Молекулярные и биохимические основы наследственности

План изучения раздела
История открытия и исследования структуры нуклеиновых кислот.
Химическое строение и генетическая роль нуклеиновых кислот: ДНК и РНК.
Репликация ДНК.
Репарация ДНК.
Структура и свойства белков.
Понятие и структура гена.
Особенности митохондриальной ДНК.
Генетический код, его свойства.
Реализация наследственной информации.

История открытия и исследования структуры нуклеиновых кислот
1869 г. И.Ф. Мишер впервые выделил нуклеиновые кислоты из лейкоцитов гноя
1901 г – А. Коссель установил состав нуклеотида: пятиуглеродный сахар, азотистое основание, остаток фосфорной кислоты
1950 – 1953 г. Э. Чаргафф установил количественное отношение азотистых оснований в ДНК
1951 г. Р. Франклин получила первые качественные рентгенограммы ДНК

История открытия и исследования структуры нуклеиновых кислот
1953 г. – Дж. Уотсон и Фр. Крик открыли пространственную структуру ДНК.

Химическое строение и генетическая роль нуклеиновых кислот: ДНК и РНК
НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ
Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК)
Рибонуклеиновая кислота (РНК)
Находится в ядре (ядрышко), рибосомах, митохондриях, цитоплазме.
Строение: одинарная полинуклеотидная цепочка. Мономер – нуклеотид.
Состав нуклеотида: рибоза, азотистые основания (аденин (А), гуанин (Г), цитозин (Ц), урацил (У)), остаток форфорной кислоты.
Свойства: не способна к самоудвоению; лабильна.
Находится в ядре (хроматин), митохондриях.
Строение: двойной неразветвленный линейный полимер, свернутый в правозакрученную спираль, связи – водородные. Мономер – нуклеотид.
Состав нуклеотида: дезоксирибоза, азотистые основания (аденин (А), гуанин (Г), цитозин (Ц), тимин (Т)), остаток форфорной кислоты.
Свойства: способна к самоудвоению; стабильна; А = Т, Г ≡ Ц.

Цепи ДНК антипараллельны, т.е. одна из них имеет направление 5'→ 3', другая 3'→ 5‘.
Одна цепь ДНК (кодирующая, матричная) считывается при транскрипции для последующего синтеза белка, другая (некодирующая) – не считывается и является резервной копией матричной цепи.

Генетическая роль ДНК и ее доказательства
Функция ДНК – хранение и передача наследственной информации.

Виды РНК, их функции
Информационная РНК (иРНК)
Передает информацию о структуре белка от ДНК к рибосоме
Транспортная РНК (тРНК)
Переносит соответствующую аминокислоту к месту синтеза белка
Рибосомальная РНК (рРНК)
Входит в состав рибосом
Гетерогенная ядерная РНК (гяРНК)
Принимает участие в удалении некодирующих участков (интронов) из РНК

Репликация ДНК
Репликация ДНК – это процесс, в результате которого молекула ДНК удваивается и образуются две ее копии. Репликация контролируется целым рядом ферментов.
ДНК-полимеразы осуществляют синтез ДНК (удлинение цепи).
РНК-полимераза осуществляет транскрипцию РНК.
Хеликаза, топоизомераза – расплетают двойную цепь ДНК.
Эндонуклеазы – ферменты, разрезающие двунитевую молекулу ДНК.
ДНК-лигазы – ферменты, катализирующие образование фосфодиэфирной связи между 3´ и 5´-концами молекулы ДНК.

Репарация ДНК
Репарация – устранение ошибок в ДНК.
Основной путь репарации включает три этапа:
Измененный участок поврежденной цепи ДНК распознается и удаляется с помощью ДНК-репарирующих нуклеаз. На этом месте возникает брешь.
ДНК-полимераза и гликозидазы заполняют эту брешь, присоединяя нуклеотиды один за другим, копируя информацию с целостной нити.
ДНК-лигаза «сшивает» разрывы и завершает восстановление молекулы.

Структура и свойства белков
Белки – сложные органические соединения, состоящие из аминокислот. Мономерами белков являются 20 различных аминокислот.
Общая формула аминокислот

Классификация белков по химическому составу
Простые (состоят только из аминокислот)
Сложные (глобулярный белок + небелковый компонент)
альбумины (сывороточный альбумин крови),
глобулины (антитела крови),
гистоны (вместе с нуклеиновыми кислотами входят в состав хроматина),
склеропротеины (кератин волос, кожи; коллаген сухожилий; эластин связок)
Гликопротеины (Б + углевод)
Нуклеопротеины (Б + нуклеиновая кислота)
Хромопротеины (Б + пигмент)
Липопротеины (Б + липид)

Уровни организации белковых молекул
Первичная структура
Вторичная структура
Третичная структура
Четвертичная структура

Функции белков в организме

Понятие и структура гена
Ген – участок молекулы ДНК, характеризуемый специфической для него последовательностью нуклеотидов – набора нуклеотидов, представляющий единицу функции, отличной от функций других генов, и способный изменяться путем мутирования.

Особенности митохондриальной ДНК
Митохондриальная ДНК полуавтономна (существует возможность переноса между культивируемыми клетками человека в процессе слияния и разъединения органоидов).
Митохондриальная ДНК поступает в клетку, как правило, только по материнской линии.
Изменчивость мт ДНК в 10-20 раз выше, чем ядерной (мутации возникают чаще).
В мт ДНК нет интронов.
Митохондриальная ДНК содержит 37 генов.
Митохондриальные гены человека
Взаимодействие бактериального и ядерного геномов

Генетический код, его свойства
Свойства:
Триплетность (УУЦ – фенилаланин).
Вырожденность (фенилаланин = УУЦ, УУУ).
Однозначность.
Неперекрываемость.
Универсальность

Реализация наследственной информации
Центральная догма молекулярной биологии