Файл: Курс лекций, нгу 2000. Лекция Что такое молекулярная биология. Доказательства роли нуклеиновых кислот.doc

Скачать файл
Заказать решение

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 11.01.2024

Просмотров: 145

Скачиваний: 1

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

СОДЕРЖАНИЕ

В 1961г. Сеймур Бензер и Френсис Крик экспериментально доказали триплетность кода и его компактость.

Таким образом, М1+М2+М3+М4 - один энхансер, но он состоит из 4-х модулей. Все 4 модуля узнаются своими белками, а они, сидя на ДНК, взаимодействуют друг с другом. Если в клетке присутствуют все соответствующие белки, то участку ДНК придается определенная конформация и начинается синтез mРНК. Все соматические клетки многоклеточного эукариотического организма имеют абсолютно одинаковый набор генов. Почему же клетки дифференцированы и специализированы? Дело в том, что все гены работают на фоновом уровне и не имеют фенотипического проявления. Экспрессируются лишь те гены, у которых все энхансерные модули узнаны своими белками и эти белки взаимодействуют друг с другом. Кроме энхансеров есть сайленсеры (ослабители).Определение: сайленсеры - последовательности ДНК, ослабляющие транскрипцию при взаимодействии с белками. При соответствующем наборе белков экспрессия отдельных генов в клетке может быть подавлена. Процессинг (созревание) rРНК и tРНК у эукариот принципиально не отличается от такового у прокариот. Процессинг mРНК отличается сильно и состоит из нескольких этапов.1. Кепирование 100% mРНК2. Полиаденилирование 95% mРНК3. Сплайсинг 95% mРНК. Сплайсингу подвергаются только полиаденилированные mРНК.4. Редактирование Показано лишь для нескольких mРНК.Все стадии процессинга mРНК происходят в РНП-частицах (рибонуклеопротеидных комплексах.По мере синтеза про-mРНК, она тут же образует комплексы с ядерными белками - информоферами. И в ядерные, и в цитоплазматические комплексы mРНК с белками (информосомы) входят sРНК. Таким образом, mРНК не бывает свободной от белков.На всем пути следования до завершения трансляции mРНК защищена от нуклеаз. Кроме того, белки придают ей необходимую конформацию.Определение: полисома - комплекс mРНК с несколькими или многими рибосомами.В составе информосом mРНК может жить от нескольких минут до нескольких дней, не подвергаясь действию нуклеаз. (Так, mРНК живут неделями в ооцитах, предшественниках яйцеклеток). КепированиеКепирование - надевание "шапочки". "Сар" представляет собой метилированный ГТФ, присоединенный в необычной позиции 5'-5' и две метилированные рибозы в первых двух нуклеотидах mРНК. По мере образования про-mРНК (еще до 30-ого нуклеотида), к 5'-концу, несущему пуринтрифосфат, присоединяется гуанин, после чего происходит метилирование. ГТФ + гуанинтрансфераза (Е) ЕфГ + ф-ф 5'ф-ф-ф-Пур-ф-Х-ф-Y-ф-Z-...+E

Фермент способен гидролизовать спаренный 5'-конец, расчищая себе дорогу и продолжая полимеризацию. Если на пути фермента встречается короткий (меньше 10 нуклеотидов) неспаренный 5'-конец, то полимераза сначала проявляет эндонуклеазную активность и откусывает весь свисающий конец, а затем проявляет экзонуклеазную 5' 3' активность т.е. откусывает по одному нуклеотиду. Если неспаренный 5'-конец длинный, то фермент использует его как матрицу. При мягком расщеплении ДНК-полимеразы трипсином можно получить два активных фрагмента: один обладает полимеразной и 3' 5' гидролитической активностью (фрагмент Кленова), другой - 5' 3' гидролитической активностью. Схема непрерывной антипараллельной репликации in vivo по Корнбергу 1960г. Гипотетическая модель. Суть предположения: неизвестный фактор денатурирует концы линейной молекулы, 3'-ОН-концы загибаются и служат затравками для работы ДНК-полимеразы. Фермент осуществляет денатурацию матричной ДНК по мере продвижения и синтеза дочерних цепей. На выходе - дочерние молекулы, которые короче на загнутый конец, т.к. эндонуклеаза вносит разрыв в материнскую цепь. Схема непрерывной параллельной репликации Джона Кэрнса 1963г. Авторадиография Бактерии выращивались на среде с радиоактивным H3-тимидином в течение 5-и, 10-и, 15-и мин., после чего проводили авторадиографию. Ширина полос засветки соответствовала двум меченым нитям ДНК (если помечена одна цепь, то полоса будет получаться уже). В модели допускалось наличие фермента, способного вести синтез в направлении 3' 5'. Такой фермент не найден и сегодня. Модель неверна, однако, она побудила искать новые ДНК-полимеразы и в Е. coli были найдены еще две: II и III. Сравнительные характеристики ДНК-полимераз E. сoli Функция ДНК-полимераза I ДНК-полимераза II ДНК-полимераза III Полимеризация в 5' 3' направлении + + + Гидролитическая активность 3' 5' + + + Гидролитическая активность 5' 3' + - - Потребность в матрице-затравке: Нативная двуцепочечная ДНК - - - Одноцепочечная ДНК с олигонуклеотидной затравкой + - - 2-х цепочечная ДНК с ником + - - или с пробелом меньше 100 нуклеотидов + + + или с пробелом больше 100 нуклеотидов + - - Оптимальная концентрация KCl Активность 20мМ 60% 60% 100% 50мМ 80% 100% 50% 100мМ 100% 70% 10% 150мМ 80% 50% 0% Влияние 10% этанола 40% 45% 200% Молекулярный вес (кДа) 109 120 субъединич.состав Число оборотов, принимая за единицу 667 нукл/мин. 1 0.05 15 Число молекул на клетку 250 100 20 К репликации имеют отношение полимеразы I и III. Причем именно полимераза III является репликазой, т.е. она синтезирует in vivo новые цепи ДНК. Участие ДНК-полимеразы I необходимо. У нее вспомогательная, репаративная функция.ДНК-полимераза II имеет отношение лишь к репарации. Схема прерывистой антипараллельной репликации Рейджи Оказаки 1968 г.Исходные посылки: все данные Корнберга, полученные в ферментативной системе in vitro, и "картинки" Кэрнса верны ( но картинки неправильно интерпретированы). Оказаки специально разработал два новых метода исследования. 1. Метод импульсного мечения. До Оказаки метку давали в культуральную среду и быстро начинали отмывать клетки, но минимальное время подачи метки было 5 мин. Оказаки через нужный момент времени после добавления меченого тимидина давал 1000-кратный избыток холодного (немеченого) тимидина. Таким образом, метка включается только в течение очень короткого времени. Оказаки считал, что время Кэрнса (5 мин.) очень велико для получения истинной картины происходящего при репликации. 2. Центрифугирование в щелочном градиенте сахарозы. Сахароза разводится на щелочи. В щелочной среде происходит денатурация ДНК. В этом случае короткие фрагменты ДНК, если они есть, отделяются от длинных. После этого их можно выявить при центрифугировании в градиенте плотности сахарозы, разделяющем молекулы по молекулярному весу. Оказаки предположил, что синтез ДНК идет короткими фрагментами и что короткие фрагменты должны сшиваться. Сшиваются они лигазой. ДНК-лигаза была обнаружена как у прокариот, так и у эукариот. У E. сoli были найдены мутанты по лигазе. Оказаки провел эксперимент на бактериях, зараженных фагом Т4, у которого есть своя термочувствительная лигаза, которая работает при 20 С и не работает при 43 С. Если в клетку попадает фаговая ДНК, то клетка переключается на репликацию ДНК фага. Клетки заражали фагом Т4, давали импульсную метку Н3-тимидин и выращивали при двух температурах: 20 С и 43 С. Потом проводили центрифугирование в щелочном градиенте сахарозы. Лигаза E. coli нуждается в коферменте НАД, а лигаза фага - в АТФ. Если E.coli не давать никотиновую кислоту (предшественник НАД), бактериальная ДНК реплицируется, но не сшивается.Прерывистость репликации показана для всех объектов, кроме фагов, содержащих одноцепочечную ДНК. У некоторых фагов и вирусов прерывистый синтез идет по обеим цепям. У бактерий и высших организмов одна цепь образуется непрерывно, а другая - прерывисто (лидирующая и запаздывающая цепи). Размер фрагментов Оказаки видоспецифичен и составляет для фагов 1000-2000 нукл., E. сoli - 1000 нукл., для эукариот - 200-400 нукл. У фага Т7 обе цепи ДНК тоже реплицируются прерывисто. Они имеют разную плотность (в одной больше пуринов). Цепи были разделены в градиенте плотности CsCl и помещены на две колонки. Была осуществлена ковалентная привязка, поэтому они не могли сойти со смолы. Потом провели репликацию в условиях импульсного мечения. Пропустили все фрагменты через первую колонку. Выход был 50%. Остальные прогнали через вторую колонку. Выхода не было. Таким образом, было показано, что фрагменты комплементарны обеим матричным цепям. Значит, фрагменты образуются по обеим цепям Схема размножения фага М131974 г. Оказаки. Рифампицин - ингибитор бактериальной РНК-полимеразы (на стадии инициации). Хлорамфеникол - ингибитор трансляции на бактериальных рибосомах. Если одновременно с заражением E. сoli фагом добавить хлорамфеникол, то блокируются трансляция, репликация II и сборка фагов. Если подействовать рифампицином, то блокируется не только транскрипция и все следующие процессы, но и репликация I. Вывод: бактериальная РНК-полимераза участвует в репликации ДНК фага. Вся фаговая ДНК составляет 6000 нукл. Определение: origin (ori) - район начала репликации. В районе ori (начало репликации) имеется 4 шпильки. Эти шпильки опознаются РНК-полимеразой, и вторая шпилька используется в качестве матрицы. По мере образования РНК шпилька плавится. Образуется РНК-затравка длиной 24 нукл., 3'-конец которой используется ДНК полимеразой III. Когда 3'-конец синтезируемой цепи ДНК "утыкается" в 5'-конец РНК-затравки, ДНК-полимераза III вытесняется ДНК-полимеразой I, которая, обладая 5' 3' гидролитической активностью, "съедает" РНК-затравку, одновременно продолжая синтез ДНК. Когда затравка (РНК) съедена, ДНК-полимераза I вытесняется лигазой, которая сшивает концы ДНК. Все эти ферменты (ДНК-полимераза III, ДНК-полимераза I, лигаза) входят в состав реплисомы. Они представляют единый белковый комплекс, который реагирует изменением конформации на выполнение очередной функции. Протяженная (более 100 нукл.) одноцепочечная ДНК-матрица может быть использована ДНК полимеразой III, когда полимераза III представлена в форме holo-фермента. Помимо субъединицы , обладающей полимеразной активностью, в holo-фермент входит еще несколько субъединиц, обеспечивающих высокую процессивность синтеза ДНК. Фаг X174 Репликация ДНК этого фага не зависит от рифампицина. Здесь работает не обычная РНК-полимераза, а особый фермент - праймаза. Он умеет делать только РНК-затравку.Праймаза нуждается в дополнительных факторах - белках препрайминга. Точно так же (с помощью праймазы и белков препрайминга) образуются РНК-затравки при репликации ДНК E. сoli. Праймосома - это белки препрайминга и праймаза. Белки движутся по матричной цепи ДНК в 5' 3' направлении, праймаза - в противоположном, синтезируя РНК-затравки в организованных с помощью белков препрайминга участках ДНК на расстоянии 1000 нукл. друг от друга. Топологические проблемы репликации ДНК SSBБелки Альбертса, обнаруженные в 1968г., снижают температуру плавления ДНК in vitro на 20-40 С. Они связываются с ДНК электростатически, хотя имеют отрицательный заряд. Эти белки содержат кластер положительно заряженных аминокислотных остатков, но общий заряд белка отрицателен. У них повышенное сродство к одноцепочечной ДНК. Белок не связывается с двуцепочечной ДНК, не имеющей расплавленных участков.Но если есть одноцепочечная ДНК, то белки легко садятся на нее, выпрямляют ее, превращая ДНК в "палку". Белки связываются с двуцепочечной ДНК, если в ней есть нарушения вторичной структуры. Когда в ДНК образуется расплавленный участок, белок покрывает его за счет электростатических взаимодействий. При этом проявляется сродство белков друг к другу. Они покрывают ДНК сплошным слоем (стехиометрическое количество белка). Белки, сидящие на комплементарных цепях, не дают цепям схлопнуться, т.к. имеют мощный отрицательный заряд. Называются эти белки SSB (single strand bind). Они не денатурируют ДНК, а лишь фиксируют одноцепочечное состояние.Участие SSB в репликации абсолютно необходимо. Они удерживают матричные цепи ДНК в репликативной вилке в одноцепочечном состоянии, а также защищают одноцепочечную ДНК от действия нуклеаз. Они избирательно стимулируют работу ДНК-полимеразы. РНК-полимераза не может использовать одноцепочечную ДНК, покрытую SSB. Избирательность касается и вида. Например, SSB фага Т4 стимулирует ДНК- полимеразу фага Т4, но не ДНК-полимеразы Е. сoli.SSB не ферменты - они нужны в стехиометрическом количестве. ГеликазыВ 1974г найдены геликазы.Определение: геликазы - ферменты, денатурирующие ДНК. У E.coli есть четыре геликазы: геликаза I, геликаза II, геликаза III и rep-белок. Rep-геликаза используется при репликациии II одноцепочечных ДНК-содержащих фагов. Для репликации бактериальной ДНК она не нужна. Геликазы различаются требованиями к размеру посадочной площадки, на которую они садятся для начала движения. Площадка - это одноцепочечный участок ДНК, т.е. геликаза не может начать плавление нативной ДНК без дефектов. Как образуется такая площадка в нативной ДНК? Эта проблема решается с помощью топоизомераз. Топоизомеразы Определение: топоизомеразы - ферменты, изменяющие топологию ДНК.Топоизомеразы меняют число зацеплений одной цепи за другую. Делятся на два класса:Тип I (релаксазы) - уменьшают число зацеплений. Тип II (гиразы) - увеличивают число зацеплений. Гиразы вносят двуцепочечный разрыв ДНК по принципу работы рестриктаз. Определение: рестриктазы - эндонуклеазы, которые узнают определенные последовательности и делают разрезы в обеих цепях. После разрыва цепей гираза поворачивает концы ДНК на 360 и проявляет лигазную активность, т.е. сшивает цепи ДНК. В этом процессе используется энергия АТФ. Результат деятельности гираз - супервитки. Суперспирализованная ДНК напряжена. При высоком напряжении в суперспирали в некоторых местах цепи расходятся, т.к. расплавляются А-Т богатые участки. Гиразы имеют отношение и к транскрипции, поскольку при напряжении в молекуле ДНК плавятся А-Т богатые районы промоторов, а палиндромы переходят в форму креста. Все природные кольцевые двуцепочечные ДНК имеют отрицательную суперспирализацию. Один супервиток приходится на каждые 200 пар нуклеотидов. У релаксаз есть только эндонуклеазная и лигазная активности, но нет АТФ-азной. Они разрывают только одну цепь. Происходит раскручивание напряженной ДНК, после чего релаксаза сшивает концы. Релаксаза узнает определенную конформацию суперспирализованной молекулы ДНК и режет ее, сбрасывая тем самым лишнме супервитки. Регуляция транскрипции в бактериальной клетке осуществляется не только на уровне белков репрессоров (активаторов), но и на уровне активности гираз и релаксаз. Современная схема репликации ДНК E. сoli 1   2   3   4   5   6   7   8   9

Белки, участвующие в репликации ДНК E.сoli. Название Мол.вес (кДа) Число субъединиц Количество молекул на клетку Функция Гираза gyrA gyrB 400210190 422 25 суперскручивание для плавления oriэндонуклеазная и лигазная активностиАТФ-азная активность SSB 76 4 300 Фиксация одноцепочечной ДНК Геликаза              I              II              III 180 75 56 111 5000 Плавление ori в репликативной вилке Белки препрайминга  Препрайминг priA 82 1 50 3' 5' геликаза по запаздывающей цепи, удаляет SSB dnaT 66 3 50   n 14 2 80   n' 76 1 70 АТФ-аза n" 17 1     dnaC 29 1 100   dna B 330 6 20 5' 3' геликаза по запаздывающей цепи Праймаза dnaG 60 1 50 Синтез РНК-затравок (праймеров) ДНК-полимераза III Синтез ДНК holo-фермент   800 260 50 20  142 104 64 160 16 2 2 2 2 2 2 4 20     полимеразная5' 3' активность гидролитическая3' 5' активность   ДНК-полимераза I 109 1 300 Удаление праймеров и заполнение брешей Лигаза 74 1 300 Сшивание фрагментов Оказаки У E.coli один origin репликации и две репликативные вилки. Сегодня популярна модель "тромбона", согласно которой ДНК-полимераза III образует асимметричный димер и одновременно ведет непрерывный синтез лидирующей цепи и фрагментов Оказаки запаздывающей цепи. ДНК у эукариот не кольцевая. Тогда возникает вопрос: как же достигается плавление ori? У фага Т4 тоже не кольцевая ДНК. Субъединицы гиразы сближают несмежные участки ДНК и образуется петля. В ней и ведется суперспирализация. У эукариот ДНК закрепляется белками в нескольких местах на ядерной мембране. На каждом отдельном участке работает топоизомераза. Сколько участков, столько и ori. Хотя в клетке у человека ДНК на 3 порядка больше чем у E. сoli, время репликации соизмеримо (за счет большего количества ori).Каждая эукариотическая хромосома - полирепликон. Определение: репликон - участок ДНК между двумя ori. Размер фрагментов Оказаки у эукариот меньше (200-400 нукл).Скорость работы ДНК-полимераз эукариот на порядок ниже, чем у прокариот. Организм Количество репликонов Средний размер репликона, тыс.п.н. Скорость движения репликативной вилки п.н./мин. E.сoli 1 4200 50000 Дрожжи 500 40 3600 Дрозофила 3500 40 2600 Ксенопус (лягушка) 15000 200 500 Мышь 25000 150 2200 Бобы 35000 300 2200 У эукариот РНК-затравки размером 6-10 нукл. удаляются РНК-азой Н (hybrid). Бреши заделываются репарирующими ферментами. Проблема репликации концов линейных молекулМодель "заячьи уши". Работает у ряда вирусов. Репликация концов ДНК хромосом эукариот Удаление РНК-праймеров после завершения синтеза линейных ДНК в виде фрагментов Оказаки и заделывание образующихся между фрагментами брешей нуклеотидами ДНК приводит к тому, что дочерние цепи ДНК оказываются короче материнских на размер первого РНК-праймера (10-20 нукл.).Образуются 3'-оверхенги, т.е. выступающие 3'-концы материнских цепей. Они узнаются теломеразой - ферментом, содержащим помимо белковой части еще и РНК, выполняющую роль матрицы для наращивания ДНК повторами. Теломераза последовательно наращивает материнские цепи ДНК повторами, используя 3'-оверхенги в качестве затравок. Образующиеся длинные одноцепочечные концы в свою очередь служат матрицами для синтеза дочерних цепей традиционным репликативным механизмом. Хромосомы соматических клеток человека фланкированы многократно повторенными гексамерами TTAГГГ, общая длина районов с повторами может достигать 10 тыс. пар нуклеотидов. В комплексе со специфическими белками такие тандемные повторы образуют теломеры, защищающие концы ДНК от действия экзонуклеаз, предотвращающие неправильную рекомбинацию и позволяющие концам хромосом прикрепляться к ядерной оболочке. При каждом раунде репликации происходит укорочение теломер в среднем на 50 пар нуклеотидов. Поскольку теломерные последовательности не являются кодирующими, они выступают в роли буферной зоны - как защита от "проблемы концевой репликации". Укорочение ДНК в ходе каждого раунда репликации лишь сокращает нетранскрибируемый текст теломеры, но не приводит к утрате смысловых последовательностей - генов и регуляторов их экспрессии. Регуляция репликации прокариот известна, т.к. известны гены белков регуляции репликации E.сoli и механизмы их включения (выключения). Для эукариот эти механизмы еще не ясны, но известно расписание репликации ДНК по разным хромосомам. Причины ошибок при синтезе ДНКСпособность ошибаться заложена в самой структуре фермента. Скорее всего, ферменты, которые не ошибались, были тупиковыми ветвями эволюции. На первых этапах зарождения жизни разнообразие обеспечивалось только такими ошибками. In vitro происходит 1 ошибка на 100 тыс. нукл. для средней ДНК-полимеразы. In vitro можно уменьшить вероятность ошибки до 1 на 1млн. нукл., если добавить SSB, геликазу и лигазу. Можно и увеличить вероятность ошибки до 1 на 100, если дать неадекватное количество субстрата, а также если добавить ионы серебра, бериллия, меди, кобальта, никеля, свинца. Это происходит из-за конкуренции этих ионов с ионами магния за связывание с ДНК-полимеразой. Еще один способ повышения количества ошибок - добавление аналогов нуклеотидов. Например бромдезоксиуридина - аналога тимидина. Это одно из средств борьбы со СПИДом и раком. Аналоги одинаково вредны для всех клеток, однако в пораженных вирусом клетках чаще проходит репликация. Этапы проверкиПервичный отбор нуклеотидов идет по принципу комплементарности.Способностью к этому виду отбора обладают все ДНК-полимеразы благодаря полимеризационной 5' 3' активности. Редактирующий отбор.Его проводят все полимеразы благодаря экзонуклеазной активности 3' 5'.Исправление ошибок в уже синтезированной ДНК. Этим занимаются ферменты репарации. Вероятность ошибок для ферментов вирусов, про- и эукариот Объект Вероятность замены на пару оснований E.coli 2х10-10 Дрозофила 5х10-11 Фаг Т4 2х10-8 Разницу связывают со скоростью работы фермента. Чем медленней, тем точнее! Основные репарабельные повреждения в ДНК и принципы их устранения 1. Апуринизация.Каждая соматическая клетка теряет за сутки около 10000 пуринов и пиримидинов. В ДНК образуются АП-сайты.Причины апуринизации: изменение рН, ионизирующее излучение, повышение температуры и т.д. Разрывается N-гликозидная связь между пуриновым основанием и дезоксирибозой. Если бы апуриновые участки не исправлялись, то была бы катастрофа. Пиримидины тоже могут отщепляться, но скорость этого процесса на два порядка ниже. 2. Дезаминирование. Аденин превращается в гипоксантин, который образует две водородные связи с цитозином. Гуанин превращается в ксантин, который образует водородные связи с тимином.При дезаминировании цитозина образуется урацил. Тимин не может быть дезаминирован (единственный в ДНК). Наличие тимина в ДНК (вместо урацила) позволяет отличать дезаминированнный цитозин (т.е. урацил) от законного урацила, если бы он был в ДНК. N-гликозилаза - фермент, который узнает дезаминированное основание, разрывает N-гликозидную связь и удаляет неправильное основание. После этого АП-специфическая эндонуклеаза вносит одноцепочечный разрыв, и фосфодиэстераза отщепляет от ДНК ту сахарофосфатную группу, к которой теперь не присоединено основание. Появляется брешь размером в один нуклеотид. У E. coli она заделывается ДНК-полимеразой I, а лигаза сшивает концы ДНК.У эукариот брешь заделывает ДНК- полимераза . ДНК - двуцепочечна в отличие от РНК. Наличие второй цепи обеспечивает исправление ошибок. Дезоксирибоза более устойчива, чем рибоза, к действию щелочи, т.е. при рН > 8, ДНК устойчива, а РНК- нет. 3. Тиминовые димеры. Под действием ультрафиолетого света происходит ковалентное сшивание рядом стоящих пиримидинов. При сшивании тиминов образуется циклобутановое производное, блокирующее репликацию. Фермент фотолиаза - узнает тиминовые димеры и на свету или в темноте образует с ними комплекс. При освещении видимым светом происходит активация фермента, циклобутановое кольцо разрывается, и вновь получаются два тимина. Этот процесс называется фотореактивацией. И дезаминированные основания, и тиминовые димеры, кроме того, могут удаляться с помощью эксцизионной репарации. Специфические эндонуклеазы производят одноцепочечные разрезы (инцизия). Затем происходит удаление (эксцизия) нескольких нуклеотидов и заделывание бреши. У E. сoli заделыванием бреши занимается ДНК-полимераза I. Лигаза сшивает цепь. Она же ликвидирует одноцепочечные разрывы, возникающие при действии ионизирующей радиации. У E.coli эксцизионная репарация осуществляется мультиферментным комплексом, включающим белки uvrA, uvrB, uvrC (ultraviolet repair), которые узнают поврежденный участок и вносят 5'- и 3'- разрывы с разных сторон от него, uvrD - геликазу, которая отсоединяет вырезанный олигомер - 12 нуклеотидов, используя энергию АТФ. У эукариот существует функциональный (но не структурный) аналог такого мультиферментативного комплекса. О-6-метилгуанинтрансфераза - Фермент-"самоубийца". Имеется 14 позиций, по которым ДНК метелируется. Гуанин может быть метилирован (по кислороду в 6-ом положении) и в такой форме будет связываться не только с цитозином, но и с тимином. Таким образом, в два шага может произойти замена пары Г-Ц на А-Т. Фермент принимает метильную группу на один из 12 цистеиновых остатков и при этом "гибнет". Определение: геном - вся совокупность молекул ДНК клетки (в случае ряда вирусов говорят о геномной РНК). Существует ядерный геном, митохондриальный геном и геном пластид. Мы будем рассматривать только ядерный геном. Соматические клетки содержат диплоидный (2n) геном, половые - гаплоидный (n). Размер генома Объект Размер гаплоидного генома в парах нуклеотидов Микоплазмы 104-106 Эубактерии (E.coli) 105-107 Грибы (2-5)х107 Водоросли (5-7)х107 Черви 108 Моллюски 5х108-5х109 Насекомые 108-5х109 Ракообразные 109 Иглокожие 2х108-2х109 Рыбы 3х108-1010 Амфибии 7х108-7х1010 Рептилии (2-3)х109 Птицы 109 Млекопитающие 3х109 Цветковые растения 2х108-1011 Прямой корреляции между количеством ДНК и эволюционной продвинутостью организма нет.Так, например, у малярийного плазмодия 0.06 пг ДНК в ядре, а у амебы 490 пг. Большое количество ДНК не обязательно приносит качественно новую информацию. Амеба пошла на увеличение количества ДНК для увеличения размеров ядра и самой клетки. Генов у нее меньше, чем у плазмодия, но они копированы много раз. У малярийного плазмодия генов больше, чем у амебы, а ДНК меньше для максимальной компактности. Малые размеры ядра и самого одноклеточного организма позволяют ему быть внутриклеточным паразитом.У африканской двоякодышащей рыбы ДНК в 15 раз, а у амебы в 70 раз больше, чем у человека. "Избыточность" эукариотического генома На 106 пар нуклеотидов у бактерий приходится 5 тыс. генов. На  109 пар нуклеотидов у млекопитающих 50 тыс. генов. Минусы "избыточной" ДНК: - увеличение времени синтеза ДНК;- cложнее организовывать удвоение ДНК;- высокая энергоемкость - на 1 нуклеотид для включения в цепь ДНК нужно затратить 60 молекул АТФ.Неопределенное следствие: - благодаря зависимости размера ядра от количества ДНК происходит увеличение размеров клетки. Плюсы "избыточной" ДНК:- возникает возможность создания сложного регуляторного аппарата, позволяющего поднять организм на более высокий эволюционный уровень. Причины избыточности: 1. Большой размер генов (за счет наличия интронов). 2. Присутствие повторенных последовательностей. Повторяются и гены, и некодирующие участки. У эукариот некоторые последовательности повторены сотни и тысячи раз. 3. Наличие большого числа некодирующих последовательностей, часть из которых выполняет регуляторную функцию при транскрипции, а часть - необходима для компактизации генома. Компактность генома эукариотКомпактность - другое принципиальное отличие генома эукариот от прокариотического генома.При средней разнице размеров геномов на 3 порядка, линейные размеры эукариотических хромосом соизмеримы с длиной ДНК прокариот. Выделяют, по крайней мере, 4 уровня компактизации ДНК. При этом нить ДНК "укорачивается" в 10000 раз. Это все равно, что нить, длиной с Останкинскую башню (500 м), уложить в спичечный коробок (5см). Два первых уровня компактизации эукариотического генома обеспечиваются гистонами. Общая характеристика гистонов Гистоны - основные белки.Все они обогащены лизином и аргинином - положительно заряженными аминокислотами. Выделяют 5 фракций гистонов. Нарабатывается их очень много - 60 млн. молекул каждой фракции на клетку. Фракция Лизин Аргинин лиз./арг осн.АК/кис.АК Мол. вес (Да) Н1 (очень богатая лизином) 29% 1% >20 5.4 23000 Н2В (умернно богатая лизином) 16% 6% 2.5 1.7 13774 Н2А (умеренно богатая лизином и аргинином) 11% 9% 1 1.4 13960 Н4 (богатая аргинином и глицином) 11% 14% 0.8 2.5 11282 Н3 (очень богатая аргинином); в ней есть цистеин, а в других - нет 10% 13% 0.7 1.8 15348 1   2   3   4   5   6   7   8   9

Все гистоны, кроме Н1, черезвычайно консервативны в эволюционном отношении (у коровы и клевера разница в Н2А всего в одну аминокислоту!). Следовательно, эти белки выполняют принципиальную функцию, которая у всех эукариот обеспечивается одинаково.Любая мутация в гистоновых генах летальна.Н1 - очень вариабельная фракция. Этот гистон различен не только у видов, но даже у одного организма, в зависимости от стадий онтогенеза. В гистонах лизин и аргинин кластированы. Средняя часть гистона содержит гидрофобные аминокислоты. Положительно заряженные аминокислоты гистонов обеспечивают электростатические взаимодействия с ДНК.Центральная часть необходима для взаимодействия гистонов между собой. Четыре уровня компактизации ДНК1. Нуклеосомный. В основе нуклеосомы лежит гистоновый октамер. Расположение гистонов не случайно. Каждая молекула представлена дважды. Они образуют кор (серцевину) нуклеосомы. На кор наматывается ДНК - 1.75 левых витка спирали. Определение: нуклеосомой называется повторяющийся структурный элемент хроматина, содержащий гистоновый октамер и 180 п.н. ДНК. Непосредственно с октамером контактирует 145 п.н. и 20-30-40 п.н. между нуклеосомными корами. Нуклеосомный уровень упаковки свойственен всей эукариотической ДНК, он дает укорочение в 7 раз. Диаметр увеличивается с 20 Å до 110 Å. Гистоновые октамеры "скользят" по ДНК. При репликации снимается и этот уровень компактизации. При транскрипции нуклеосомы сохраняются. 2. Супербидный, или соленоидный.Фактически обеспечивается Н1 гистоном. Н1 взаимодействует с октамерами, сближает их, и еще на него наматывется ДНК. Образуется супербид. Происходит сокращение линейного размера ДНК в 6-10 раз. Диаметр увеличивается до 300Å. Этот уровень компактизации, как и первый, не зависит от первичной структуры ДНК. 3. Петлевой уровень. Обеспечивается негистоновыми белками. Они узнают определенные последовательности ДНК и связываются с ними и друг другом, образуя петли по 20-80 тыс. п.н. Петля обеспечивает экспрессию гена, т.е петля является не только структурным, но и функциональным образованием. Есть участки, в которых нет петель.Укорочение за счет петель проходит в 20-30 раз. Образуются и петлевые домены. Диаметр увеличивается до 700Å. 4. Метафазная хромосома. Метафазная хромосома уже удвоена. Она состоит из двух хроматид. Каждая из них содержит одну молекулу ДНК. Сюда входят белки ядерной ламины, серия белковых нитей, сопряженных с ядерной оболочкой и пронизывающих все ядро. Модификации гистонов очень сильно влияют на компактизацию ДНК.Гистоны могут метилироваться, фосфорилироваться (по серину, треонину, тирозину), т.е. аминокислотные остатки легко модифицируются. Кроме того, возможно алкилирование и ацетилирование гистонов.Геном высших эукариот А-Т типа (пары А-Т преобладают), низших эукариот - Г-Ц типа. У человека соотношение (Г+Ц)/(А+Т) = 0.45. У разных типов бактерий диапазон соотношения А-Т пар и Г-Ц пар велик. Чем больше в геноме А-Т пар, тем больше возможностей для изменения вторичной структуры ДНК. При суперспирализации ДНК А-Т богатые участки плавятся в первую очередь. Основы метода ренатурации ДНК ДНК обрабатывают ультразвуком. При этом она деградирует на двуцепочечные куски одинакового размера.Затем смесь денатурируют и медленно охлаждают.При температуре на 20 С ниже, чем температура плавления ДНК, идет восстановление вторичной структуры (ренатурация).Если последовательности часто встречаются, то они ренатурируют быстрее. В процессе ренатурации выделяют две стадии: 1. Бимолекулярная стадия нуклеации. Образуется несколько "ядер"- участков спаривания. Описывается реакцией второго порядка ( ).2. Мономолекулярная стадия замыкания.Скорость реакции пропорционально первой степени концентрации ДНК. Это дальнейшее образование водородных связей - замыкание. Процесс ренатурации описывается уравнением: , где k - константа скорости ренатурации,С - концентрация одноцепочечной ДНК. В нулевой момент времени . Тогда .Если , то , и это полуренатурация. Таким образом мы получили характеристику для описания разных молекул ДНК или их частей. По значению можно выделить 3 фракции: 1. Быстрые повторы. меньше 0,01 .Частота встречаемости на гаплоидный геном больше 105.  2. Умеренные повторы. от 0,01 до 1000 .Частота встречаемости на гаплоидный геном больше 10, но меньше 105. 3. Уникальные последовательности.больше 1000 .Частота встречаемости меньше 10 раз на геном. Есть отдельные последовательности, которые по значению относятся к одному классу, а по частоте встречаемости - к другому. Это - палиндромы. Они ренатурируют мгновенно, т.к. отсутствует поиск комплементарной цепи, а их встречаемость в геноме может быть низка. Значение у палиндромов такое же, как и у быстрых повторов, а встречаемость, как у уников или умеренных повторов. У некоторых организмов, например, у черепах, 20% ДНК - палиндромы. В среднем у животных от 2% до 12% генома приходится на палиндромы. У растений - от 1% до 4% (у пшеницы 3 млн. обращенных повторов). Они могут содержать от нескольких десятков до десятков тысяч нуклеотидов. Наиболее часто палиндромы встречаются в регуляторных участках генов. Гены tРНК - часто встречаемые палиндромы. Быстрые повторыК быстрым повторам относится сателлитная ДНК. Особенности:1. В этой короткой последовательности (6-10 нукл.) отсутствует один из нуклеотидов. Отсюда следует, что эта ДНК не может быть кодирующей, она никогда не транслируется. Встречается в конститутивном гетерохроматине.Хромосома не гомогенна. В ней чередуются участки гетерохроматина (более плотный) и эухроматина (не плотные участки). В основном гены располагаются в эухроматине. Но встречаются и в гетерохроматиновых районах.В зависимости от стадий клеточного цикла один и тот же участок хромосомы может быть в состоянинии как гетеро-, так и эухроматина. Такие участки хромосом называют факультативным гетерохроматином.Участки, которые всегда уплотнены - конститутивный гетерохроматин. В нем, как правило, генов нет.2. Сателлитная ДНК обязательно располагается в центромерном районе.В местах расположения сателлитной ДНК возможна максимальная компактизация. В конститутивном гетерохроматине все четыре уровня упаковки ДНК представлены даже в интерфазе. По сателлитной ДНК происходит кроссинговер между гомологичными хромосомами. 3. Сателлитная ДНК всегда располагается тандемно по 100-200 единиц в блоке. Образуются длинные последовательности в геноме. 4. У недавно образовавшихся на одной территории близких видов сателлитная ДНК заведомо разная. Это обеспечивает бесплодие возможных межвидовых гибридов. Умеренные повторыК умеренным повторам относят как транскрибируемые и транслируемые, так и только транскрибируемые, но нетранслируемые последовательности ДНК и регуляторные участки. Умеренные повторы гены регуляторные участки транскрибируемые и транслируемыеГены белков рибосом, гистоновые гены, гены мембранных белков, цитоскелетных белков, гены иммуноглобулинов транскрибируемые, но не нетранслируемые Гены rРНК, sРНК, tРНК энхансерные модули, ori репликации, промоторы и терминаторы транскрипции Гены tРНК в среднем повторяются в геноме 5 тыс. раз. Гены sРНК - сотни тысяч раз. Уникальные геныУ человека, по разным оценкам, 30-50 тыс. генов. Большинство генов - уникальны. Но даже в них есть повторяющиеся элементы. Это - некоторые экзоны. Все гены разделяют на гены "домашнего хозяйства" и гены "роскоши". Гены "домашнего хозяйства" кодируют то, что всегда нужно любой клетке независимо от ткани. По разным оценкам таких генов у человека 10-20 тыс. Это гистоновые гены, гены tРНК, rРНК и т.п. Гены "роскоши", которых заведомо больше в 2-3 раза, это гены, которые экспрессируются в клетках определенных тканей и в определенное время. Например, все гены белковых гормонов - гены "роскоши". Другая классификация генов 1. Уникальные гены, имеющие специализированную функцию.Например, глобиновый, инсулиновый и другие гены. Они экспрессируются лишь в определенных клетках.2. Уникальные гены, обладающие общими функциями, экспрессирующиеся в подавляющем большинстве клеток. Эти гены плохо изучены.3. Множественные сгруппированные гены.Это гены rРНК, часть генов tРНК, часть гистоновых генов. 4. Множественные рассеянные гены. Это оставшаяся часть гистоновых генов, оставшиеся гены tРНК и большинство генов sРНК, а так же МДГ (мобильные диспергированные (рассеяные) гены). В 40-х годах Барбара Мак-Клинток, американский генетик, обнаружила мозаичность окраски зерен у кукурузы, небъяснимую законами Менделя и мутационной теорией.Она предположила, что некоторые гены могут менять свое место в геноме. Определение: мобильные генетические элементы (МГЭ) - это последовательности нуклеотидов, меняющие свою локализацию и копийность в геноме.Выделяют следущие классы МГЭ:1. IS - вставочные элементы у прокариот. 2. Tn - транспозоны у прокариот. 3. Эписомы у прокариот. 4. Некоторые умеренные фаги. 5. Контролирующие элементы кукурузы. 6. Мобильные диспергированные гены у дрозофилы, мыши, человека. 7. Провирусы. В литературе "транспозоны" - все мобильные генетические элементы. Это элементы генома, которые меняют свое положение и копийность в геноме. IS-элементы Это самые простые транспозоны. Размер IS-элементов 1000 п.н. На концах они содержат инвертированные повторы (

канцерогены - это вещества, повышающие частоту возникновения рака.Но в экспериментах с канцерогенами не все животные заболевали.2. Генетическая теория.Появилась в 30-х годах. У лабораторных мышей известны высоко- и низкораковые лабораторные линии 3. Вирусная теория.В молоке мышей был найден "фактор молока" (вирус Битнера). Объединение всех этих теорий произошло в 50-х годах. Отечественный ученый Лев Зильбер высказал гипотезу, что причиной рака может быть вирус, который становится геном. Обратная транскрипцияОпределение: обратная транскрипция - это синтез ДНК по матрице РНК. Обратную транскрипцию обнаружили в 1970 г. Темин, Балтимор, Дульбеко, работавшие с вирусом саркомы Рауса (ВСР). Этот вирус вызывает саркому у кур. Это онкорнавирус (oncoRNA) - относится к ретровирусам. Определение: ретровирусы - это РНК-содержащие вирусы, в жизненный цикл которых входит стадия образования ДНК обратной транскриптазой и внедрение ее в геном клетки хозяина в форме провируса.Предпочтительного места внедрения провируса в геном нет. Это позволяет отнести его к мобильным генетическим элементам. В состав ретровируса входит две идентичные молекулы РНК. На 5'-конце имеется Сap, на 3'-конце - поли А-хвост. Фермент обратную транскриптазу вирус "носит" c собой. Геном ретровируса содержит 4 гена: gag - белок нуклеоида, pol - обратная транскриптаза,env - белок капсида (оболочки),onc - онкоген, ответственный за злокачественную трансформацию клетки.str5 = str3 - (short terminal repeat) короткий концевой повтор; U5, U3 - уникальные последовательности (U5 - 80 н., U3 - 200 н.); PB (primer binding site) - участок связывания затравки. На РВ садится (за счет комплементарности) tРНК и служит затравкой для синтеза ДНК. Синтезируется небольшой кусок ДНК. Обратная транскриптаза, обладая еще и активностью РНК-азы Н, удаляет РНК в гибриде с ДНК, а за счет идентичности str3 и str5 этот одноцепочечный участок ДНК взаимодействует с 3'-концом второй молекулы РНК, которая служит матрицей для продолжения синтеза цепи ДНК. Затем РНК-матрица уничтожается и по образовавшейся цепи ДНК строится комплементарная. Образованная молекула ДНК длиннее РНК. Она содержит LTR (U3 str 3(5) U5). В форме провируса она находится в геноме клетки хозяина. При митозе и мейозе передается дочерним клеткам и потомкам. Для экспрессии вирусных генов нужен толчок: канцерогены, изменения метаболизма в клетке хозяина, стресс.Большинство изученных вирусных онкогенов кодируют протеинкиназу, фермент, который фосфорилирует белки. Как правило - это тирозиновая протеинкиназа. В клетке есть собственные протеинкиназы, в том числе и тирозиновая, но гораздо более активны сериновая и треониновая. Гены, кодирующие клеточные протеинкиназы, обозначают oncc, вирусные - oncv. Oncc - клеточные гены, работающие в дифференцированных клетках. Oncc имеют интроны, oncv - не имеют. Oncv либо добавляет тирозиновую протеинкиназу - и сказывается дозовый эффект гена тирозиновой протеинкиназы, либо, по сравнению с клеткой, не имеющей oncv, клетка, его имеющая, фосфорилирует тирозин, а не серин или треонин, как обычно, то есть происходит смена мишени. В первую очередь это касается белков, присутствующих в клетке в большом количестве. Это белки цитоскелета (нарушение адгезии), мембранные белки (нарушение контактного торможения), гистоны (нарушение регуляции, компактизации, облегчение репликации ДНК). Ретровирусы скорее всего возникли в результате внедрения мобильных элементов в непосредственной близости от oncc генов. В дальнейшем oncc превратился в oncv, а клеточная полимераза - в обратную транскриптазу. Вирус начал самостоятельную жизнь. Стадия провируса говорит о его клеточном происхождении. В медицине рак - это злокачественная опухоль только эпителиальных тканей. Метастазы - возникающие опухоли в районе удаления от исходной опухоли.Рак - болезнь генома.Одним из путей активации oncc является такая перестройка генома, в результате которой рядом с онкогеном появляется новый регуляторный элемент, обеспечивающий его более активную транскрипцию. Другой путь - структурная мутация в протоонкогене, т.е. нормальном клеточном гене, способном превратиться в онкоген. Существуют антионкогены, или гены-супрессоры опухолей, подавление активности которых приводит к развитию опухолей. Природа белковых продуктов онкогенов и антионкогенов чрезвычайно разнообразна. К онкогенам относят некоторые гены белков - факторов роста, а также гены рецепторов факторов роста. Перепроизводство факторов роста или нарушение структуры их рецепторов может привести к более частому делению клеток. Изменения в генах, кодирующих белки - передатчики сигналов от рецепторов к ядру клетки, в основном, протеинкиназы различной специфичности, а также изменения экспрессии генов, ответственных за белковые факторы транскрипции, могут превратить нормальную клетку в раковую.Подавление активности генов, ответственных за рост и размножение клеток, осуществляется белковыми продуктами генов - супрессоров опухолей. Так, ключевая роль в разрешении на переход из одной фазы клеточного цикла в другую принадлежит белкам - циклинам. Только находясь в комплексе с циклинами, циклинзависимые протеинкиназы способны фосфорилировать белки мишени, необходимые для перехода в следующую фазу клеточного цикла.Специальные белки сканируют ДНК перед репликацией на предмет выявления нерепарированных повреждений. Если ДНК не проходит тест, то включаются системы реализации "запрограммированной смерти" - апоптоза, в результате чего разрушаются жизненно важные структуры клетки, в том числе хромосомы и цитоскелет. Апоптоз определяется большим числом генов, центральное место среди которых занимает ген, кодирующий белок с молекулярным весом 53 кДа, - ген p53. Этот ген поврежден в 50% всех опухолей человека. Когда он выведен из строя, клетки с поврежденной (мутантной) ДНК перестают выбраковываться и в них происходит накопление новых мутаций, которые могут затрагивать как протоонкогены, так и гены-супрессоры опухолей. Как правило, рак развивается у людей пожилого и старого возраста. Это связано с тем, что мутации возникают случайно - и вероятность накопления в клетке нужного для злокачественного превращения набора измененных генов увеличивается с годами. Посчитано, что в среднем в клетке человека должно накопиться 10 независимых мутаций, касающихся онкогенов и генов - супрессоров опухолей. Молекулярные основы канцерогенезаПризнаки трансформированной клетки1. Неконтролируемое деление. Искажен клеточный цикл. Продолжителен S-период. Стадия G2 сведена к минимуму.  Клетка вступает в митоз неготовой. Последствия: нарушения при расхождении хромосом. Высокая потребность в энергии. При этом в элокачественных клетках гликолиз (идущий без кислорода) превалирует над окислительным фосфорилированием. 2. Клетки перестают узнавать друг друга.Происходит утрата контактного торможения. Это связано с изменением мембранных белков - белков-рецепторов и пр. Нарушается адгезия (прилипание к поверхности).3. Раковые клетки дедифференцированы. Теории ракаДо 70-х годов существовало три теории рака:1. Канцерогенная теория. Известны професиональные раковые заболевания: рак кожи у трубочистов, рак губы у кровельщиков и пр.Бензпирен - первый описанный канцероген.Определение: канцерогены - это вещества, повышающие частоту возникновения рака.Но в экспериментах с канцерогенами не все животные заболевали.2. Генетическая теория.Появилась в 30-х годах. У лабораторных мышей известны высоко- и низкораковые лабораторные линии 3. Вирусная теория.В молоке мышей был найден "фактор молока" (вирус Битнера). Объединение всех этих теорий произошло в 50-х годах. Отечественный ученый Лев Зильбер высказал гипотезу, что причиной рака может быть вирус, который становится геном. Обратная транскрипцияОпределение: обратная транскрипция - это синтез ДНК по матрице РНК. Обратную транскрипцию обнаружили в 1970 г. Темин, Балтимор, Дульбеко, работавшие с вирусом саркомы Рауса (ВСР). Этот вирус вызывает саркому у кур. Это онкорнавирус (oncoRNA) - относится к ретровирусам. Определение: ретровирусы - это РНК-содержащие вирусы, в жизненный цикл которых входит стадия образования ДНК обратной транскриптазой и внедрение ее в геном клетки хозяина в форме провируса.Предпочтительного места внедрения провируса в геном нет. Это позволяет отнести его к мобильным генетическим элементам. В состав ретровируса входит две идентичные молекулы РНК. На 5'-конце имеется Сap, на 3'-конце - поли А-хвост. Фермент обратную транскриптазу вирус "носит" c собой. Геном ретровируса содержит 4 гена: gag - белок нуклеоида, pol - обратная транскриптаза,env - белок капсида (оболочки),onc - онкоген, ответственный за злокачественную трансформацию клетки.str5 = str3 - (short terminal repeat) короткий концевой повтор; U5, U3 - уникальные последовательности (U5 - 80 н., U3 - 200 н.); PB (primer binding site) - участок связывания затравки. На РВ садится (за счет комплементарности) tРНК и служит затравкой для синтеза ДНК. Синтезируется небольшой кусок ДНК. Обратная транскриптаза, обладая еще и активностью РНК-азы Н, удаляет РНК в гибриде с ДНК, а за счет идентичности str3 и str5 этот одноцепочечный участок ДНК взаимодействует с 3'-концом второй молекулы РНК, которая служит матрицей для продолжения синтеза цепи ДНК. Затем РНК-матрица уничтожается и по образовавшейся цепи ДНК строится комплементарная. Образованная молекула ДНК длиннее РНК. Она содержит LTR (U3 str 3(5) U5). В форме провируса она находится в геноме клетки хозяина. При митозе и мейозе передается дочерним клеткам и потомкам. Для экспрессии вирусных генов нужен толчок: канцерогены, изменения метаболизма в клетке хозяина, стресс.Большинство изученных вирусных онкогенов кодируют протеинкиназу, фермент, который фосфорилирует белки. Как правило - это тирозиновая протеинкиназа. В клетке есть собственные протеинкиназы, в том числе и тирозиновая, но гораздо более активны сериновая и треониновая. Гены, кодирующие клеточные протеинкиназы, обозначают oncc, вирусные - oncv. Oncc - клеточные гены, работающие в дифференцированных клетках. Oncc имеют интроны, oncv - не имеют. Oncv либо добавляет тирозиновую протеинкиназу - и сказывается дозовый эффект гена тирозиновой протеинкиназы, либо, по сравнению с клеткой, не имеющей oncv, клетка, его имеющая, фосфорилирует тирозин, а не серин или треонин, как обычно, то есть происходит смена мишени. В первую очередь это касается белков, присутствующих в клетке в большом количестве. Это белки цитоскелета (нарушение адгезии), мембранные белки (нарушение контактного торможения), гистоны (нарушение регуляции, компактизации, облегчение репликации ДНК). Ретровирусы скорее всего возникли в результате внедрения мобильных элементов в непосредственной близости от oncc генов. В дальнейшем oncc превратился в oncv, а клеточная полимераза - в обратную транскриптазу. Вирус начал самостоятельную жизнь. Стадия провируса говорит о его клеточном происхождении. В медицине рак - это злокачественная опухоль только эпителиальных тканей. Метастазы - возникающие опухоли в районе удаления от исходной опухоли.Рак - болезнь генома.Одним из путей активации oncc является такая перестройка генома, в результате которой рядом с онкогеном появляется новый регуляторный элемент, обеспечивающий его более активную транскрипцию. Другой путь - структурная мутация в протоонкогене, т.е. нормальном клеточном гене, способном превратиться в онкоген. Существуют антионкогены, или гены-супрессоры опухолей, подавление активности которых приводит к развитию опухолей. Природа белковых продуктов онкогенов и антионкогенов чрезвычайно разнообразна. К онкогенам относят некоторые гены белков - факторов роста, а также гены рецепторов факторов роста. Перепроизводство факторов роста или нарушение структуры их рецепторов может привести к более частому делению клеток. Изменения в генах, кодирующих белки - передатчики сигналов от рецепторов к ядру клетки, в основном, протеинкиназы различной специфичности, а также изменения экспрессии генов, ответственных за белковые факторы транскрипции, могут превратить нормальную клетку в раковую.Подавление активности генов, ответственных за рост и размножение клеток, осуществляется белковыми продуктами генов - супрессоров опухолей. Так, ключевая роль в разрешении на переход из одной фазы клеточного цикла в другую принадлежит белкам - циклинам. Только находясь в комплексе с циклинами, циклинзависимые протеинкиназы способны фосфорилировать белки мишени, необходимые для перехода в следующую фазу клеточного цикла.Специальные белки сканируют ДНК перед репликацией на предмет выявления нерепарированных повреждений. Если ДНК не проходит тест, то включаются системы реализации "запрограммированной смерти" - апоптоза, в результате чего разрушаются жизненно важные структуры клетки, в том числе хромосомы и цитоскелет. Апоптоз определяется большим числом генов, центральное место среди которых занимает ген, кодирующий белок с молекулярным весом 53 кДа, - ген p53. Этот ген поврежден в 50% всех опухолей человека. Когда он выведен из строя, клетки с поврежденной (мутантной) ДНК перестают выбраковываться и в них происходит накопление новых мутаций, которые могут затрагивать как протоонкогены, так и гены-супрессоры опухолей. Как правило, рак развивается у людей пожилого и старого возраста. Это связано с тем, что мутации возникают случайно - и вероятность накопления в клетке нужного для злокачественного превращения набора измененных генов увеличивается с годами. Посчитано, что в среднем в клетке человека должно накопиться 10 независимых мутаций, касающихся онкогенов и генов - супрессоров опухолей. Гипотезы возникновения жизни Панспермия - жизнь витает в космосе и разносится по планетам.Жизнь зародилась абиогенно или нет? Биогенез - живое только от живого. Абиогенез - живое от неживого. Луи Пастеру принадлежит первое прямое доказательство происхождения живого только от живого. В 1862 году он получил премию Французской академии наук за эту работу. Суть опыта: в колбе с изогнутой трубкой находился прокипяченный сенный настой. В течение нескольких недель он стоял совершенно прозрачный. Как только колбу наклонили (сквозь трубку в колбу попали микроорганизмы) - настой забродил.Эксперимент правильный. Вывод - живое только от живого.Авторитет Пастера был столь велик, что к теории абиогенеза пришли лишь через 60 лет. В 1924 году Александр Опарин высказал предположение, что 4 млд. лет назад жизнь могла возникнуть абиогенно, в силу тех условий, которые существовали тогда на Земле. Джон Холдейн рассчитал, какие условия и как долго должны были существовать, чтобы зародилась жизнь, каковы необходимые источники энергии для зарождения жизни. Теория биопоэзаДжон Бернал создал теорию биопоэза, включающую три стадии.1. Образование биомономеров. 2. Образование биополимеров и их эволюция. Образование систем с обратной связью.3. Образование мембранных структур и пробионтов (первых клеток). Экспериментальное доказательство первой стадии - опыты Стенли Миллера.Суть опыта: в колбе находилась смесь газов (H2, N2, NH3, CH4, CO, CO2) при температуре



В ведение в молекулярную биологию Дымшиц Г.М. и др.

Курс лекций, НГУ 2000.

  • Лекция 1. Что такое молекулярная биология. Доказательства ролинуклеиновых кислот.

    • Определение предмета молекулярная биология

    • Основные этапы развития

      • Первый романтический период

      • Второй романтический период

      • Догматический период

      • Академический период

    • Основные открытия

    • Доказательства генетической роли нуклеиновых кислот

      • Опыты Ф. Гриффита

      • Эксперимент А.Херши и М.Чейз

      • Опыты Френкеля - Конрата

    • Вопросы к лекции 1

  • Лекция 2. Строение нуклеиновых кислот

    • Хронология открытий, подготовивших создание Уотсоном и Криком модели двойной спирали ДНК

    • Строение нуклеиновых кислот. Мономеры.

    • Принципы строения ДНК

    • Формы двойной спирали ДНК

    • Особенности строения и виды РНК

      • Отличия между ДНК и РНК

      • Виды РНК

    • Функции ДНК

    • Вопросы к лекции 2

  • Лекция 3. Структура белков

    • Аминокислоты

      • Структура аминокислот

      • Классификация аминокислот

    • Первичная структура белка

    • Вторичная структура белка

    • Третичная структура белка

    • Четвертичная структура белка.

    • Серповидно-клеточная анемия, как пример влияния первичной структуры на третичную и четвертичную

    • Глобуллярные и фибриллярные белки

    • Вопросы к лекции 3

  • Лекция 4. Функции белков

    • Вопросы к лекции 4

  • Лекция 5. Генетический код

    • Свойства генетического кода

    • Свойства генетического кода (продолжение)

    • Вопросы к лекции 5

  • Лекция 6. Транскрипция

    • Принципы транскрипции

    • Понятие об опероне

    • Субъединичный состав РНК-полимеразы Е. сoli

    • Особенности структуры промотора

    • Этапы транскрипции

      • Узнавание и прочное связывание

      • Инициация

      • Элонгация

      • Терминация

    • Ингибиторы транскрипции прокариот

    • Вопросы к лекции 6

  • Лекция 7. Транскрипция и трансляция у прокариот

    • Регуляция транскрипции у прокариот

      • Схема негативной индукции Жакоба и Моно

      • Схема позитивной индукции

      • Схема позитивной репрессии

      • Схема негативной репрессии

      • Позитивный контроль работы lac-оперона

    • Вопросы к лекции 7

  • Лекция 8. Синтез белка в клетке. Подготовительный этап

    • Синтез белка в клетке

      • Структура транспортной РНК

      • Рекогниция

      • Структура рибосом

    • Вопросы к лекции 8

  • Лекция 9. Синтез белка на рибосоме

    • Механизм трансляции на прокариотических рибосомах

    • Регуляция образования рибосомных РНК и белков рибосом E.сoli

    • Аттенуация

    • Вопросы к лекции 9

  • Лекция 10. Транскрипция и трансляция у эукариот

    • Эукариотические РНК - полимеразы

    • Образование рибосом у эукариот

    • Особенности транскрипции у эукариот

    • Вопросы к лекции 10

  • Лекция 11. Процессинг mРНК

    • Этапы процессинга mРНК

    • Кепирование

    • Полиаденилирование

    • Сплайсинг

      • Альтернативный сплайсинг

      • Автосплайсинг

    • Малые РНК

    • Редактирование

    • Вопросы к лекции 11

  • Лекция 12. Репликация. Принципы. Синтез ДНК in vitro

    • Принципы репликации

    • Доказательство полуконсервативного характера репликации

    • Ферментативная система синтеза ДНК in vitro

    • Понятие о матрице и затравке

    • Вопросы к лекции 12

  • Лекция 13.Схемы репликации ДНК in vivo

    • Схемы репликации

      • Схема непрерывной антипараллельной репликации in vivo по Корнбергу

      • Схема непрерывной параллельной репликации Джона Кэрнса

    • Сравнительные характеристики ДНК-полимераз E. сoli

    • Схема прерывистой антипараллельной репликации Рейджи Оказаки

    • Инициация репликации

    • Вопросы к лекции 13

  • Лекция 14. Топология репликации

    • Проблемы денатурации ДНК матрицы

    • Геликазы

    • Топоизомеразы

    • Современная схема репликации ДНК E. сoli

    • Вопросы к лекции 14

  • Лекция 15. Особенности репликации ДНК эукариот

    • Полирепликонность

    • Проблема репликации концов линейных молекул

    • Вопросы к лекции 15

  • Лекция 16. Репарация

    • Причины ошибок при синтезе ДНК

    • Этапы проверки точности синтеза ДНК

    • Основные репарабельные повреждения в ДНК и принципы их устранения

      • Апуринизация

      • Дезаминирование

      • Тиминовые димеры

    • Вопросы к лекции 16

  • Лекция 17. Структура генома

    • Размер генома

    • "Избыточность" эукариотического генома

    • Компактность эукариотического генома

      • Общая характеристика гистонов

      • Четыре уровня компактизации ДНК

    • Вопросы к лекции 17

  • Лекция 18. Классификация генов в геноме

    • Основы метода ренатурации ДНК

    • Быстрые повторы

    • Умеренные повторы

    • Уникальные гены

    • Классификация генов

    • Вопросы к лекции 18

  • Лекция 19. Нестабильность генома. Обратная транскрипция.

    • Классы мобильных генетических элементов

      • IS- элементы

      • Tn-транспозоны

      • Умеренные фаги

      • Эффекты, вызываемые мобильными элементами

      • Молекулярные основы канцерогенеза

    • Вопросы к лекции 19

  • Лекция 20. Молекулярно-биологические основы возникновения жизни на Земле

    • Гипотезы возникновения жизни

    • Теория биопоэза

    • Эволюция пробионтов

    • Вопросы к лекции 20

  • Список терминов

  • Список рисунков

  • Поиск по сайту

  • Заключение

  • Литература


Определение предмета молекулярная биология

Термин "молекулярная биология" принадлежит Фрэнсису Крику, которому надоело в ответ на вопрос о его профессии объявлять себя смесью кристаллографа, биохимика, биофизика и генетика.

После атомной бомбежки Хиросимы и Нагасаки в 1945г. началось бегство ученых из физики, а в 1947г. Нобелевский лауреат физик Эрвин Шредингер написал книгу "Что такое жизнь с точки зрения физика?", которая привлекла в биологию многих физиков и математиков.
Определение: Mолекулярная биология - это наука о механизмах хранения, воспроизведения, передачи и реализации генетической информации, о структуре и функциях нерегулярных биополимеров - нуклеиновых кислот и белков.
Начав с изучения биологических процессов на молекулярно-атомном уровне, молекулярная биология перешла к сложным надмолекулярным клеточным структурам, а в настоящее время успешно решает проблемы генетики, физиологии, эволюции и экологии.

Основные этапы развития молекулярной биологии

1. Романтический период 1935-1944гг.

Макс Дельбрюк и Сальвадор Лурия занимались изучением репродукции фагов и вирусов, представляющих собой комплексы нуклеиновых кислот с белками

В 1940г. Джордж Бидл и Эдуард Татум сформулировали гипотезу  - "Один ген - один фермент". Однако, что такое ген в физико-химическом плане тогда еще не знали.

2. Второй романтический период 1944-1953гг.

Была доказана генетическая роль ДНК. В 1953 г. появилась модель двойной спирали ДНК, за которую ее создатели Джеймс Уотсон, Френсис Крик и Морис Уилкинс были удостоены Нобелевской премии.

3. Догматический период 1953-1962гг.

Сформулирована центральная догма молекулярной биологии:
Перенос генетической информации идет в направлении
В 1962 г. был расшифрован генетический код.

4. Академический период с 1962г. по настоящее время, в котором с 1974 года выделяют генно-инженерный подпериод.

Основные открытия

1944г.
Доказательство генетической роли ДНК. Освальд Эйвери, Колин Мак-Леод, Маклин Мак-Карти

1953г.

Установление структуры ДНК. Джеймс Уотсон, Френсис Крик

1961г.

Открытие генетической регуляции синтеза ферментов. Андре Львов, Франсуа Жакоб, Жак Моно

1962г.

Расшифровка генетического кода. Маршалл Нирнберг, Генрих Маттеи, Северо Очоа

1967г.

Синтез in vitro биологически активной ДНК. Артур Корнберг (неформальный лидер молекулярной биологии)

1970г.

Химический синтез гена. Гобинд Корана

1970г.

Открытие фермента обратной транскриптазы и явления обратной транскрипции. Говард Темин, Дэвид Балтимор, Ренато Дульбеко

1974г.

Открытие рестриктаз. Гамильтон Смит, Даниэль Натанс, Вернер Арбер

1978г.

Открытие сплайсинга. Филипп Шарп

1982г.

Открытие автосплайсинга. Томас Чек

Доказательства генетической роли нуклеиновых кислот

  1. 1928г. Опыты Фредерика Гриффита.

Гриффит работал с пневмококками - бактериями, вызывающими пневмонию. Он брал два штамма пневмококков: капсульный и бескапсульный. Капсульный - патогенный (вирулентный), при инфицировании таким штаммом мыши погибают, бескапсульный - непатогенный. При введении мышам смеси убитых нагреванием (и, следовательно, потерявших вирулентность) капсульных пневмококков и живых бескапсульных невирулентных бактерий, животные погибали в результате размножения капсульных вирулентных форм. Обнаруженное явление Гриффит интерпретировал как трансформацию.

Опыты Гриффита



После заражения пневмококками капсульного патогенного (вирулентного) штамма мыши погибают. Капсульные пневмококки размножаются.



При инфицировании пневмококками бескапсульного непатогенного штамма животные не погибают. Бескапсульные пневмококки не размножаются.



После заражения пневмококками капсульного патогенного (вирулентного) штамма, предварительно убитыми нагреванием, мыши не погибают. Пневмококки не размножаются.



При введении мышам одновременно бескапсульных невирулентных пневмококков и капсульных, убитых нагреванием, животные погибают. Капсульные пневмококки размножаются.

Бескапсульные невирулентные пневмококки приобрели некоторые свойства убитых капсульных бактерий.

Произошла трансформация.
Определение: Трансформация - это приобретение одним организмом некоторых признаков другого организма за счет захвата части его генетической информации.
В 1944г. этот эксперимент был повторен Освальдом Эйвери, Колином Мак-Леодом и Маклином Мак-Карти в варианте смешивания бескапсульных пневмококков с взятыми от капсульных белками, полисахаридами или ДНК. В результате этого эксперимента была выявлена природа трансформирующего фактора.


Трансформирующим фактором оказалась ДНК.

2. 1952г. Эксперимент Альфреда Херши и Марты Чейз.

Фаги (бактериофаги) - это вирусы, размножающиеся в бактериях.

E. сoli - кишечная палочка (эубактерия).

Суть опыта: фаги, у которых белковая оболочка была мечена радиоактивной серой (S35), а ДНК - радиоактивным фосфором (Р32), инкубировали с бактериями. Затем бактерии отмывали. В смывных водах не обнаруживали Р32, а в бактериях - S35 Следовательно, внутрь попала только ДНК. Через несколько минут из бактерии выходили десятки полноценных фагов, содержащих и белковую оболочку, и ДНК.

Эксперимент А.Херши и М.Чейз



Фаги, у которых белковая оболочка была мечена радиоактивной серой (S35), а ДНК - радиоактивным фосфором (Р32), инкубировали с бактериями.



Затем бактерии отмывали. В смывных водах не обнаруживали Р32, а в бактериях - S35. В то же время большая часть Р32 оказалась внутри бактериальных клеток, а вся S35 - в окружающей среде.



Следовательно, внутрь попала только ДНК. Через несколько минут из бактерии выходили десятки полноценных фагов, содержащих немеченую белковую оболочку, и ДНК, меченую Р32.

Именно ДНК выполняет генетическую функцию - несет информацию как о создании новых копий ДНК, так и о синтезе фаговых белков


Отсюда следовал однозначный вывод о том, что именно ДНК выполняет генетическую функцию - несет информацию как о создании новых копий ДНК, так и о синтезе фаговых белков.
3. 1957г. Опыты Френкеля - Конрата

Френкель-Конрат работал с вирусом табачной мозаики (ВТМ). В этом вирусе содержится РНК, а не ДНК. Было известно, что разные штаммы вируса вызывают разную картину поражения листьев табака. После смены белковой оболочки "переодетые" вирусы вызывали картину поражения, характерную для того штамма, чья РНК была покрыта чужим белком.



Опыты Френкеля-Конрата



Френкель-Конрат работал с вирусом табачной мозаики (ВТМ). В этом вирусе содержится РНК, а не ДНК. РНК покрыта белковой облочкой. Вирус можно "разобрать" и "собрать" снова, но уже так, что РНК вируса одного штамма будет окружена белковой оболочкой вируса другого штамма.



Разные штаммы вируса вызывают разную картину поражения листьев табака. После смены белковой оболочки "переодетые" вирусы вызывали картину поражения, характерную для того штамма, чья РНК была покрыта чужим белком (на рисунке - штамм 1). Позднее из пораженных растений выделяли вирусы штамма 1.

Не только ДНК, но и РНК может служить носителем генетической информации.


Следовательно, не только ДНК, но и РНК может служить носителем генетической информации.
На сегодняшний день существуют сотни тысяч доказательств генетической роли нуклеиновых кислот. Приведенные три являются классическими.


Хронология открытий, подготовивших создание Уотсоном и Криком модели двойной спирали ДНК

1868г.

Обнаружен нуклеин. Современное название - хроматин. Фридрих Мишер

1889г.
Нуклеин разделен на нуклеиновую кислоту и белок. Появился термин "нуклеиновая кислота". Рихард Альтман

1900г.
Все азотистые основания были описаны химиками.

1909г.
В нуклеиновых кислотах обнаружены фосфорная кислота и рибоза. Левин

1930г.
Найдена дезоксирибоза. Левин

1938г.
Рентгеноструктурный анализ показал, что расстояние между нуклеотидами в ДНК 3,4 Å. При этом азотистые основания уложены стопками. Уильям Астбюри, Флорин Белл

1947г.

С помощью прямого и обратного титрования установлено, что в ДНК есть водородные связи между группами N-H и C=O. Гулланд

1953г.

С помощью кислотного гидролиза ДНК с последующей хроматографией и количественным анализом установлены закономерности: А/Т=1; Г/Ц=1; (Г+Ц)/(А+Т)=К - коэффициент специфичности, постоянен для каждого вида. Эрвин Чаргафф

Смотрите также файлы