Структура и синтез РНК

Лекция № 5. Молекулярные основы наследственности.

План лекции: 1. Доказательство роли ДНК в наследственности.

2. Структура ДНК.

2. Синтез ДНК.

3. Структура и синтез РНК.

4. Генетический код и его свойства.

5. Синтез белка.

Доказательство роли ДНК в наследственности.

Впервые нуклеиновые кислоты были выделены Ф. Мишером в 1869году (вещество было выделено из ядер клеток и названо нуклеином), а описание структуры молекулы ДНК состоялось только в 1953году, благодаря усилиям Д.Уотсона и Ф.Крика.

Приведём несколько примеров, доказывающих роль ДНК в наследственности.

1. Опыты с одноклеточной водорослью ацетобулярией:

– Разделение ацетобулярии на две части приводит к тому, что восстанавливается только та часть, которая содержит ядро.

– Если у двух видов ацетобулярий удалить ядра и взаимно поменять их местами, то через некоторое время можно наблюдать у каждой из ацетобулярий изменение признаков в соответствии с типом пересаженного ядра.

1. Трансформация у бактерий.

– В 1928 году Ф.Гриффит провёл эксперимент по заражению мышей смесью двух штаммов пневмококков, один из которых (бескапсульный) не вызывал заболевание у мышей, а второй (капсульный) вызывал воспаление лёгких. Капсульный штамм предварительно был убит нагреванием. Заражение мышей такой смесью привело к гибели мышей. Из них были выделены живые капсульные пневмококки. Явление перехода признака от одного штамма другому назвали трансформацией.

– В 1944 году О.Эвери с сотрудниками повторил эксперимент Ф.Гриффита, но использовал в опыте предварительно выделенную и очищенную ДНК. Результаты оказались точно такими же. Явление трансформации стало одним из основных доказательств того, что именно ДНК, а не белки является носителем генетической (наследственной) информации.

Структура ДНК.

Структура молекулы ДНК была расшифрована Д.Уотсоном и Ф.Криком в 1953 году. По их мнению пространственная структура молекулы ДНК представляет собой двуцепочечную правозакрученную спиральную нить, в каждом втитке которой укладывается (находится) 10 пар последовательно соединённых нуклеотидов.

ДНК – это гигантский полимер, мономером которого является нуклеотид.

В образовании ДНК участвуют четыре типа нуклеотидов. Два являются производными пурина. Это аденин и гуанин (А и Г). Тимин и цитозин (Т и Ц) являются производными пиримидина.

Каждый нуклеотид состоит из трёх частей: пятиуглеродного сахара дезоксирибозы, остатка фосфорной кислоты и одного из четырёх азотистых оснований.

Принцип соединения. Нуклеотиды параллельных цепей соединены между собой слабыми водородными связями по принципу комплементарности: аденин соединён всегда с тимином (А–Т) двойной связью, гуанин с цитозином (Г–Ц) тройной. По длине в каждой цепи рядом расположенные нуклеотиды соединены между собой фосфодиэфирными связями. Концы каждой цепочки ДНК обозначены как 5´ и 3´ (абревиатура дана в соответствии с общепринятой номенклатурой расположения атомов углерода в молекуле сахара): если одна цепь начинается значением 5´, то заканчивается значением 3´, при этом параллельная цепь имеет обратную последовательность (3´–5´).

Синтез (репликация) ДНК.

Перед началом любого типа деления клеток (митоза или мейоза) в синтетическом периоде интерфазы (S) происходит удвоение всего генетического материала. Этот процесс называется репликация. Репликация, осуществляемая по принципу комплементарности, обеспечивает высочайшую точность воспроизведения наследственной информации при её переходе от одного поколения клеток (или организмов) к другому.

Репликация ДНК осуществляется с помощью фермента ДНК-полимераза (если рассматривать упрощённую схему синтеза). Сначала двуцепочечная нить под действием ферментов разъединяется на две одноцепочечные. Появляется так называемая вилка репликации.В вилке репликации отдельно на каждой цепи начинают работать ферменты, достраивающие нуклеотиды по принципу комплементарности. Достраиваться начинает сначала одна цепь, затем через некоторое время в обратном направлении другая. Это обусловлено тем, что синтезвсегда осуществляется в направлении 5´-3´, а, поскольку, нити цепочки ДНК имеют противоположную направленность, то и синтез осуществляется в соответствии с химической ориентацией молекулы. Цепь, которая начинает синтезироваться первой, называется лидирующей, фермент наращивает её со стартовой точки непрерывно (в направлении 5´–3´). Вторая цепь называется запаздывающей, так как она начинает синтезироваться через небольшой временной интервал (по отношению к лидирующей цепи), фрагментами (эти фрагменты называются фрагменты Оказаки), в обратном направлении. По завершении процесса репликации образуются две двуцепочечные нити с одинаковой последовательностью нуклеотидов.

Структура и синтез РНК.

Молекула РНК (рибонуклеиновая кислота) имеет одноцепочечное строение. В образовании РНК участвуют четыре типа нуклеотидов: А– аденин, Г – гуанин, Ц – цитозин, У – урацил. Из выше сказанного следует, что нуклеотиды молекулы РНК соответствуют нуклеотидам молекулы ДНК с той лишь разницей, что вместо тимина в РНК используется урацил. Кроме того, в построении молекуклы РНК вместо дезоксирибозы используется сахар рибоза. По длине молекулы РНК значительно короче, чем ДНК.

Функционально различают три типа РНК: матричная (м-РНК) или информационная (и-РНК), транспортная (т-РНК), рибосомальная (р-РНК).

Матричная РНК (или информационная) участвует в переносе информации о структуре белка от ДНК к рибосомам.

Рибосомальная РНК является структурным компонентом рибосом и, следовательно, способствует синтезу белка рибосомами.

Транспортная РНК принимает участие в переносе аминокислот к месту синтеза белка (к рибосомам).

Все типы РНК синтезируются в ядре (у эукариотических организмов), у прокариотических организмов в цитоплазме. Матрицей для их синтеза служат соответствующие участки ДНК. Процесс осуществляется под действием фермента РНК – полимераза (в упрощённом варианте).

Матричная (информационная) РНК появляется в результате процесса транскрипции (переписывания). Транскрипция осуществляется только с одной из нитей ДНК. Под действием фермента РНК-полимераза строится сначала 5´ конец и далее фермент идёт в направлении 3´, подставляя нуклеотиды по принципу комплементарности: если в нити ДНК находится аденин(А), то против него в РНК фермент включает урацил (У), в остальных случаях нуклеотиды включаются в РНК так же, как и при построении ДНК (напротив тимина ДНК в РНК включается аденин, напротив гуанина ДНК в РНК включается цитозин, напротив цитозина ДНК в РНК включается гуанин).

Благодаря процессу транскрипции, для передачи наследственной информации из ядра в цитоплазму, в клетке появляется посредник в виде копии гена – матричной (информационной) РНК. У эукариот м-РНК сначала незрелая. Созревание м-РНК (процессинг) заключается в удалении из неё участков не имеющих отношения к структуре белков (интронов) и сшивании оставшихся участков (экзонов) в одну нить.

Перевод нуклеотидной последовательности молекулы ДНК (или РНК) в последовательность аминокислот белковой молекулы осуществляется при соблюдении определённых условий, получивших название генетического кода.