На головну

Нуклеїнові кислоти - матеріальний носій спадкової інформації (молекулярні основи життя).

  1. C) Матеріальний баланс
  2. Зв`язок між невизначеністю, ризиком і вартістю інформації: перші вимірювання
  3. D. ОСНОВИ медичної мікології
  4. G. Отримання інформації про діяльність неформальних підприємств з даних рахунків СНС
  5. I. ФІЗИЧНІ ОСНОВИ КЛАСИЧНОЇ МЕХАНІКИ
  6. I.1.a.i.1. Застосування центральної концептуальної основи гнучким чином

 Яким же чином клітина, зберігаючи свою цілісність, багаторазово ділячись, будує фенотип, згідно програми, яку називають генетична програма? При цьому ступінь прояву різних ознак (мінливість) сильно залежить від зовнішніх умов, в яких створюється цей фенотип. Виникає одночасно питання. Якою мовою записана ця генетична програма, т. Е генетичному коді і хто в клітці вміє його читати? Виникає і безліч інших питань, пов'язаних з самовідтворення і самоорганізацією клітини в процесі створення живого організму і нескінченному ряду його поколінь.

Сьогодні ми вже добре знаємо, що спадковість і мінливість забезпечуються функціонуванням особливого матеріального субстрату - нуклеїновими кислотами в основі яких лежать цукру рибоза і дезоксирибоза (рис. 15). І яким вимогам повинен відповідати цей субстрат?

По перше, Він повинен мати здатність до самовідтворення - без цього передача спадкової інформації неможлива.

По-друге, Для підтримки стійкості основних характеристик в ряду поколінь він повинен зберігати постійними свою структуру і функції.

По-третє, Для забезпечення умов тривалого розвитку живої матерії в мінливих умовах спадковий матеріал повинен мати здатність набувати зміни і відтворювати їх.

Звідси випливає, що для здійснення життя необхідно вичленення спеціального простору, в якому ці процеси могли б цілеспрямовано здійснюватися. І таким обмеженим простором для життя є клітина (фенотип). У ній зосередилися всі необхідні структури (хромосоми, рибосоми, мітохондрії, хлоропласти і ін.), Які в тісному взаємозв'язку здійснюють всі життєві функції. Цю сутність еволюції життя добре відображає як раз перша частина формулювання нової аксіоми біології - "клітина є елементарною одиницею фенотипу живого, хранителем і координатором її генетичної програми ...".

Дослідження, проведені декількома поколіннями вчених, показали, що тільки нуклеїнові кислоти відповідають перерахованим вимогам і, таким чином, є матеріальним носієм спадкової інформації, або її субстратом.

Нуклеїнові кислоти були відкриті в 1870 р Фрідріхом Мішер. Свою назву вони отримали через кислотних властивостей і місця ідентифікації - ядра клітини. Їх ділять на дві великі групи - дезоксирибонуклеїнові (ДНК) і рибонуклеїнові (РНК). ДНК міститься в хромосомах ядра, а також в значно меншій кількості в мітохондріях і хлоропластах. РНК міститься в ядрі (особливо багато її в полісом), а також в рибосомах і в менших кількостях в інших органелах.

нуклеїнові кислоти - це полімер, мономерами яких є нуклеотиди. Молекула РНК містить від 100 до 100 тис. Нуклеотидів, ДНК - від декількох тисяч до багатьох мільйонів.

Кожен нуклеотид складається з трьох хімічно різнорідних частин, З'єднаних ковалентними зв'язками: моносахарида пентози; азотистого підстави, з'єднаного з першим атомом вуглецю цукру; залишку фосфорної кислоти.

Пентоза в ДНК представлена ??дезоксирибозою, а в РНК - рибоза (рисунок 15). Вхідні в нуклеїнові кислоти азотисті основи діляться на два типи - пурини і піримідинів. До пуріновим підстав відносяться аденін, гуанін, пірімідіновим - тимін і цитозин (рисунок 16). У РНК замість тиміну міститься урацил.

Нуклеотиди з'єднані в лінійні ланцюги за допомогою фосфоефірную зв'язків між 5-ими атомом вуглецю одного цукру і 3-им атомом вуглецю іншого. Специфічність нуклеїнових кислот визначається послідовністю розташування нуклеотидів.

Істотна відмінність ДНК і РНК в тому, що РНК складається з одного ланцюжка нуклеотидів, а ДНК - з двох. Послідовне чергування в місцях освіти діефірних зв'язків 3-го і 5-го атомів вуглецю дозволяє виділити у полінуклеотидних ланцюга 3'і 5'-кінці (рисунок 17). Причому навпаки 3'-кінця одного ланцюга знаходиться 5'-кінець інший. Зазначена закономірність називається принципом антипаралельності полінуклеотидних ланцюгів нуклеїнових кислот.

Дослідження Едвіна Чаргаффа показали, що в молекулах ДНК молярное зміст аденина одно молярному змістом тиміну, а гуаніну - змістом цитозину. Таким чином, пізніше рентгеноструктурні дослідження Моріса Уїлкінсона і Розалінд Френклін дозволили виявити спіральну структуру молекул ДНК і де кількість пуринів дорівнює кількості пиримидинов. Ця закономірність була названа правилом Чаргаффа. Кислотно-лужну титрування показало наявність водневих зв'язків, що стабілізують структуру молекули.

 У 1953 році американський біохімік Джеймс Уотсон і англійський фізик Френсіс Крік на підставі зіставлення даних рентгеноструктурного і біохімічного аналізу запропонували модель макромолекули ДНК. За цією моделлю довгі полінуклеотидні ланцюга, з яких складається ДНК, взаємно закручені навколо загальної осі. Кожна нуклеотидная пара повернута до сусідньої парі під кутом 36 °, в результаті 10 послідовних пар утворюють один повний виток спіралі. Такий виток має довжину 3.4А (ангстрем - позасистемна одиниця довжини, рівна 10-10м), т. е по 3.4А на одну пару нуклеотидів. Радіус подвійної спіралі становить 10А.

Пуринові і піримідинові підстави одного ланцюжка мають водневі зв'язку з піримідинових і пуриновими основами іншого (малюнок 19). Зв'язки жорстко підкоряються принципу комплементарності, Що полягає в тому, що з тиміном одного ланцюга взаємодіє аденін інший, а з гуаніном однієї - цитозин інший ланцюга.

 За допомогою моделі ДНК (рисунок 18) вдалося пояснити багато властивостей нуклеїнових кислот. В даний час вона загальновизнана. Зокрема, була пояснена реплікація ДНК - основа передачі спадкової інформації, закономірності мутацій - головного механізму мінливості. Експериментально схема реплікації була підтверджена американським генетиком Артуром Корнбергом в 1958 р

Реплікація. Самокорекція і репарація ДНК.

У живій клітині самоудвоение молекули ДНК - реплікація - Протікає в синтетичний період інтерфази. Починається воно з розкручування ділянки подвійної спіралі під дією ферменту ДНК-топоізомерази. Потім відбувається розрив водневих зв'язків між комплементарними азотистими підставами двох ланцюгів нуклеотидів. Завдяки цьому ділянку подвійного ланцюга ДНК розділяється на два одинарних. Далі кожна підстава взаємодіє з комплементарним вільним трифосфатом дезоксинуклеозидов, наявними в каріолімфа в готовому для полімеризації вигляді. Залишаючись фіксованими на вихідної матричної ланцюга, дезоксинуклеозидтрифосфатов вступають у взаємодію між собою шляхом утворення ефірних зв'язків між сусідніми фосфатними групами. В результаті замість однієї молекули ДНК з'являється дві нові, які є повними копіями вихідної. Процес реплікації контролюють кілька ферментів, званих ДНК-полімерази. Збірка молекули ДНК можлива тільки в одному напрямку - від 5'- до 3'-кінця. На одній з ланцюгів-матриць збірка дочірньої ДНК відбувається безперервно, і саме в вищевказаному напрямку. На іншій, антріпараллельной матриці синтез йде шляхом розрізання вихідної подвійного ланцюга на відрізки по 50 ... 150 нуклеотидів за участю ферменту рестріктази, нарощування подвоєних фрагментів в напрямку від 3'до 5'-кінця, а потім їх зшивання відрізків подвійного ланцюга по завершенню реплікації в присутності ферменту лігази. В межах самого реплицирующихся фрагмента приєднання нових нуклеотидів відбувається в "правильному напрямку", т. Е від від 5'- до 3'-кінця.

Синтез подвійного ланцюга починається тільки при наявності затравки (праймера) - Короткої послідовності РНК, утвореною за участю ферменту РНК-ПРАЙМАЗИ. Після завершення подвоєння фрагментів ДНК лігаза не тільки їх зшиває, але і видаляє більше непотрібний праймер. Розглянутий механізм реплікації називається напівконсервативним.

Поряд зі стійкістю ДНК до зовнішніх впливів надійність передачі генетичної програми забезпечується точністю відтворення структури цієї молекули при реплікації і механізмами усунення, іноді виникають інформаційних збоїв.

Стійкість ДНК до зовнішніх впливів досягається завдяки досить низькою реакційною здатністю цієї молекули.

Головна роль у високій точності відтворення структури в процесі реплікації належить ДНК-полімерази. Саме цей фермент відбирає потрібні нуклеозидтрифосфат і приєднує їх до зростаючої дочірньої ланцюга ДНК. Частка помилково включених нуклеотидів не перевищує 1 * 10-5 пар азотистих основ. Помилка, допущена ДНК-полімеразою, може бути виправлена ??завдяки механізму самокорекції: Ще до завершення реплікації "неправильно" включений нуклеотид отщепляется від зростаючої послідовності і замінюється "правильним", комплементарних нуклеотиду матричної ланцюга. Механізм самокорекції знижує частку помилкових включень нуклеотидів на порядок (т. Е до 1 * 10-6 пар).

Все ж частина помилок, допущених в процесі реплікації, зберігаються в дочірньої ДНК; до них додаються зміни "готових" молекул, обумовлені апурінізаціей аденіну і гуаніну та дезаминированием цитозину. Більшість зазначених інформаційних збоїв усуваються дією механізму репарації. Механізм репарації заснований на видаленні перекручених послідовностей нуклеотидів і заміні їх "правильними", синтезованими на другий комплементарного ланцюжка ДНК (Ексцизійна репарація), Або на обміні фрагментами між двома новоствореними подвійними спіралями ДНК (постреплікатівной репарація). Є і інші схеми репарації.

Завдяки механізмам репарації частота помилок в молекулі ДНК знижується ще на три порядки (до 1 * 10-9 пар нуклеотидів).

Однак, якщо кількість пошкоджень структури ДНК залишається високим, то процес реплікації на ДНК блокується. Поділ клітини, що містить таку ДНК, припиняється.

Транскрипція. Процесинг мРНК.

ДНК хімічно досить інертна, а тому безпосередньо в синтезі білка не бере. Майже вся ДНК зосереджена в ядрі, тоді як синтез білків відбувається в цитоплазмі. Ось чому в процесі передачі інформації бере участь проміжну ланку - РНК (РНК). Перенесення інформації з двухцепочечной молекули ДНК на одноцепочечниє молекули РНК називається транскрипцією.

Виділяють три стадії транскрипції: ініціацію, елонгацію и терминацию. Головну роль в транскрипції грає фермент ДНК-залежна РНК-полімераза, який часто називають просто РНК-полімераза.

Ініціація включає виявлення РНК-полімераза особливого ділянки молекули ДНК, що вказує місце початку транскрипції - промотора. Серед нуклеотиднихпослідовностей промотора часто зустрічаються повторно чергуються пари аденіну і тиміну, звані послідовностями Прібнова. Після приєднання до промотор РНК-полімераза розкручує відповідну ділянку спіралі ДНК. На одній з звільнилися ланцюжків ДНК і відбувається синтез РНК. В якості матриці може служити лише та з дезоксирибонуклеїнових ланцюжків, яка звернена до ферменту своїм 3'-кінцем. її називають кодогенной.

елонгація - Це подальше нарощування ланцюжка РНК. Вона відбувається шляхом приєднання до зростаючого ланцюжка РНК відповідних комплементарних нуклеотидів з просуванням від 5'- до 3'-кінця.

Таким чином, транскрипція, як і реплікація, здійснюється з дотриманням принципів комплементарності и антипаралельності.

Завершення транскрипції (термінація) відбувається після того, як РНК-полімераза зустріне на кодогенной ланцюжку РНК специфічну послідовність нуклеотидів - термінатор.

Після термінації РНК-полімераза звільняється і від ДНК, і від знову синтезованої молекули РНК. Одноцепочечниє ділянки ДНК знову об'єднуються в двухспіральной структуру. Транскрипція завершена.

Процес транскрипції в про- і еукаріотичної клітці має деякі суттєві відмінності. Якщо у прокаріот синтез усіх трьох видів РНК здійснюється однією РНК-полімераза, то транскрипційний комплекс еукаріот представлений групою ферментів. РНК-полімераза I локалізована в ядерцях; вона "обслуговує" синтез рРНК. РНК-полімераза II знаходиться в кариоплазме і каталізує синтез мРНК. РНК-полімераза III бере участь в транскрипції тРНК і невеликих мРНК. У мітохондріях і пластидах є свій тип РНК-полімерази.

Друга важлива відмінність обумовлена ??неоднаковою організацією генів про- та еукаріот. У перших основна частина нуклеотиднихпослідовностей є кодують області; винятком є ??ділянки промотора і термінатора. еукаріот характерна екзон-інтронна структура гена. екзонів - Це кодують ділянки генів, що містять інформацію про послідовність амінокислот. інтрони - Це неінформативні нуклеотидні послідовності, які не беруть участі в кодуванні інформації. Первинні транскрипти, синтезовані РНК-полімераза і включають комплементарні копії всієї екзон-інтронів структури, являють собою не мРНК, а свого роду заготовку. Така "заготовка", іменована гетерогенної ядерної РНК (ГяРНК), перш ніж переміститися з ядра в цитоплазму і включитися в процес трансляції повинна пройти дозрівання, або процесинг.

Процесинг включає видалення інтронів і з'єднання (сплайсинг) екзонів, кепірованіе и поліаденілювання.

У багатьох еукаріот (ссавці, деякі рослини, дріжджі) частка интронов, що підлягають видаленню, становить до 80% всієї гяРНК. Встановлено, що вирізання різних интронов з однієї і тієї ж молекули гяРНК може привести до утворення неоднакових мРНК.

Кепірованіе - Це приєднання до 5'-кінця метілгуанозін-3-фосфату. Призначення кепа полягає в забезпеченні розпізнання мРНК рибосомами в цитоплазмі.

поліаденілювання є приєднання до 3'-кінця мРНК декількох сот залишків адениловой кислоти.

Після завершення процесингу мРНК готова до переміщення в цитоплазму і участі в транскрипції.

Трансляція.

Синтез поліпептидного ланцюжка білка на мРНК позначають терміном трансляція. Місцем, де відбувається трансляція, є рибосоми. Структура рибосом утворюється досить великими молекулами РНК, які називали рибосомні, а також специфічними білками. У малій субодиниці еукаріотичної рибосоми міститься одна молекула рРНК, у великій - три молекули. У процесі синтезу білка рРНК виконує дві функції: пов'язує рибосоми з певною нуклеотидної послідовністю мРНК, що необхідно для правильного зчитування інформації при утворенні поліпептидного ланцюга; забезпечує контакт рибосоми і тРНК. Рибосоми мають дві борозенки, в одній з яких розташовується будується поліпептидний ланцюг, в інший - мРНК, А також дві ділянки - А-ділянку, Яку він обіймав тРНК з приєднаною до неї активованої амінокислотою і П-ділянку, На якому знаходиться тРНК зі зростаючою поліпептидного ланцюгом.

Доставку амінокислот до рибосом виконують транспортні РНК (ТРНК). Мабуть, число видів тРНК відповідає числу стандартних амінокислот, т. Е. 20-ти. тРНК - це невелика молекула з молекулярною масою 26 000 Дальтон і швидкістю седиментації 4S, що складається приблизно з 70 ... 80 нуклеотидів. Вона відрізняється характерною конфігурацією, що нагадує лист конюшини. Ланцюжок тРНК має взаємно комплементарні ділянки, що утворюють виступи. Місця молекули, де ланцюг вигинається на 1800, називають головками. На голівках розміщуються триплети підстав. Структура одного з них специфічна для даної тРНК. він іменується антикодоном. Антикодон даної тРНК комплементарен кодону відповідної мРНК. Один з кінців молекули тРНК - акцепторні. До нього через ковалентний зв'язок приєднується "своя" амінокислота.

В процесі біосинтезу кожна амінокислота проходить три стадії.

на першій стадії відбувається активація амінокислоти шляхом її взаємодії з АТФ; при цьому утворюються аміноаціладенілати. Процес каталізується ферментами аміноацил-тРНК-синтетазами.

на другий стадії здійснюється аміноацилювання тРНК, т. е приєднання відповідного аміноаціладенілата до певної тРНК і утворення комплексу аміноацил-тРНК.

на третьої стадії відбувається полімеризація амінокислот і освіту поліпептидного ланцюга. Третя стадія - це і є власне трансляція.

Під час трансляції молекула мРНК 5'-кінцем приєднується до малої субодиниці рибосоми. У велику субодиницю входять дві молекули тРНК, з'єднані з амінокислотами. Вхід в рибосому "дозволено" лише таким тРНК, атікодони яких комплементарні кодонам ділянки мРНК, що знаходиться в рибосомі в даний момент. Потім молекула мРНК рухається через рибосому в напрямку від 5'до 3'-кінця. Молекула тРНК спочатку приєднується до А- ділянці рибосоми, потім переходить на її П-ділянку. Після приєднання амінокислоти, доставленої цієї тРНК до зростаючої поліпептидного ланцюга, молекула тРНК залишає рибосому. На довгому ланцюжку мРНК можуть перебувати кілька рибосом одночасно, утворюючи полірібосом. У кожній з рибосом протікає синтез одного і того ж типу молекул білка, але тільки в різних його стадіях.

виділяється три фази трансляції.

Основна подія фази ініціації - Об'єднання в єдиний комплекс двох рибосомних субодиниць (великої і малої), мРНК і амінокислоти формілметіонін. тРНК, що доставила в рибосому формілметіонін, комплементарно з'єднується зі стартовою послідовністю нуклеотидів мРНК - АУГ. В кінці першої фази транскрипції стартовий кодон мРНК переміщається на П-ділянці субодиниці; А-ділянка займає наступний кодон.

фаза елонгації починається з приєднання до формілметіонін другий амінокислоти. Потім до другої амінокислоті приєднується третя, і т. Д Надалі фермент амінопептідазу вирізає метіонін з амінокислотноїпослідовності; якщо білок починається з метіоніну, то видаленню підлягає тільки формільная група.

фаза термінації полягає в припиненні синтезу поліпептиду. Сигналом до цього є надходження на А-ділянку одного з трьох нонсенс-кодонів мРНК - УАГ, УАА або УГА. Нонсенс-триплетів не відповідає жоден з атікодонов тРНК. Тому доставка амінокислот транспортними РНК в рибосому припиняється. Терминация синтезу завершується звільненням поліпептиду і розпадом рибосоми на субодиниці.

 



Походження і життєвий цикл еукаріотичної клітини | Генетичний код.

Доказ цілісності і єдності матеріального світу (Всесвіту) і появи життя в формі клітини. | Геохімічний рівень організації матерії. | Quot; Заключний "етапу еволюції матерії - біохімічний. | Необхідні чинники виникнення життя. | ТТеорія абіогенного походження життя А. І. Опаріна. | Фізико-хімічні основи існування відсталої і живої матерії - її інформаційна суть. | Деякі важливі властивості води і білка, їх пояснення з позиції живих процесів | Двоїсте будова всіх форм матерії і кожної електромагнітної хвилі (інформаційного поля) | Гетеротрофи і автотрофи (первинна спеціалізація клітин) | будова клітини |

© um.co.ua - учбові матеріали та реферати