. Це означає, що подвійна спіраль ДНК розплітається і кожному з її ланцюгів за принципом комплементарності добудовується новий ланцюг. Дочірня молекула ДНК, таким чином, містить один ланцюг від материнської молекули і одну знову синтезовану. Реплікація відбувається у напрямку від 3' до 5' кінця материнської ланцюга.

Рис. 8. Реплікація (подвоєння) молекул ДНК

ДНК-синтез- це не такий складний процес, як може здатися на перший погляд. Якщо подумати, то спочатку потрібно розібратися, що ж таке синтез. Це процес об'єднання чогось в одне ціле. Утворення нової молекули ДНК проходить у кілька етапів:

• ДНК-топоізомераза, розташовуючись перед вилкою реплікації, розрізає ДНК для того, щоб полегшити її розплетення та розкручування.
• ДНК-хеліказу слідом за топоізомеразою впливає процес «розплетення» спіралі ДНК.
• Зв'язуючі ДНК-білки здійснюють зв'язування ниток ДНК, а також проводять їх стабілізацію, не допускаючи прилипання один до одного.
• ДНК-полімераза синтезує провідний ланцюг дочірньої ДНК.
  

Рис. 9. Схематичне зображення процесу реплікації, цифрами відзначені: (1) Нитка, що запізнюється, (2) Лідуюча нитка, (3) ДНК-полімераза (Polα), (4) ДНК-лігаза, (5) РНК-праймер, (6) Праймаза , (7) Фрагмент Оказаки, (8) ДНК-полімераза (Polδ), (9) Хеліказа, (10) Білки, що зв'язують одноланцюжкову ДНК, (11) Топоізомераза

Будова РНК

Рибонуклеїнова кислота(РНК) — одна з трьох основних макромолекул (дві інші — ДНК та білки), які містяться у клітинах усіх живих організмів.

Так само, як ДНК, РНК складається з довгого ланцюга, в якому кожна ланка називається нуклеотидом. Кожен нуклеотид складається з азотистої основи, цукру рибози та фосфатної групи. Однак, на відміну від ДНК, РНК зазвичай має не два ланцюги, а один. Пентоза в РНК представлена ​​рибозою, а не дезоксирибозою (у рибози є додаткова гідроксильна група на другому атомі вуглеводу). Нарешті, ДНК відрізняється від РНК за складом азотистих основ: замість тиміну ( Т) в РНК представлений урацил ( U) , який також комплементарний аденіну.

Послідовність нуклеотидів дозволяє РНК кодувати генетичну інформацію. Усі клітинні організми використовують РНК (мРНК) для програмування синтезу білків.

Клітинні РНК утворюються в ході процесу, що називається транскрипцією тобто синтезу РНК на матриці ДНК, що здійснюється спеціальними ферментами - РНК-полімеразами.

Потім матричні РНК (мРНК) беруть участь у процесі, званому трансляцією, тобто. синтезу білка на матриці мРНК за участю рибосом Інші РНК після транскрипції піддаються хімічним модифікаціям, і після утворення вторинної та третинної структур виконують функції, що залежать від типу РНК.

Рис. 10. Відмінність ДНК від РНК з азотистої основи: замість тиміну (Т) в РНК представлений урацил (U), який також комплементарний аденіну.

ТРАНСКРИПЦІЯ

Це процес синтезу РНК на матриці ДНК. ДНК розкручується на одній із ділянок. На одному з ланцюгів міститься інформація, яку необхідно скопіювати на молекулу РНК - цей ланцюг називається кодуючим. Другий ланцюг ДНК, що комплементарний кодує, називається матричною. У процесі транскрипції на матричному ланцюзі у напрямку 3' - 5' (ланцюгом ДНК) синтезується комплементарна їй ланцюг РНК. Таким чином, створюється РНК-копія кодуючого ланцюга.

Рис. 11. Схематичне зображення транскрипції

Наприклад, якщо нам дана послідовність кодуючого ланцюга

3'- ATGTCCTAGCTGCTCG - 5',

то, за правилом комплементарності, матричний ланцюг нестиме послідовність

5'- TACAGGATCGACGAGC- 3',

а РНК, що синтезується з неї, - послідовність

ТРАНСЛЯЦІЯ

Розглянемо механізм синтезу білкана матриці РНК, і навіть генетичний код та її властивості. Також для наочності за наведеним нижче посиланням рекомендуємо подивитися невелике відео про процеси транскрипції та трансляції, що відбуваються в живій клітині:

Рис. 12. Процес синтезу білка: ДНК кодує РНК, РНК кодує білок

ГЕНЕТИЧНИЙ КІД

Генетичний код- спосіб кодування амінокислотної послідовності білків за допомогою нуклеотидної послідовності. Кожна амінокислота кодується послідовністю трьох нуклеотидів - кодоном або триплетом.

Генетичний код, загальний для більшості про- та еукаріотів. У таблиці наведено всі 64 кодони та зазначені відповідні амінокислоти. Порядок основ - від 5" до 3" кінцю мРНК.

Таблиця 1. Стандартний генетичний код

Серед триплетів є 4 спеціальні послідовності, що виконують функції «розділових знаків»:

• *Триплет AUG, також кодуючий метіонін, називається старт-кодоном. З цього кодону починається синтез молекули білка. Таким чином, під час синтезу білка першою амінокислотою в послідовності завжди буде метіонін.

• **Триплети UAA, UAGі UGAназиваються стоп-кодонамиі не кодують жодної амінокислоти. На цих послідовностях синтез білка припиняється.

Властивості генетичного коду

1. Триплетність. Кожна амінокислота кодується послідовністю трьох нуклеотидів - триплетом або кодоном.

2. Безперервність. Між триплетами немає додаткових нуклеотидів, інформація зчитується безперервно.

3. Неперекриваність. Один нуклеотид не може входити одночасно у два триплети.

4. Однозначність. Один кодон може кодувати лише одну амінокислоту.

5. Виродженість. Одна амінокислота може кодуватися кількома різними кодонами.

6. Універсальність. Генетичний код однаковий всім живих організмів.

приклад. Нам дана послідовність кодуючого ланцюга:

3’- CCGATTGCACGTCGATCGTATA- 5’.

Матричний ланцюг матиме послідовність:

5’- GGCTAACGTGCAGCTAGCATAT- 3’.

Тепер «синтезуємо» із цього ланцюга інформаційну РНК:

3’- CCGAUUGCACGUCGAUCGUAUA- 5’.

Синтез білка йде в напрямку 5' → 3', отже, нам потрібно перевернути послідовність, щоб прочитати генетичний код:

5’- AUAUGCUAGCUGCACGUUAGCC- 3’.

Тепер знайдемо старт-кодон AUG:

5’- AU AUG CUAGCUGCACGUUAGCC- 3’.

Розділимо послідовність на триплети:

звучить так: інформація з ДНК передається на РНК (транскрипція), з РНК - на білок (трансляція). ДНК може подвоюватися шляхом реплікації, і також можливий процес зворотної транскрипції, коли по матриці РНК синтезується ДНК, але такий процес в основному характерний для вірусів.

Рис. 13. Центральна догма молекулярної біології

ГЕНОМ: ГЕНИ та ХРОМОСОМИ

(загальні поняття)

Геном – сукупність всіх генів організму; його повний хромосомний набір.

Термін "геном" був запропонований Г. Вінклером у 1920 р. для опису сукупності генів, укладених у гаплоїдному наборі хромосом організмів одного біологічного виду. Початковий зміст цього терміна вказував на те, що поняття геному на відміну генотипу є генетичною характеристикою виду в цілому, а не окремої особини. З розвитком молекулярної генетики значення цього терміну змінилося. Відомо, що ДНК, яка є носієм генетичної інформації у більшості організмів і, отже, становить основу геному, включає не тільки гени в сучасному сенсі цього слова. Більша частина ДНК еукаріотичних клітин представлена ​​некодуючими ("надлишковими") послідовностями нуклеотидів, які не містять інформації про білки і нуклеїнові кислоти. Таким чином, основну частину геному будь-якого організму становить вся ДНК його гаплоїдного набору хромосом.

Гени – це ділянки молекул ДНК, що кодують поліпептиди та молекули РНК.

За останнє століття наше уявлення про гени суттєво змінилося. Раніше геном називали ділянку хромосоми, що кодує або визначає одну ознаку або фенотипічне(видима) властивість, наприклад колір очей.

У 1940 р. Джордж Бідл та Едвард Тейтем запропонували молекулярне визначення гена. Вчені обробляли суперечки гриба Neurospora crassaрентгенівським випромінюванням та іншими агентами, що викликають зміни в послідовності ДНК ( мутації), та виявили мутантні штами гриба, що втратили деякі специфічні ферменти, що в деяких випадках призводило до порушення цілого метаболічного шляху. Бідл і Тейтем дійшли висновку, що ген - це ділянка генетичного матеріалу, яка визначає чи кодує один фермент. Так виникла гіпотеза "один ген - один фермент". Пізніше ця концепція була розширена до визначення "один ген - один поліпептид"Оскільки багато генів кодують білки, що не є ферментами, а поліпептид може виявитися субодиницею складного білкового комплексу.

На рис. 14 показана схема того, як триплети нуклеотидів у ДНК визначають поліпептид - амінокислотну послідовність білка за посередництвом мРНК. Один із ланцюгів ДНК відіграє роль матриці для синтезу мРНК, нуклеотидні триплети (кодони) якої комплементарні триплетам ДНК. У деяких бактерій і багатьох еукаріотів послідовності, що кодують, перериваються некодуючими ділянками (так званими інтронами).

Сучасне біохімічне визначення гена ще конкретніше. Генами називаються всі ділянки ДНК, що кодують первинну послідовність кінцевих продуктів, до яких відносяться поліпептиди або РНК, що мають структурну або каталітичну функцію.

Поряд з генами ДНК містить інші послідовності, що виконують виключно регуляторну функцію. Регуляторні послідовностіможуть означати початок або кінець генів, впливати на транскрипцію або вказувати місце ініціації реплікації або рекомбінації. Деякі гени можуть експресуватися різними шляхами, при цьому одна і та ж ділянка ДНК служить матрицею для утворення різних продуктів.

Ми можемо приблизно розрахувати мінімальний розмір гена, що кодує середній білок. Кожна амінокислота поліпептидної ланцюга кодується послідовністю з трьох нуклеотидів; послідовності цих триплетів (кодонів) відповідають ланцюжку амінокислот у поліпептиді, який кодується цим геном. Поліпептидна ланцюг з 350 амінокислотних залишків (ланцюг середньої довжини) відповідає послідовності з 1050 п.н. ( пар нуклеотидів). Однак багато генів еукаріотів і деякі гени прокаріотів перериваються сегментами ДНК, що не несуть інформації про білок, і тому виявляються значно довшими, ніж показує простий розрахунок.

Скільки генів в одній хромосомі?

Рис. 15. Вид хромосом у прокаритичній (ліворуч) та еукаріотичній клеках. Гістони (Histones) — великий клас ядерних білків, що виконують дві основні функції: вони беруть участь в упаковці ниток ДНК в ядрі та в епігенетичному регулюванні таких ядерних процесів, як транскрипція, реплікація та репарація.

Як відомо, бактеріальні клітини мають хромосому у вигляді нитки ДНК, покладеної в компактну структуру – нуклеоїд. Хромосома прокаріоту Escherichia coli, чий геном повністю розшифрований, є кільцевою молекулою ДНК (насправді, це не правильне коло, а швидше петля без початку і кінця), що складається з 4 639 675 п.н. У цій послідовності міститься приблизно 4300 генів білків та ще 157 генів стабільних молекул РНК. У геном людиниприблизно 3,1 млрд пар нуклеотидів, що відповідають майже 29 000 генам, розташованим на 24 різних хромосомах.

Прокаріоти (бактерії).

Бактерія E. coliмає одну дволанцюжкову кільцеву молекулу ДНК. Вона складається з 4639675 п.н. і досягає в довжину приблизно 1,7 мм, що перевищує довжину самої клітини E. coliприблизно 850 раз. Крім великої кільцевої хромосоми у складі нуклеоїда багато бактерій містять одну або кілька маленьких кільцевих молекул ДНК, що вільно розташовуються в цитозолі. Такі позахромосомні елементи називають плазмідами(Рис. 16).

Більшість плазмід складається всього з декількох тисяч пар нуклеотидів, деякі містять понад 10 000 п. н. Вони несуть генетичну інформацію та реплікуються з утворенням дочірніх плазмід, які потрапляють до дочірніх клітин у процесі поділу батьківської клітини. Плазміди виявлені не тільки в бактеріях, але також у дріжджах та інших грибах. У багатьох випадках плазміди не дають жодних переваг клітинам-господарям, і їхнє єдине завдання — незалежне відтворення. Однак деякі плазміди несуть корисні для господаря гени. Наприклад, гени, що містяться в плазмідах, можуть надавати клітинам бактерій стійкість до антибактеріальних агентів. Плазміди, що несуть ген β-лактамази, забезпечують стійкість до β-лактамних антибіотиків, таких як пеніцилін та амоксицилін. Плазміди можуть переходити від клітин, стійких до антибіотиків, інших клітин того ж або іншого виду бактерій, в результаті чого ці клітини також стають резистентними. Інтенсивне застосування антибіотиків є потужним селективним фактором, що сприяє поширенню плазмід, що кодують стійкість до антибіотиків (а також транспозонів, що кодують аналогічні гени) серед хвороботворних бактерій, і призводить до появи бактеріальних штамів зі стійкістю до кількох антибіотиків. Лікарі починають розуміти небезпеку широкого використання антибіотиків та призначають їх лише у разі гострої потреби. З аналогічних причин обмежується широке використання антибіотиків на лікування сільськогосподарських тварин.

Див. також: Равін Н.В., Шестаков С.В. Геном прокаріотів // Вавиловський журнал генетики та селекції, 2013. Т. 17. № 4/2. С. 972-984.

Еукаріоти.

Таблиця 2. ДНК, гени та хромосоми деяких організмів

Примітка.Інформація постійно оновлюється; для отримання більш свіжої інформації зверніться до сайтів, присвячених окремим геномним проектам

* Для всіх еукаріотів, крім дріжджів, наводиться диплоїдний набір хромосом. Диплоїднийнабір хромосом (від грец. diploos-подвійний і eidos-вид) - подвійний набір хромосом (2n), кожна з яких має собі гомологічну.
**Гаплоїдний набір. Дикі штами дріжджів зазвичай мають вісім (октаплоїдний) або більше наборів таких хромосом.
***Для самок із двома Х хромосомами. У самців є Х хромосома, але немає Y, тобто всього 11 хромосом.

У клітці дріжджів, одних із найменших еукаріотів, у 2,6 рази більше ДНК, ніж у клітці E. coli(Табл. 2). Клітини плодової мушки Drosophila, класичного об'єкта генетичних досліджень, містять у 35 разів більше ДНК, а клітини людини – приблизно у 700 разів більше ДНК, ніж клітини E. coli.Багато рослин та амфібії містять ще більше ДНК. Генетичний матеріал клітин еукаріотів організований у вигляді хромосом. Диплоїдний набір хромосом (2 n) залежить від виду організму (табл. 2).

Наприклад, у соматичній клітині людини 46 хромосом ( Рис. 17). Кожна хромосома еукаріотичної клітини, як показано на рис. 17, амістить одну дуже велику двоспіральну молекулу ДНК. Двадцять чотири хромосоми людини (22 парні хромосоми і дві статеві хромосоми X і Y) розрізняються за довжиною більш ніж 25 разів. Кожна хромосома еукаріотів містить певний набір генів.

Рис. 17. Хромосоми еукаріотів.а— пара зв'язаних та конденсованих сестринських хроматид із хромосоми людини. У такій формі еукаріотичні хромосоми перебувають після реплікації та в метафазі в процесі мітозу. б- Повний набір хромосом з лейкоциту одного з авторів книги. У кожній нормальній соматичній клітині людини міститься 46 хромосом.

Якщо з'єднати між собою молекули ДНК людського геному (22 хромосоми та хромосоми X та Y або Х та Х), вийде послідовність довжиною близько одного метра. Прим.: У всіх ссавців та інших організмів з гетерогаметною чоловічою статтю, у самок дві X-хромосоми (XX), а у самців - одна X-хромосома та одна Y-хромосома (XY).

Більшість клітин людини тому загальна довжина ДНК таких клітин близько 2м. У дорослої людини приблизно 1014 клітин, таким чином, загальна довжина всіх молекул ДНК становить 2.1011 км. Для порівняння, коло Землі - 4 · 10 4 км, а відстань від Землі до Сонця - 1,5 · 10 8 км. Ось як напрочуд компактно упакована ДНК у наших клітинах!

У клітинах еукаріотів є й інші органели, що містять ДНК, — це мітохондрії та хлоропласти. Висувалася безліч гіпотез щодо походження ДНК мітохондрій та хлоропластів. Загальновизнана сьогодні думка полягає в тому, що вони є рудиментами хромосом древніх бактерій, які проникли в цитоплазму господарських клітин і стали попередниками цих органел. Мітохондріальна ДНК кодує мітохондріальні тРНК та рРНК, а також кілька мітохондріальних білків. Понад 95% мітохондріальних білків кодується ядерною ДНК.

БУДОВА ГЕНІВ

Розглянемо будову гена у прокаріотів і еукаріотів, їх подібності та відмінності. Незважаючи на те, що ген - це ділянка ДНК, що кодує всього один білок або РНК, крім безпосередньо частини, що кодує, він також включає в себе регуляторні та інші структурні елементи, що мають різну будову у прокаріотів і еукаріотів.

Кодуюча послідовність- основна структурно-функціональна одиниця гена, саме в ній знаходяться триплети нуклеотидів, що кодуютьамінокислотну послідовність. Вона починається зі старт-кодону та закінчується стоп-кодоном.

До та після кодуючої послідовності знаходяться нетрансльовані 5'- та 3'-послідовності. Вони виконують регуляторні та допоміжні функції, наприклад, забезпечують посадку рибосоми на іРНК.

Нетрансльовані і послідовності, що кодують, становлять одиницю транскрипції - транскрибується ділянка ДНК, тобто ділянка ДНК, з якої відбувається синтез і-РНК.

Термінатор- Нетранскрибується ділянка ДНК в кінці гена, на якому зупиняється синтез РНК.

На початку гена знаходиться регуляторна область, Що включає в себе промоторі оператор.

Промотор- Послідовність, з якою зв'язується полімераза в процесі ініціації транскрипції. Оператор- це область, з якою можуть зв'язуватись спеціальні білки - репресори, які можуть зменшувати активність синтезу РНК з цього гена - інакше кажучи, зменшувати його експресію.

Будова генів у прокаріотів

Загальний план будови генів у прокаріотів і еукаріотів не відрізняється - і ті, й інші містять регуляторну область з промотором і оператором, одиницю транскрипції з послідовностями, що кодують і не транслюються, і термінатор. Проте організація генів у прокаріотів та еукаріотів відрізняється.

Рис. 18. Схема будови гена у прокаріотів (бактерій) -зображення збільшується

На початку та в кінці оперону є єдині регуляторні області для кількох структурних генів. З транскрибируемого ділянки оперона зчитується одна молекула і-РНК, яка містить кілька кодуючих послідовностей, у кожній з яких є свій старт-і стоп-кодон. З кожної з таких ділянок зінтезується один білок. Таким чином, з однієї молекули та-РНК синтезується кілька молекул білка.

Для прокаріотів характерне поєднання кількох генів в єдину функціональну одиницю - оперон. Роботу оперону можуть регулювати інші гени, які можуть бути помітно віддалені від самого оперону. регулятори. Білок, що транслюється з цього гена називається репресор. Він зв'язується з оператором оперону, регулюючи експресію відразу всіх генів, що в ньому містяться.

Для прокаріотів також характерне явище сполучення транскрипції та трансляції.

Рис. 19 Явище сполучення транскрипції та трансляції у прокаріотів - зображення збільшується

Принципи вирішення типових завдань з молекулярної біології

Пояснення до розв'язання задачі.Відомо, що два ланцюжки в молекулі ДНК з'єднуються водневими зв'язками між комплементарними нуклеотидами (А-Т, Г-Ц). Порядок нуклеотидів у відомому ланцюжку ДНК:

А Ц Г Т А Г Ц Т А Г Ц Г

Т Г Ц А Т Ц А Т Ц Г Ц – порядок нуклеотидів у комплементарному ланцюжку ДНК.

Відповідь: порядок нуклеотидів у комплементарному ланцюжку ДНК: ТГЦАТЦГАТЦГЦ

Завдання 2

Пояснення до розв'язання задачі.

а) Поліпептид має наступну послідовність амінокислот: фен – тре – ала – сер – арг… За таблицею кодонів знаходимо один із триплетів, що кодує відповідні амінокислоти. Фен – УУУ, три – АЦУ, ала – ГЦУ, сір – АГУ, арг – АГА. Отже, що кодує даний поліпептид і-РНК матиме наступну послідовність нуклеотидів:

УУУАЦУГЦУАГУАГА…

Порядок нуклеотидів у кодуючому ланцюжку ДНК: АААТГАЦГАТЦАТЦТ…

Комплементарний ланцюжок ДНК: ТТТАЦТГЦТАГТАГА…

б) По таблиці кодонів знаходимо один із варіантів послідовності нуклеотидів і-РНК (як у попередньому варіанті). Антикодони т-РНК комплементарні кодонам та-РНК:

і-РНК УУУАЦУГЦУАГУАГА…

антикодони т-РНК ААА, УГА, ЦДА, УЦА, УЦУ

Відповідь:а) один з варіантів послідовності нуклеотидів в гені буде:

АААТГАЦГАТЦАТЦТ

ТТТАЦТГЦТАГТАГА,

б) у синтезі цього білка братимуть участь т-РНК з антикодонами (один із варіантів): ААА, УГА, ЦДА, УЦА, УЦУ.

2.Дільниця одного ланцюга ДНК має наступну послідовність нуклеотидів: ТГААЦАЦТАГТТАГААТАЦЦА… Яка послідовність амінокислот у поліпептиді, що відповідає цій генетичній інформації?

3.Дільниця однієї нитки ДНК має таку структуру: ТАТТЦТТТТТГТ… Вкажіть структуру відповідної частини молекули білка, синтезованого за участю комплементарного ланцюга. Як зміниться первинна структура фрагмента білка, якщо випаде другий початку нуклеотид?

4. Частина молекули білка має таку послідовність амінокислот: сер – ала – тир – лей – асп… Які т-РНК (з якими антикодонами) беруть участь у синтезі цього білка? Напишіть один із можливих варіантів.

5.Напишіть один з варіантів послідовності нуклеотидів у гені, якщо кодований білок має наступну первинну структуру:

Ала – тре – ліз – асн – сір – глн – глу – асп…

В реакції, що каталізується зворотною транскриптазою .

кДНК часто використовується для клонування генів еукаріотів у прокаріотах. Комплементарна ДНК також утворюється ретровірусами (ВІЛ-1, ВІЛ-2, Вірусом імунодефіциту мавп) і потім інтегрується в ДНК господаря, утворюючи провірус.

Часто гени еукаріотів вдається експресувати у клітинах прокаріотів. У найбільш простому випадку метод передбачає вбудовування еукаріотичної ДНК в геном прокаріотів, далі транскрипцію ДНК в мРНК і потім трансляцію мРНК в білки. Клітини прокаріотів не мають ферментів для вирізання інтронів, і тому інтрони з ДНК еукаріотів повинні бути вирізані до моменту вбудовування в геном прокаріотів. ДНК, комплементарна зрілої мРНК, таким чином, називається комплементарною ДНК cDNA(КДНК). Для успішної експресії білків, закодованих в еукаріотичній cDNA в прокаріотах, потрібні також регуляторні елементи генів прокаріотів (наприклад, промотори).

Одним із методів для отримання необхідного гена (молекули ДНК), яка підлягатиме реплікації (клонуванню) з виходом значної кількості реплік, є конструювання на комплементарній мРНК щодо неї ДНК (кДНК). Цей метод вимагає застосування зворотної транскриптази - ферменту, який присутній у деяких РНК-вірусах і забезпечує синтез ДНК на РНК матриці.

Метод широко застосовується для отримання кДНК і включає виділення з тотальної мРНК тканини мРНК, яка кодує трансляцію певного білка (наприклад, інтерферону, інсуліну) з подальшим синтезом на цій мРНК як на матриці необхідної кДНК за допомогою зворотної транскриптази.

Ген, отриманий за допомогою вищевказаної процедури (кДНК), необхідно ввести в бактеріальну клітину таким чином, щоб він інтегрувався в її геном. Для цього формують рекомбінантну ДНК, яка складається з кДНК та особливої ​​молекули ДНК, яка керує як провідник, або вектор, здатний проникати реципієнту в клітину. У ролі векторів для кДНК застосовують віруси чи плазміди. Плазміди - це невеликі кільцеві молекули ДНК, які знаходяться окремо від нуклеоїду бактеріальної клітини, містять у своєму складі кілька важливих для функції всієї клітини генів (наприклад, гени стійкості до антибіотиків і можуть реплікуватися незалежно від основного геному (ДНК) клітини). корисними для генної інженерії властивостями плазміду є їх здатність переходити з однієї клітини в іншу за механізмом трансформації або кон'югації, а також здатність включатися в бактеріальну хромосому і реплікуватися разом з нею.

Принципи вирішення типових завдань з молекулярної біології

Завдання 1

Один із ланцюжків молекули ДНК має наступний порядок нуклеотидів: АЦГ ТАГ ЦТА ГЦГ… Напишіть порядок нуклеотидів у комплементарному ланцюжку ДНК.

Пояснення до розв'язання задачі.Відомо, що два ланцюжки в молекулі ДНК з'єднуються водневими зв'язками між комплементарними нуклеотидами (А-Т, Г-Ц). Порядок нуклеотидів у відомому ланцюжку ДНК:

А Ц Г Т А Г Ц Т А Г Ц Г

Т Г Ц А Т Ц А Т Ц Г Ц – порядок нуклеотидів у комплементарному ланцюжку ДНК.

Відповідь: порядок нуклеотидів у комплементарному ланцюжку ДНК: ТГЦАТЦГАТЦГЦ

Завдання 2

Порядок нуклеотидів в одному з ланцюжків молекули ДНК наступний: АГЦТАЦГТАЦГА… Визначте порядок амінокислот у поліпептиді, закодованому цією генетичною інформацією.

Пояснення до розв'язання задачі. Відомо, що матрицею для синтезу поліпептиду є молекула і-РНК, матрицею для синтезу якої у свою чергу є один із ланцюжків молекули ДНК. Перший етап біосинтезу білка: транскрипція – переписування порядку нуклеотидів із ланцюжка ДНК на і-РНК. Синтез і-РНК іде за принципом комплементарності (А-У, Г-Ц). Замість тиміну в і-РНК азатиста основа урацил. Відомий ланцюжок ДНК:

А Г Ц Т А Ц Г Т А Ц Г А…

У Ц Г А У Г Ц А У Г Ц У ... - Порядок нуклеотидів в і-РНК.

Одну амінокислоту кодують три поряд розташовані нуклеотиду ланцюжка і-РНК (кодони) - розбиваємо і-РНК на кодони:

УЦГ, АУГ, ЦАУ, ГЦУ та по тадлице кодонів знаходимо відповідні їм амінокислоти: УЦГ – відповідає серину, АУГ – метіоніну, ЦАУ – гіцидину, ГЦУ – аланіну.

Відповідь:порядок амінокислот у закодованому поліпептиді: сір – мет – гіс – ала…

Завдання 3

Один із ланцюжків молекули ДНК має наступний порядок нуклеотидів: ГГЦАТГГАТЦАТ…

а) Визначте послідовність амінокислот у відповідному поліпептиді, якщо відомо, що і РНК синтезується на комплементарному ланцюзі ДНК.

б) Як зміниться первинна структура поліпептиду, якщо випаде третій нуклеотид?

Пояснення до розв'язання задачі.

а) Відомо, що молекула і-РНК синтезується за принципом комплементарності на одному з ланцюгів молекули ДНК. Нам відомий порядок нуклеотидів в одному ланцюзі ДНК і сказано, що іРНК синтезується на комплементарному ланцюзі. Отже, треба побудувати комплементарний ланцюг ДНК, пам'ятаючи при цьому, що аденін відповідає тиміну, а гуаніну цитозину. Подвійний ланцюжок ДНК виглядатиме так:

Г Г Ц А Т Г Г А Т Ц А Т…

Ц Ц Г Т А Ц Ц Т А Г Т А …

Тепер можна побудувати молекулу і РНК. Слід пам'ятати, замість тіміну в молекулу РНК входить урацил. Отже:

ДНК: Ц Ц Г Т А Ц Ц Т А Г А Т…

І-РНК: Г Г Ц А У Г Г А У Ц А У….

Три поряд розташованих нуклеотиду (триплет, кодон) і-РНК визначають приєднання однієї амінокислоти. Відповідні триплети амінокислоти знаходимо за таблицею кодонів. Кодон ГГЦ відповідає глі, А УГ – мет, ГАУ – асп, ЦАУ – гіс. Отже, послідовність амінокислот ділянки поліпептидного ланцюга буде: глі – мет – асп – гіс…

б) Якщо в ланцюжку молекули ДНК випаде третій нуклеотид, вона виглядатиме так:

ГГАТГГАТЦАТ…

Комплементарний ланцюжок: ЦЦТАЦЦТАГТА...

Інформаційна і-РНК: ДГАУГГАУЦАУ...

Відбудуться зміни всіх кодонів. Перший кодон ГДА відповідає амінокислоті глі, другий УУГ – три, третій АУЦ – мулі, четвертий не повний. Таким чином, ділянка поліпептиду виглядатиме:

Глі – три – мулі…, тобто відбудеться значна зміна порядку та кількості амінокислот у поліпептиді.

Відповідь:а) послідовність амінокислот у поліпептиді: глі – мет – асп – гіс…,

б) після випадання третього нуклеотиду послідовність амінокислот у поліпептиді: глі – три – мулі…

Завдання 4

Поліпептид має наступний порядок амінокислот: фен – тре – ала – сір – арг…

а) Визначте один із варіантів послідовності нуклеотидів гена, що кодує даний поліпептид.

б) Які т-РНК (з якими антикодонами) беруть участь у синтезі цього білка? Напишіть один із можливих варіантів.

Пояснення до розв'язання задачі.

а) Поліпептид має наступну послідовність амінокислот: фен – тре – ала – сер – арг… За таблицею кодонів знаходимо один із триплетів, що кодує відповідні амінокислоти. Фен – УУУ, три – АЦУ, ала – ГЦУ, сір – АГУ, арг – АГА. Отже, що кодує даний поліпептид і-РНК матиме наступну послідовність нуклеотидів:

УУУАЦУГЦУАГУАГА…

Порядок нуклеотидів в ланцюжку, що кодує ДНК: АААТГАЦГАТЦАТЦТ…

Комплементарний ланцюжок ДНК: ТТТАЦТГЦТАГТАГА…

б) По таблиці кодонів знаходимо один із варіантів послідовності нуклеотидів і-РНК (як у попередньому варіанті). Антикодони т-РНК комплементарні кодонам та-РНК:

і-РНК УУУАЦУГЦУАГУАГА…

антикодони т-РНК ААА, УГА, ЦДА, УЦА, УЦУ

Відповідь:а) один із варіантів послідовності нуклеотидів у гені буде:

АААТГАЦГАТЦАТЦТ

ТТТАЦТГЦТАГТАГА,

б) у синтезі цього білка братимуть участь т-РНК з антикодонами (один із варіантів): ААА, УГА, ЦДА, УЦА, УЦУ.

Завдання для самоконтролю

1. Один із ланцюжків фрагмента молекули ДНК має таку послідовність нуклеотидів: АГТГАТГТТГГТГТА… Якою буде структура другого ланцюжка молекули ДНК?

2.Дільниця одного ланцюга ДНК має наступну послідовність нуклеотидів: ТГААЦАЦТАГТТАГААТАЦЦА… Яка послідовність амінокислот у поліпептиді, що відповідає цій генетичній інформації?

3.Дільниця однієї нитки ДНК має таку структуру: ТАТТЦТТТТТГТ… Вкажіть структуру відповідної частини молекули білка, синтезованого за участю комплементарного ланцюга. Як зміниться первинна структура фрагмента білка, якщо випаде другий початку нуклеотид?

4. Частина молекули білка має таку послідовність амінокислот: сер – ала – тир – лей – асп… Які т-РНК (з якими антикодонами) беруть участь у синтезі цього білка? Напишіть один із можливих варіантів.

5.Напишіть один із варіантів послідовності нуклеотидів у гені, якщо кодований білок має наступну первинну структуру:

Ала – тре – ліз – асн – сір – глн – глу – асп…

Водневі зв'язки утворюються між аміногрупою однієї основи та карбонільною групою іншої, а також між амідним та імінним атомами азоту. Наприклад, між аденіном і тиміном утворюються два водневі зв'язки, і ці гетероциклічні основи складають комплементарну пару. Це означає, що аденіновому підставі одного ланцюга буде відповідати тиміновий інший ланцюга. Іншу пару комплементарних основ становлять гуанін та цитозин, між якими виникають три водневі зв'язки.

Площі, які займають пари комплементарних підстав, приблизно однакові.

Комплементарність основ лежить в основі закономірностей, сформульованих Е. Чаргаффом (правила Чаргаффа):

1. - кількість пуринових основ дорівнює кількості піримідинових основ;

2. - кількість аденіну дорівнює кількості тиміну; кількість гуаніну дорівнює кількості цитозину;

3. – сума аденіну та цитозину дорівнює сумі гуаніну та тиміну

(А/Т = Ц/Г = 1).

Двоспіральна ДНК із комплементарними полінуклеотидними ланцюгами забезпечує можливість самоподвоєння (реплікації) молекули. Цей складний процес можна уявити так: перед подвоєнням водневі зв'язки розриваються і два ланцюги розкручуються і розходяться. Кожна ланцюг потім служить матрицею освіти на ній комплементарної ланцюга. Після реплікації утворюються дві дочірні молекули ДНК, у кожній з яких одну спіраль взято з батьківської ДНК, а іншу (комплементарну) синтезовано заново.

Подвійна спіраль ДНК має кілька форм, залежно від ступеня гідратації молекули. Форми розрізняються розташуванням площини пар підстав щодо осі спіралі, одна одній, за варіантом закручування спіралі (вправо, вліво) та інших ознак.

Між ланцюгами розташовані дві «борозна» - велика і мала. У цих борозенках білки можуть специфічно взаємодіяти з певними атомами нуклеїнових кислот, впізнавати конкретні нуклеотидні послідовності, не порушуючи комплементарних взаємодій подвійної спіралі. Встановлено, що з допомогою таких взаємодій регуляторні білки можуть контролювати експресії генів.

Форми вторинної структури молекули ДНК

Вторинна структура РНК

Молекула РНК побудована з одного полінуклеотидного ланцюга. Число нуклеотидів може коливатися від 75 до кількох тисяч, а молекулярна маса зміняться в межах від 25 тис. до кількох мільйонів.

Поліпептидна ланцюг РНК не має чітко визначеної структури. Вона може складатися сама на себе та утворювати окремі дві ланцюжкові ділянки з водневими зв'язками між пуриновими та піримідиновими основами. Водневі зв'язки в РНК не підкоряються строгим правилам, як і в ДНК.

Детально вивчено тРНК. Молекула тРНК має вторинну структуру, яка являє собою чотири спіралізовані ділянки, три, чотири одноланцюжкові петлі. Така структура називається «конюшинним листом».