Молекулярные основы наследственности

Нуклеиновые кислоты были открыты Фридрихом Мимером (1844—1895 гг.) в 1869 г. Из ядер клеток человека он выделил вещество, названное им нуклеином (от лат» nucleus— ядро). В дальнейшем были изучены строение и молеку­лярная структура нуклеина и установлено, что он представлен двумя типами нуклеиновых кислот — дезоксирибонуклеиновой кислотой (ДНК), локализованной преимущественно в ядре, и рибонуклеиновой кислотой (РНК), находящейся в ядре и цитоплазме.
Наследственная информация осуществляется при участии рибонуклеиновых кислот- ДНК и РНК.
Нуклеиновые кислоты — материальные носители наследственной информации.

Строение молекулы ДНК
ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) — сложный биополимер, состоящий из 108 нуклеотидов и более.
Каждый нуклеотид включает три компонента:
остаток фосфорной кислоты (фосфат),
дезоксирибозу (пентозный сахар)
одно из четырех азотистых оснований: А — аденин, Г — гуанин, Т — тимин, Ц — цитозин.
Структурная формула молекулы ДНК была установлена в 1953 г. Д. Уотсоном и Ф. Криком.

Молекула ДНК состоит из двух цепочек нуклеотидов, соединенных между собой.
Каждый нуклеотид одной цепочки соединяется водородными связями с нуклеотидом другой цепочки комплементарно. (строго закономерно):
аденин соединяется с тимином, двумя водородными связями
гуанин — с цитозином тремя водородными связями
Две соедененные нити образуют спираль, закрученную вправо, каждый виток которой имеет длину 3,4 нм, расстояние между нуклеотидами 0,34 нм.
Число нуклеотндов и их последовательность в молекуле ДНК специфичны для каждого вида и частично — для каждой особи.

Репликация молекулы ДНК
Репликация - процесс самокопирования (удвоения) молекулы ДНК.
Репликация происходит в период интерфазы митоза.
На отдельных участках молекулы ДНК образуются разрывы (вилки репликации). В этих местах водородные связи между азотистыми основаниями под действием ферментов разрываются, комплементарные нити разъединяются и каждая из них становится основой, на которой происходит синтез дочерних нитей.
Процесс репликации протекает одновременно на двух комплементарных нитях при участии ферментов, главнейшие из которых получили название ДНК-полимеразы. Участок молекулы ДНК в том месте, где начали расплетаться комплементарные нити, называются вилкой репликации.
Репликация ДНК протекает довольно быстро, У эукариот дочерняя нить удлиняется на 1,5 — 2,5 мкм в минуту.

Строение РНК
РНК (рибонуклеиновая кислота) меньше чем ДНК, и представляют собой одинарную цепь нуклеотидов.
Нуклеотиды РНК содержат:
остаток фосфорной кислоты (фосфат),
пентозный сахар (рибозу)
одно из четырех азотистых оснований:— аденин, цитозин, гуанин и урацил.
Азотистое основание— урацил — комплементарно аденину, цитозин – гуанину.

Виды рибонуклеиновых кислот:
информационная (матричная) — иРНК
рибосомальная — рРНК
транспортная — тРНК.
Информационная (матричная) — иРНК синтезируются в ядре клетки на соответствующих участках молекулы ДНК и является копией этих участков. Представляют собой одинарную цепь нуклеотидов.
Ее задача быть инструкцией для сборки молекулы белка.
Рибосомальная — рРНК - молекулы РНК, из которых состоят рибосомы

Транспортная — тРНК синтезируются в ядре, но функционируют в цитоплазме клетки. тРНК имеет вид листа клевера.
Ее задача доставлять аминокислоты к месту синтеза белка. Существует более 20 видов тРНК, каждый вид тРНК соответствует определенной аминокислоте.
Антикодон, состоящийиз трех нуклеотидов, определяет место прикрепления тPHK к соответствующему кодону (мРНК) на рибосоме;
к Акцепторному участку прикрепляется аминокислота.

Наследственная информация, закодированная в молекуле ДНК, реализуется в процессе биосинтеза белка.
Каждый ген контролирует синтез одного соответствующего фермента (белка) («один ген — один фермент»).

Белки
Роль:
Участвуют в построении мембран, хроматина, рибосом, митохондрий.
В качестве ферментов и гормонов они управляют всеми процессами в клетке и в многоклеточном организме.

Химическая структура белков
Молекула белка представляет собой цепочку, состоящую из 100 — 300 различных аминокислот и более.
Каждая из 20 аминокислот может встречаться многократно.
Вторичная структура белковой молекулы - спираль.
Третичная структура белковых молекул пространственное расположение цепей.
Четвертичная структура белковых молекул характеризуется тем, что они состоят из двух — четырех различных, стабильно соединенных цепей.

Биосинтез белка
Процесс синтеза белка в клетке называется биосинтезом.
Он осуществляется под контролем молекулы ДНК.
В биосинтезе белка участвуют три вида рибонуклеиновых кислот: иРНК, рРНК , тРНК.

Этапы биосинтеза белка: — транскрипция и трансляция.

Транскрипция
Транскрипция - Процесс синтеза и-РНК с использованием ДНК в качестве матрицы.
Происходит в ядре клетки: на участке определенного гена молекулы ДНК синтезируется иРНК.
Фермент РНК-полимераза прикрепляется к начальной точке молекулы ДНК, расплетает двойную спираль и, перемещаясь вдоль одной из нитей, синтезирует рядом с ней комплементарную нить иРНК.
иРНК содержит генетическую информацию в виде последовательного чередования нуклеотидов, порядок которых точно скопирован с соответствующего участка (гена) молекулы ДНК.

Трансляция
Процесс перевода информации, содержащейся в и-РНК в последовательность аминокислот белковой цепи.
Происходит в цитоплазме на рибосомах при участии тРНК.
Последовательность аминокислот в цепи определяется последовательностью кодонов в иРНК.
1. Молекула иРНК выходит из ядра в цитоплазму и прикрепляется к рибосоме.
2. Аминокислоты прикрепляется к соответствующей тРНК и доставляется ею на рибосому.
3. тРНК доставляет к рибосоме аминокислоту, ее антикодон соединяется с определенным участком мРНК.
4. После первой аминокислоты другая тРНК доставляет следующую аминокислоту, и таким образом на рибосоме синтезируется полипептидная цепь.
5. Синтез полипептидной цепи прекращается, когда на иРНК появляется один из кодонов-терминаторов — УАА, УАГ или УГА.

Генетический код — это система записи генетической информации о порядке расположения аминокислот в белках в виде последовательности нуклеотидов в ДНК или РНК.
Каждая аминокислота белка закодирована в ДНК триплетом — тремя расположенными подряд нуклеотидами.

Свойства генетического кода
1. Триплетность Каждая аминокислота кодируется последовательностью из 3-х нуклеотидов (триплет).
2. Вырожденность. Все аминокислоты, за исключением метионина и триптофана, кодируются более чем одним триплетом: Всего 61 триплет кодирует 20 аминокислот.
3. Наличие межгенных знаков препинания. В конце каждого гена, кодирующего полипептид, находится, один из 3-х терминирующих кодонов, или стоп-сигналов: UAA, UAG, UGA. Они терминируют трансляцию. Кодон АУГ, находящийся в начале мРНК на конце 5', является инициатором синтеза
4. Однозначность. Каждый триплет кодирует лишь одну аминокислоту или является терминатором трансляции.
5. Универсальность. Генетический код един для всех живущих на Земле существ. Это является сильнейшим свидетельством в пользу единства происхождения и эволюции.
6. Неперекрываемость. Нуклеотидная последовательность считывается подряд в одном направлении — от 5' к 3', триплет за триплетом. каждый нуклеотид входит в состав лишь одного кодона.

ДНК РНК
А --------У
Т---------А
Ц---------Г
Г---------Ц

ДНК – ЦГЦ ЦТТ АТА ТТГ АГА АТТ
иРНК- Г ЦГ ГАА УАУ ААЦ УЦУ УАА
Белок- ала глу тир асн сер стоп

ДНК- А Т Г ГАА А ЦГ Т Т Т Т АА АЦТ

ДНК- А Т Г Г А А А Ц Г Т Т Т Т АААЦТ
иРНК-УАЦ Ц УУ У ГЦ ААА АУУ У ГА
Белок- Тир Лей Цис Лиз Изолей стоп