ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 17.07.2019
Просмотров: 1236
Скачиваний: 1
В утворенні первинної структури ДНК або РНК беруть участь глікозидний зв'язок, що з’єднує азотисті основи з пентозою, ефірний зв'язок між рибозою чи дезоксирибозою і фосфорною кислотою та фосфодиефірний зв'язок між нуклеотидами. Нуклеотиди у полінуклеотидні ланцюги зв’язуються за допомогою 3′,5′- фосфодиефірних зв’язків. Нативна ДНК складається з двох полімерних ланцюгів, які утворюють подвійну спіраль. Ці ланцюги утримуються водневими зв’язками між комплементарними основами протилежних ланцюгів.
Аденін утворює пару з тиміном ( А = Т) . Стабілізується двома водневими зв’язками.
Гуанін утворює пару з цитозином ( Г = Ц ). Стабілізується трьома водневими зв’язками.
Довжина дволанцюгової ДНК вимірюється числом пар комплементарних нуклеотидів (п.н.). Для молекул, які складаються з тисячі н.п. одиниця довжини – т.н.п.
Для молекул, які складаються з міліонів н.п. – одиниця довжини – м.н.п.
Наприклад, ДНК хромосоми 1 людини складається з спіралі довжиною 263 м.н.п.
Цукрофосфатний остов молекули ДНК направлений назовні, а пари основ А-Т та Г-Ц усередину, утворюючі сходи.
Ланцюги молекули ДНК антипаралельні: один ланцюг направлений 3′→5′, другий 5′→3′.
Наприклад, згідно правилу компліментарності дволанцюгова форма буде такою:
5′-TAGGCAT-3′
3′- ATCCGTA -5′
Вторинна структура ДНК це подвійна спіраль, що складається з двох антипаралельних полінуклеотид них ланцюгів . У запропонованій структурі найважливішим моментом є спарювання азотистих основ антипаралельних ланцюгів шляхом утворення між ними водневих зв’язків, що можуть виникнути тільки за умови, що по ходу біспіральної структури ДНК аденін утворить пару з тиміном, а гуанін з цитозином.
З’єднані за допомогою водневих зв’язків азотисті основи називають комплементарними , а процес виборчої взаємодії аденіну з тиміном, гуаніну з цитозином – комплементарністю.
Рентгеноструктурний аналіз волокон і кристалів показав, що існує три типи подвійної спіралі ДНК ( А-, В-, Z-форма ) і один тип подвійної спіралі РНК.
А- і В- форми ДНК є право закрученими спіралями, а Z-форма є ліво закрученою. В-форма ДНК стійка при відносній вологості, що перевищує 92%, якщо ж вологість зменшується нижче 75%, більшість дезоксирибонуклеотидних послідовностей приймає А-форму.
РНК – це лінійна полінуклеотидна молекула, яка відрізняється від ДНК. По-перше у якості моноцукру у РНК є рибоза з двома ОН-групами; вони пов’язані з 2′- і 3′- атомами вуглецю. По-друге за мість тимину у якості основи є урацил. Більшість молекул РНК одно ланцюгові, проте в них є взаємокомплементарні ділянки, які утворюють дволанцюгові структури – «шпильки». Найбільш ймовірною структурою всієї молекули тРНК є модель, запропонована Холлі - плоске зображення якої нагадує листок конюшини.
Довжина двуспиральної ДНК у хромосомі людини у витягнутому стані може досягати 8 см, а насправді її довжина в інтактному (неушкодженому стані) становить 5 нм. Таке ощадливе упакування досягається за рахунок суперспиралізації вторинної структури. Скручування подвійної спіралі самої на себе призводить до утворення суперскрученої право закрученої структури. У результаті суперспиралізації на кожен супервиток припадає 20-25 витків подвійної спіралі. Завдяки суперспиралізації дуже довга молекула ДНК (наприклад, E. coli 1360 мкм) упаковується у ядрі клітини.
Носій генетичної інформації повинен відповідати двом вимогам:
1. Відтворюватися з високою точністю
2. Кодувати синтез білкових молекул
Запропонована модель молекули ДНК відповідає цим вимогам.
1. Реплікація- процес самовідтворення нуклеїнових кислот, які забезпечують точне відтворення генетичної інформації.
Реплікація ДНК – біосинтез дочірніх ланцюгів ДНК на матриці, що забезпечує точне відтворення генетичної інформації.
Згідно моделі Уотсона-Крика, кожний ланцюг ДНК є матрицею при синтезі нового комплементарного ланцюга. Таким чином підтвердилося припущення про те, що реплікація ДНК напівконсервативна; при такому способі реплікації один з ланцюгів кожної дочірньої молекули ДНК синтезується заново, а другий ланцюг походить від батьківської молекули.
Кожна мономерна одиниця, яка приєднується до ланцюга що росте, знаходиться у формі дезоксирибонуклеозид-5′-трифосфата (фосфатна група, пов’язана з 5-вуглецевим атомом дезоксирибози позначається α, до неї приєднується β- фосфат та γ-фосфат). По ходу реплікації β- фосфат та γ-фосфат відщепляються у вигляді пірофосфату, а α-фосфатная група зв’язується з 3′-ОН групою останнього нуклеотиду ланцюга що росте.
У складному процесі реплікації ДНК беруть участь багато білків, що виконують ферментативну функцію. Основну роль відіграє ДНК-полімераза, яка послідовно приєднує нові ланки до полінуклеотидного ланцюга, що росте за принципом компліментарності та каталізує утворення фосфодиефірних зв’язків.
!!!Для здійснення біосинтетичної функції поряд із ДНК-полімеразою у середовищі повинні бути: повний набір дезоксирибонуклеозид-5 ′ -фосфатів ( dАТФ, dГТФ, dТТФ, d ЦТФ), іони магнію, затравний ланцюг з вільним 3-ОН-кінцем (роль затравки виконує попередній ланцюг ДНК чи РНК), матричний ланцюг.
Елонгація ланцюга йде в напрямку 5′→3′. Протягом однієї секунди молекула ДНК-полімерази подовжує ланцюг на 10 нуклеотидних залишків.
У механізмах реплікації і репарації ДНК бере участь ще один фермент – ДНК –лігаза, що каталізує утворення фосфодиефірного зв’язку за наявності вільної ОН-групи у 3′-кінці ланцюга ДНК і фосфатної групи у 5′-кінці цього ланцюга у каркасі двоспіральної ДНК. Завдяки цій реакції усуваються одноланцюгові розриви.
Місце реплікації ДНК має чітку локалізацію і називається – реплікатором – ділянка ДНК (унікальна послідовність нуклеотидів) з якої розпочинається процес її реплікації.
Ділянка в якій одночасно відбуваються розплетення і реплікація ДНК, називається реплікаційною вилкою.Від неї одночасно в двох протилежних напрямках здійснюється біосинтез дочірніх ланцюгів ДНК.
КОДУВАННЯ СИНТЕЗУ БІЛКОВИХ МОЛЕКУЛ
Основною структурною одиницею білків є амінокислоти, які мають подібну хімічну будову. До центрального атому вуглецю С приєднується атом водню Н, аміногрупа (NH + 3 ), карбоксильна група СОО- та R -група (боковий ланцюг) .
Існує 20 бокових ланцюгів і відповідно 20 амінокислот.
Амінокислоти з’єднуються між собою пептидними зв’язками та утворюють поліпептидний ланцюг. Пептидний зв'язок утворюється між карбоксильною групою однієї амінокислоти та аміногрупою іншої.
Довжина білкових молекул варіює від 40-1000 амінокислотних залишків.
Багато білків складаються з двох та більше поліпептидних ланцюгів (субодиниць).
Для переводу генетичної інформації з мови нуклеотидів на мову амінокислот важливу роль відіграють РНК.
Існують три основних типа РНК:
1. Інформаційна – мРНК (3-5% від сумарної РНК)
2. Рибосомна – рРНК (90% від сумарної РНК активнофункціонуючої клітини)
3. Транспортна – тРНК (4% від сумарної РНК)
РНК синтезуються на певних ділянках ДНК як на матрицях.
Синтез РНК на ДНК-матрице називається транскрипцією .
У прокаріотів транскрипція РНК відбувається за допомогою однієї РНК-полімерази.
У еукаріотів мРНК, рРНК та тРНК транскрибуються різними РНК-полімеразами.
Транскрипція подібна до реплікації. Матриця для синтезу РНК – певна ділянка ланцюга ДНК. РНК-полімераза копіює цю ділянку, послідовно з’єднуючи рибонуклеотиди за допомогою 3′-5′- фосфодиефірних зв’язків дотримуючись комплементарності.
Синтезована молекула РНК від’єднується від ДНК і подвійна спіраль відновлюється.
Існують послідовності які сигналізують (вказують ) де починається транскрипція (ініціюється ) , а дезакінчується (термінується ).
Сигнал ініціації розташовується перед кодуючою послідовністю (тобто передує гену, якій транскрибують) і називається 5 ′-фланкуюча послідовність.
Сигнал термінації розташовується після кодуючої послідовності і називається 3′- фланкуюча послідовність.
Більшість послідовностей ДНК, які транскрибуються, складають так звані структурні гени, на яких синтезуються мРНК. Кінцевим продуктом структурного гену є білок.
У прокаріот структурний ген це безперервна ділянка молекули ДНК. Транскрипція починається зі зв’язування РНК-полімерази з промотором.
Промотор-специфічна ділянка ДНК, яка виконує регуляторну функцію в результаті приєднання РНК-полімерази, що ініціює транскрипцію РНК.
Потім поступово копіюється увесь структурний ген (кодуюча ділянка) від першого нуклеотиду до останнього і утворюється мРНК.
У еукаріот більшість структурних генів складається з дискретних кодуючих ділянок (екзонів), які розділені некодуючими ділянками (інтронами). Після транскрипції інтрони з первинного транскрипту вирізаються (процессинг), а екзони зшиваються (сплайсинг) з утворенням функціональної мРНК.
Як правило довжина екзонів складає від 150до 200нуклеотидів, а довжина інтронів від 40-10000 нуклеотидів.
Інколи сплайсинг мРНК може проходити за альтернативним шляхом. Наприклад, в однієї тканини функціональна мРНК може утворюватися в результаті сполучення всіх екзонів первинного транскрипту, а у іншої якійсь екзон буде вирізаний разом з фланкуючими інтронами і тоді утворюється інша функціональна мРНК. Завдяки альтернативному сплайсингу у різних тканинах можуть утворюватися різні продукти одного того ж структурного гену.
Процесинг - сукупність ферментативних реакцій, що каталізують перетворення первинних продуктів транскрипції і трансляції у функціонально повноцінні молекули.
Сплайсинг – посттрансляційний ферментативний процес видалення з первинного РНК-транскрипту інтронів і наступне з'єднання екзонів.
Лекція №3. Частина 2. Генетична інженерія. Трансляція. Регуляція транскрипції
БІОТЕХНОЛОГІЯ У ВЕТЕРИНАРНІЙ МЕДИЦИНІ
Ветеринарна медицина.
Факультет ветеринарної медицини.
Кафедра мікробіології, вірусології та біотехнології.
ТЕМА ЛЕКЦІЇ: ГЕНЕТИЧНА ІНЖЕНЕРІЯ.
ТРАНСЛЯЦІЯ. РЕГУЛЯЦІЯ ТРАНСКРИПЦІЇ.
АВТОР: НОВІЦЬКА О.В., кандидат ветеринарних наук
АНОТАЦІЯ
Викладено основи синтезу білка на матриці іРНК у прокаріот та еукаріот. Розглянуті такі процеси як елонгація, процессінг, термі нація та регуляція транскрипції у прокаріот та еукаріот.
План лекції:
1. Трансляція
2. Регуляція транскрипції у бактерій
ЗМІСТ ЛЕКЦІЇ
Трансляція- синтез білка на матриці іРНК, що відбувається у рибосомах
В трансляції приймають участь мРНК, різні тРНК, «навантажені» відповідними амінокислотами, рибосоми та білкові фактори.
У клітині, яка синтезує білки міститься понад 60 різних видів тРНК.
тРНК – це лінійна одноланцюгова молекула довжиною 75-93 нуклеотидів. Уся молекула у просторі утворює структуру, яка нагадує букву L.
За допомогою специфічних ферментів до 3′-кінця тРНК приєднується відповідна амінокислота. Для кожної з 20 амінокислот є принаймні одна специфічна тРНК.
На іншому кінці молекули тРНК є послідовність з трьох нуклеотидів, яка називаєтьсяантикодоном – ділянка, яка розпізнає специфічний кодон у мРНК та визначає яка амінокислота буде приєднана до поліпептидного ланцюга.
Трансляція у прокаріот ініціюється формілметіоніновою тРНК – ініціаторна тРНК.
При участі білкових факторів антикодон 3′-UAC-5′ ініціаторної тРНКfMet(fMet – модифікований метіонін з формілірованною аміногрупою) зв’язується з кодоном -5′-AUG-3′ мРНК, яка утворює комплекс з малою рибосомною субодиницею. Ніяка інша тРНК з’єднатися з цим комплексом не може.
мРНК зв’язується з субодиницею за допомогою утворення нуклеотидних пар міжпослідовностями з 8 нуклеотидів (послідовності Шайна-Дальгарно), які знаходяться поблизу -5′-кінця мРНК і комплементарної -3′-кінцевою послідовністю рРНК.
До комплексу fMet-тРНКfMet - мРНК-мала субодиниця приєднується велика субодиниця і утворюється комплекс ініціації.
У еукаріот трансляція ініціюється зв’язуванням специфічної «навантаженої» ініціаторної тРНК (fMet-тРНКfMet) і факторв ініціації з малою рибосомною субодиницею.
Потім мРНК приєднується -5′-кінцем до комплексу тРНК-мала субодиниця. Цей комплекс просувається по мРНК до старт-кодона (AUG).
Потім антикодон UAC ініціаторної тРНК (fMet-тРНКfMet) зв’язується з кодоном (AUG) мРНК. До комплексу приєднується велика рибосомна субодиниця і утворюєтьсякомплекс ініціації .
Елонгація - утворення пептидних зв’язків між сусідніми амінокислотами, черговість яких визначається черговістю кодонів мРНК
Після утворення комплексу ініціації кодон в молекулі мРНК,якій йде за кодоном АUG,спрівається з комплементарним йому антикодоном відповідної тРНК. Таким чином визначається яка з «навантажених» тРНК приєднується до рибосоми.
Якщо другим триплетом у мРНК виявляється CUG, тоді приєднується наступна тРНК з антикодоном 3′GAC-5′. Коли ця тРНК опиняється на місті, між карбоксильною групою метіоніну та аміногрупою лейцину за допомогою ферментативної активності субодиниці, утворюється пептидний зв'язок, при цьому лейцин залишається зв’язаний зі своєю тРНК, а метіонін від’єднується від ініціаторної тРНК, остання від’єднується від рибосоми.
Комплекс метіонін-лейцин-тРНК-мРНК просувається через рибосома-так званатранслокація-таким чином, щоб наступний кодон мРНК міг зв’язатися з навантаженою тРНК.
Трансляція відбувається у напрямку5-3 зі швидкістю 15 амінокислот за секунду. Коли -5′-кінець вивільняється з рибосомного комплексу, він може зв’язатися з іншим комплексом ініціації. Таким чином одна молекула мРНК може одночасно транслюватися багатьма рибосомами.
Елонгація продовжується до тих пір, поки рибосома не дійде до кодона UAA UAG UGA (стоп-кодон). тРНК з антикодонами до стоп-кодонів відсутні, їх розпізнають білкові фактори вивільнення (термі нації ).
Під час зв’язування фактора звільнення з рибосомою виникає гідроліз зв’язку між останньою тРНК та поліпептидом.
Вільна тРНК, поліпептидний ланцюг та мРНК від’єднуються від рибосоми.
Після трансляції поліпептиди модифікуються. У більшості відщеплюються N-кінцевий метіонін, тому N-кінцевим стає залишок другої амінокислоти.