Структура та синтез РНК
Лекція № 5. Молекулярні основи спадковості.
План лекції: 1. Доказ ролі ДНК у спадковості.
2. Структура ДНК.
3. Структура та синтез РНК.
4. Генетичний код та його властивості.
Доказ ролі ДНК у спадковості.
Вперше нуклеїнові кислоти було виділеноФ. Мішером у1869 року (речовина була виділена з ядер клітин і названануклеїном ), а опис структури молекули ДНК відбувся тільки в1953 року, завдяки зусиллямД.Уотсона та Ф.Кріка.
Наведемо кілька прикладів, що доводять роль ДНК у спадковості.
- Досліди з одноклітинними водоростями ацетобулярією:
– Поділ ацетобулярії на дві частини призводить до того, що відновлюється лише частина, що містить ядро.
– Якщо у двох видів ацетобулярій видалити ядра та взаємно поміняти їх місцями, то через деякий час можна спостерігати у кожній з ацетобулярій зміну ознак відповідно до типу пересадженого ядра.
- Трансформація бактерій.
– У 1928 році Ф.Гріффіт провів експеримент із зараження мишей сумішшю двох штамів пневмококів, один з яких (безкапсульний) не викликав захворювання у мишей, а другий (капсульний) викликав запалення легень. Капсульний штам попередньо було вбито нагріванням. Зараження мишей такою сумішшю призвело до загибелі мишей. З них було виділено живі капсульні пневмококи. Явище переходу ознаки одного штаму іншому назвали трансформацією.
– У 1944 році О.Евері зі співробітниками повторив експеримент Ф.Гріффіта, але використовував у досвіді попередньо виділену та очищену ДНК. Результати виявилися такими самими. Явище трансформації стало одним із основних доказів того, що самеДНК, а чи не білки є носієм генетичної (спадкової) інформації.
Структура ДНК.
Структура молекули ДНК була розшифрованаД.Уотсоном і Ф.Кріком у1953 році. На їхню думку просторова структура молекули ДНК являє собою дволанцюгову правозакручену спіральну нитку, в кожному втитці якої укладається (перебуває) 10 пар послідовно з'єднаних нуклеотидів.
ДНК- це гігантський полімер, мономером якого є нуклеотид.
В освіті ДНК беруть участь чотири типи нуклеотидів. Два є похіднимипурину. Цеаденін та гуанін (А та Г).Тимін і цитозин (Т і Ц) є похіднимипіримідину.
Коженнуклеотид складається зтрьох частин : п'ятивуглецевого цукрудезоксирибози, залишкуфосфорної кислоти та однієї з чотирьохазотистих основ.
Принцип з'єднання. Нуклеотиди паралельних ланцюгів з'єднані між собою слабкими водневими зв'язками за принципомкомплементарності: аденін з'єднаний завжди з тиміном (А-Т) подвійним зв'язком, гуанін з цитозином (Г-Ц) потрійний. По довжині кожного ланцюга поруч розташовані нуклеотиди з'єднані між собою фосфодиэфирными зв'язками. Кінці кожного ланцюжка ДНК позначені як 5' і 3' (абревіатура дана відповідно до загальноприйнятої номенклатури розташування атомів вуглецю в молекулі цукру): якщо один ланцюг починається значенням 5', то закінчується значенням 3', при цьому паралельний ланцюг має зворотну послідовність (3 '-5').
Синтез (реплікація) ДНК.
Перед початком будь-якого типу розподілу клітин (мітозу або мейозу) у синтетичному періоді інтерфази (S) відбувається подвоєння всього генетичного матеріалу. Цей процесназиваєтьсяреплікація. Реплікація, що здійснюється за принципомкомплементарності, забезпечує найвищуточність відтворення спадкової інформації при її переході від одного покоління клітин (або організмів) до іншого.
Реплікація ДНК здійснюється за допомогою ферментуДНК-полімераза (якщо розглядати спрощену схему синтезу). Спочаткудволанцюгова нитка під дією ферментів роз'єднується надві одноланцюгові. З'являється так званавилка реплікації. У вилці реплікації окремо на кожному ланцюзі починають працювати ферменти, що добудовують нуклеотиди за принципомкомплементарності. Добудовуватися починає спочатку один ланцюг, потім через деякий час у зворотному напрямку інший. Це обумовлено тим, щосинтез завжди здійснюєтьсяу напрямку 5'-3', а оскільки нитки ланцюжкаДНК маютьпротилежну спрямованість, то й синтез здійснюється відповідно до хімічної орієнтації молекули. Ланцюг, який починає синтезуватися першим, називаєтьсялідируючою, фермент нарощує її зі стартової точкибезперервно (у напрямку 5'-3'). Другий ланцюг називаєтьсязапізнювальним, так як він починає синтезуватися через невеликийтимчасовий інтервал (по відношенню до лідируючого ланцюга),фрагментами (ці фрагменти називаютьсяфрагменти Оказаки ),у зворотному напрямку. Після завершення процесу реплікації утворюються дві дволанцюгові нитки з однаковою послідовністю нуклеотидів.
Структура та синтез РНК.
МолекулаРНК (рибонуклеїнова кислота ) маєодноланцюгову будову. В освіті РНК беруть участьчотири типи нуклеотидів :А -аденін, Г - гуанін,Ц - цитозин, У - урацил. З вище сказаногослід, що нуклеотиди молекули РНК відповідають нуклеотидам молекули ДНК з тією лише різницею, що замість тіміну в РНК використовуєтьсяурацил. Крім того, у побудові молекули РНКзамість дезоксирибози використовується цукоррибоза. По довжині молекули РНК значно коротше, ніж ДНК.
Функціонально розрізняютьтри типи РНК :матрична (м-РНК) абоінформаційна (і-РНК),транспортна (т-РНК), рибосомальна ( р-РНК).
Матрична РНК (або інформаційна) бере участьу переносі інформації про структуру білка від ДНК до рибосом.
Рибосомальна РНК є структурним компонентом рибосом і, отже,сприяє синтезу білка рибосомами.
Транспортна РНК бере участь упереносі амінокислот до місця синтезу білка (до рибосом).
Всі типи РНК синтезуються в ядрі (у еукаріотичних організмів), у прокаріотичних організмів в цитоплазмі.Матрицею для їх синтезу служать відповідніділянки ДНК. Процес здійснюється під дією ферментуРНК - полімераза (у спрощеному варіанті).
Матрична (інформаційна) РНК з'являється в результаті процесутранскрипції (переписування). Транскрипція здійснюється тільки з однією з ниток ДНК. Під дією ферментуРНК-полімераза будується спочатку5' кінець і далі фермент йде в напрямку3', підставляючи нуклеотидиза принципом комплементарності: якщо в нитці ДНК знаходитьсяаденін (А ), то проти ньогов РНК фермент включаєурацил (У ), в інших випадках нуклеотиди включаються в РНК так само, як і при побудові ДНК (напроти тиміну ДНК в РНК включається аденін, навпроти гуаніну ДНК в РНК включається цитозин, навпроти цитозину ДНКв РНК включається гуанін).
Завдяки процесу транскрипції, передачі спадкової інформації з ядра в цитоплазму, у клітині з'являється посередник як копії гена – матричної (інформаційної) РНК. У еукаріотів м-РНК спочатку незріла.Дозрівання м-РНК (процесинг ) полягає у видаленні з неї ділянок не мають відношення до структури білків (інтронів ) і зшиванні ділянок, що залишилися (екзонів ) в одну нитку.
Переведення нуклеотидної послідовності молекули ДНК (або РНК) у послідовність амінокислот білкової молекули здійснюється при дотриманні певних умов, що отримали назву генетичного коду.