Молекулярно-генетический уровень жизни

Молекулярная биология
комплекс биологических наук, изучающих механизмы хранения, передачи и реализации генетической информации, строение и функции нерегулярных биополимеров (белков и нуклеиновых кислот)

Локализация генетической информации. Биополимеры

Биологическая информация
Это ВСЕ свойства организма!
Хранение информации осуществляют биологические полимеры – нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК);
Биологическая информация реализуется через белки (полипептиды).

Нуклеиновые кислоты
НК – полимерные макромолекулы
Мономер – нуклеотид:
- сахар (пентоза),
- фосфат,
азотистое основание (пурин – аденин, гуанин, или пиримидин – цитозин, тимин или урацил)
Нуклеозид – без фосфорного остатка

Нуклеиновые кислоты
Полинуклеотидная цепь
Фермент - полимераза
фосфодиэфирная связь
между остатком фосфорной кислоты и атомами пентозы

ДНК –
дезоксирибонуклеиновая
кислота

ДНК – полимерная молекула
Мономер – нуклеотид!!!
фосфорная кислота +
дезоксирибоза + основание =
нуклеотид
Основания
пуриновые
пиримидиновые
аденин
гуанин
тимин
цитозин

ДНК – полимерная молекула

Схема строения молекулы ДНК
Дж. Уотсон и Ф. Крик (1953)

Схема строения
молекулы ДНК
ДНК – правозакрученная (В-форма) спираль из двух полинуклеотидных цепей
по 10 оснований в каждом витке

Схема строения молекулы ДНК
цепи комлементарны
цепи антипараллельны
водородные связи
между нуклеотидами

Строение молекулы ДНК
Первичная структура ДНК – последовательность нуклеотидов, образуется благодаря сложноэфирной связи.
Вторичная структура ДНК - представляет собой две параллельнные неразветвленные полинуклеотидные цепи, закрученные вокруг общей оси в двойную спираль.
Третичная структура ДНК - это пространственная форма, которую принимает молекула ДНК по мере своего сворачивания и компактизации.

Правила Э. Чаргаффа:
1. Сумма пуринов равна сумме пиримидинов – А+Г=Т+Ц.
2. Количество аденина в любой молекуле ДНК равно количеству тимина, а количество гуанина равно количеству цитозина – А=Т и Ц=Г.
Эрвин Чаргафф
1905-2002

РНК –
рибонуклеиновая
кислота
Играет роль посредника:
перевод наследственной информации, сохраняемой в ДНК, в рабочую форму

Полимер, НО:
одна цепь
урацил вместо тимина
рибоза вместо дезоксирибозы
РНК

Типы РНК
Малая ядерная – мяРНК
сплайсинг РНК
Матричная (информационная) – м(и)РНК
матрица для построения белков
до 10 тыс. нуклеотидов,
около 2% от общего количество
моногенная (моноцистронная)
полигенная (полицистронная)

Транспортная – тРНК
транспорт аминокислот
узнавание мРНК
около 100 нуклеотидов,
10-15% от общего количества Типы РНК

Рибосомальная – рРНК
скелет рибосомы
узнавание тРНК и мРНК
2-3 тыс. нуклеотидов, 80-90% от общего количества
Типы РНК

Различия между НК

Структура и функции гена
Ген – это участок молекулы ДНК, кодирующий первичную структуру полипептида через иРНК, а также структуру молекул р-РНК, тРНК или взаимодействующий с регуляторным белком
В.Л. Иоганнсен (1909)
единица мутации
единица функции
единица рекомбинации
(кроссинговера)
единица
функции

Локус – место расположения гена в хромосоме (его позиция в ней)
Гены могут перекрываться!!!
один ген – один фермент
один ген – одна полипептидная цепь

ГЕН – это элементарная структурная единица наследственности, определяющая развитие отдельного признака или свойства организма
ГЕН, определяющий данный признак, может существовать в двух или нескольких альтернативных состояниях
Альтернативная форма гена – это аллель!

Свойства гена
Дискретность – несмешиваемость генов
Специфичность – каждый ген кодирует свой признак
Стабильность – способность сохранять структуру
Лабильность – способность многократно мутировать
Экспрессивность – степень выраженности гена в признаке

Пенетрантность – частота проявления гена в фенотипе
Аллельность – в генотипе диплоидных организмов только две формы гена
Множественный аллелизм – многие гены существуют в популяции во множестве молекулярных форм
Плейотропия – множественный эффект гена
Амплификация – увеличение количества копий гена
Свойства гена

Классификация генов

Классификация генов

Генетический код
Генетический код – это единая система записи наследственной информации в молекулах НК в виде последовательности нуклеотидных триплетов, считываемых от 5'к 3' концу цепи
Свойства генетического кода:
триплетность
неперекрываемость
вырожденность
однозначность
квазиуниверсальность
А-Т-Ц-Т-Т-А-А-А-Г
ТРИПЛЕТ

В последовательности нуклеотидов НК закодирована последовательность аминокислот в белке!!!

Доклеточных формы жизни – вирусы – ДНК/или РНК находятся в белковой оболочке – капсиде; вироиды – РНК имеет форму кольца или линейна и не соединена с белкам – вызывают заболевания растений.
Способы хранения информации

Прокариоты – молекула ДНК замкнутой кольцевой формы, располагается в нуклеоиде, аналоге ядра эукариот (без ядерной оболочки), в центре клетки; небольшие кольцевые молекулы ДНК – плазмиды.
Способы хранения информации
генофор

Способы хранения информации
Прокариоты – бактериальная хромосома – в виде петель (12-80) – петли на периферии доступны для транскрипции!
Есть ДНК-связывающие белки (не гистоны!), которые компактизируют хромосому, отвечают за экспрессию генов.

Способы хранения информации
Прокариоты – плазмиды – кольцевые молекулы (40-50 генов).
Автономные плазмиды существуют в цитоплазме бактерий и способны самостоятельно репродуцироваться.
Интегрированные плазмиды репродуцируются одновременно с бактериальной хромосомой. Интеграция плазмид происходит при наличии гомологичных последовательностей ДНК, при которых возможна рекомбинация хромосомной и плазмидной ДНК (что сближает их с профагами).
Плазмиды также подразделяют на трансмиссивные (например, F- или R-плазмиды), способные передаваться посредством конъюгации, и нетрансмиссивные.

Способы хранения информации
Плазмиды – функции:
Регуляторные плазмиды участвуют в компенсировании тех или иных дефектов метаболизма бактериальной клетки посредством встраивания в повреждённый геном и восстановления его функций.
Кодирующие плазмиды привносят в бактериальную клетку новую генетическую информацию, кодирующую новые, необычные свойства (например, устойчивость к антибиотикам).

Эукариоты – нити ДНК упакованы в хромосомы, которые располагаются в изолирующей органелле клетки – ядре! Линейны!!!
Внеядерные ДНК – кольцевые ДНК митохондрий и пластид, плазмиды.
Способы хранения информации

Организация ДНК в клетке
в интерфазном ядре – хроматин – неконденсированная и деспирализованная форма
в делящемся ядре – конденсированные хромосомы

Спирализация (компактизация) хромосом
Уровни спирализации:
нуклеосомный
нуклеомерный
хромомерный
хромонемный
хроматидный

Спирализация (компактизация) хромосом
Нуклеосомная нить – участвуют белки-гистоны Н2а, Н2в, H3, Н4. Они образуют белковые тела – коры, состоящие из 8 молекул (по 2 молекулы каждого белка).
Молекула ДНК соединяется с белковыми корами, спирально накручиваясь на них. При этом в контакте с каждым кором оказывается участок ДК, состоящий из 146 н.
Свободные от контакта с белковыми телами участки ДНК называются связующими или линкерными. Они включают от 15 до 100 н в зависимости от типа клеток.
Отрезок молекулы ДНК длиной около 200 н вместе с белковым кором составляет нуклеосому.
В результате нуклеосомной организации хроматина двойная спираль ДНК диаметром 2 нм приобретает диаметр 10-11 нм и сокращает ее длину приблизительно в 7 раз.

Хроматиновая фибрилла – соленоид.
Дальнейшая компактизация нуклеосомной нити обеспечивается гистоном Н1, который, соединяясь с линкерной ДНК и двумя соседними белковыми телами, сближает их друг с другом и образуется спираль диаметром около 30 нм.
Один виток спирали содержит 6-10 нуклеосом. Этим достигается укорочение нити еще в 6 раз.
Спирализация (компактизация) хромосом

Серия петельных доменов.
В их образовании принимают участие негистоновые белки, которые способны узнавать специфические нуклеотидные последовательности вненуклеосомной ДНК, отдаленные друг от друга на расстояние в несколько тысяч пар нуклеотидов. Эти белки сближают указанные участки с образованием петель из расположенных между ними фрагментов хроматиновой фибриллы.
Участок ДНК, соответствующий одной петле, содержит от 20 000 до 80 000 п.н.
В результате такой упаковки хроматиновая фибрилла диаметром 20-30 нм преобразуется в структуру диаметром 200-300 нм, нить ДНП укорачивается в 10-20 раз.
Спирализация (компактизация) хромосом

Интерфазная хромонема. Отдельные участки ДНП подвергаются дальнейшей компактизации, образуя структурные блоки, объединяющие соседние петли с одинаковой организацией. В результате такой упаковки образуется структура диаметром 700 нм.
Метафазная хромосома. Отдельные участки интерфазной хромонемы подвергаются дальнейшей компактизации с образованием метафазных хромосом. Метафазные хромосомы имеют длину от 2,3 до 11 мкм и диаметр от 0,2 до 5,0 мкм. Общий итог – укорочение в 10 000 раз.
Спирализация (компактизация) хромосом

Уровни компактизации хромосом

Хроматин
Эухроматин – слабо конденсированные и функционально активные области хроматина.
В них расположены структурные гены и активно происходит транскрипция.
Количество эухроматина может варьировать от клетки к клетке, благодаря дифференциальной экспрессии генов в разных тканях или в разные периоды онтогенеза.
эухроматин

Гетерохроматин представлен сильно конденсированными участками хроматина, которые не транскрибируются.
Конститутивный гетерохроматин содержит только повторяющиеся последовательности ДНК (сателлитную ДНК).
Обеспечивает индивидуальность хромосом (теломерные последовательности), разграничение и функционально упорядоченное расположение кодирующих последовательностей, участвует в регуляции митоза или мейоза (центромеры).
Расположение участков конститутивного гетерохроматина в гомологичных хромосомах является идентичным и, как правило, одинаково в разных клетках.
Факультативный гетерохроматин содержит кодирующие последовательности в неактивном состоянии, функция и активность которых зависят от периода онтогенеза, типа ткани или пола.
При определенных условиях факультативный гетерохроматин может конденсироваться и превращаться в эухроматин.
Хроматин

Строение и классификация
хромосом

Кариотип – совокупность хромосом соматической клетки определённого числа, формы и размера, типичного для данного вида
идиограмма человека

Половые хромосомы – хромосомы, по которым особи мужского и женского полов различаются
Аутосомы – хромосомы, одинаковые у особей и женского и мужского пола
Хромосомы

Хромосомы
Диплоидность (2n) - наличие в ядре растительной или животной клетки парного набора хромосом;
характерна для соматических клеток животных и спорофита растений
Гаплоидность (n) – наличие одинарного набора хромосом; половые клетки животных, гаметофиты растений, прокариоты

Белки
Белки – высокомолекулярные органические вещества, состоящие из альфа-аминокислот, соединённых в цепочку пептидной связью
На долю этих полимеров приходится 50-80% сухой массы клетки

Строение
аминокислота – общая формула

Структура
Первичная
Вторичная
Третичная
Четвертичная

Первичная структура
последовательность аминокислот в составе полипептидной цепи
уникальна для любого белка и определяет его форму, свойства и функции

Вторичная структура
Белки имеют вид спирали в результате образования водородных связей между -CO- и -NH- группами разных аминокислотных остатков полипептидной цепи
Водородные связи малопрочные, но в комплексе они обеспечивают довольно прочную структуру

Третичная структура
специфическая конфигурация – глобула, образующаяся за счёт взаимодействий между радикалами аминокислот, которые могут располагаться на значительном расстоянии друг от друга в полипептидной цепи

Четвертичная структура
несколько связанных между собой глобул
Такая структура формируется за счет электростатических взаимодействий и водородных связей

Классификация белков
по форме белковых молекул
по составу белковой молекулы
по функциям

Классификация.
Форма белковых молекул
Фибриллярные белки представляют собой длинные нитевидные молекулы, полипептидные цепи которых вытянуты вдоль одной оси и скреплены друг с другом поперечными сшивками.
В глобулярных белках одна или несколько полипептидных цепей свернуты в плотную компактную структуру – клубок.

Классификация. Состав белковой молекулы
Белки по составу можно разделить на две группы: простые и сложные белки.
Простые белки состоят только из аминокислотных остатков и не содержат других химических составляющих.
Сложные белки, помимо полипептидных цепей, содержат другие химические компоненты неаминокислотной природы – простетические группы. В качестве простетической группы могут выступать различные органические (липиды, углеводы) и неорганические (металлы) вещества.

Функции белков
Структурная
Запасная
Двигательная
Транспортная
Защитная
Рецепторная
Регуляторная
Ферментативная

Структурные белки
К структурным белкам относятся коллаген, эластин, кератин, фиброин.
Белки принимают участие в формировании клеточных мембран, в частности, могут образовывать в них каналы или выполнять другие функции.

Запасные белки
белки предназначенные для потребления зародышами растений и животных на первых стадиях их развития
Наиболее известными примерами таких белков служат белки семян пшеницы, кукурузы и риса. В ферритине, встречающемся в животных тканях, запасено железо.

Сократительные белки
обеспечивают работу мышц, движение жгутиков и ресничек у простейших, изменение формы клеток, перемещение органелл внутри клетки

Транспортные белки
собирательное название большой группы белков, выполняющих функцию переноса различных лигандов как через клеточную мембрану или внутри клетки (у одноклеточных организмов), так и между различными клетками многоклеточного организма
транспортные белки могут быть как интегрированными в мембрану, так и водорастворимыми белками, секретируемыми из клетки, находящимися в пери- или цитоплазматическом пространстве, в ядре или органеллах эукариот

Защитные белки
К этой группе относятся белки, защищающие организм от вторжения других организмов или предохраняющие его от повреждений.
Иммуноглобулины, или антитела, способны распознавать проникшие в организм бактерии, вирусы или чужеродные белки, связываться с ними и способствовать их обезвреживанию.

Рецепторные белки
способные специфически связывать другие молекулы, несущие внешние для клетки регуляторные сигналы (напр., гормоны, нейромедиаторы), или реагировать на физические факторы (напр., свет)
благодаря конформац. изменениям, индуцируемыми этими сигналами, рецепторные белки запускают определенные каскадные биохим. процессы в клетке, в результате чего реализуется ее физиологический ответ на внешний сигнал
большинство рецепторных белков локализовано в ЦПМ и представляет собой пронизывающие мембрану гликопротеины

Регуляторные белки
Белки, участвующие в управлении биологическими процессами, относят к регуляторным белкам. К ним принадлежат некоторые гормоны: инсулин, гормон роста.

Превращение белков в организме