9. Нуклеиновые кислоты. Строение и функции днк. Генетический код, его структура и свойства.

ДНК состоит из нуклеотидов, в состав которых входят сахар – дезоксирибоза, фосфат и одно из азотистых оснований – пурин (аденин или гуанин) либо пиримидин (тимин или цитозин).

Молекулы ДНК включают в себя 2 полинуклеотидные цепи, соединенные друг с другом азотистыми основаниями с помощью водородных связей по принципу комплементарности (аденин -2вод.связи-тимин, гуанин-3вод.связи-цитозин).

Цепи антипараллельны: 5’-конец одной цепи соединяется с 3’-концом другой цепи. Чаще всего спирали правозакрученные.

В структурной организации молекулы ДНК можно выделить:

• первичную структуру – полинуклеотидную цепь,

• вторичную структуру – две комплементарные друг другу и антипараллельные полинуклеотидные цепи, соединенные водородными связями,

• третичную структуру – трехмерную спираль с приведенными выше пространсвенными характеристиками.

Функции ДНК:

1. Молекулы ДНК хранят (содержат) наследственную информацию (программу) о структуре специфических для каждого организма белков.

2. М олекулы ДНК обеспечивают передачу наследственной информации от клетки к клетке, от организма к организму.

3. Молекулы ДНК участвуют в реализации генетической информации, т. е. участвуют в процессе синтеза полипептидов.

Генетический код – это система кодирования информации о последовательности аминокислот в белке с помощью последовательности нуклеотидов ДНК (РНК). Единицей генетического кода является кодон (триплет) – последовательность из трех нуклеотидов. В составе генетического кода 64 кодона, из них кодирующих аминокислоты – 61, а некодирующих (стоп-кодоны) – 3. Кодон АУГ, кодирующий аминокислоту метионин, выполняет функцию кодона-инициатора (старт-кодона) – с него начинается считывание генетической информации с иРНК. Первой к месту синтеза белка – рибосоме подходит тРНК с аминокислотой метионин. У эукариот только один старт-кодон, тогда как у прокариот их может быть несколько.

Свойства генетического кода:

1. триплетность – каждая аминокислота кодируется сочетанием из трех нуклеотидов;

2. специфичность – каждый кодон кодирует одну определенную аминокислоту;

3. вырожденность (избыточность) – почти каждая аминокислота (кроме метионина и триптофана) может быть закодирована двумя или более разными кодонами;

4. универсальность – принцип кодирования аминокислот у всех видов одинаков

10. Воспроизведение на молекулярном уровне. Репликация днк. Понятие и репарации днк.

Одна из основных функций ДНК – сохранение и передача наследственной информации. В основе этой функции лежит способность ДНК к самоудвоению – репликации. В результате репликации из одной материнской молекулы ДНК образуются две 10дочерние молекулы ДНК. Каждая дочерняя молекула содержит одну материнскую и одну вновь синтезированную цепь (полуконсервативный способ удвоения). Репликация в клетке происходит перед каждым её делением в синтетический период интерфазы (S-период).

Единицей репликации является репликон – участок ДНК, способный к самостоятельной репликации. У бактерий и вирусов имеется обычно один репликон на клетку, тогда как у эукариот их содержится много. Репликация начинается в сайте инициации. Двойная спираль ДНК расплетается в точках инициации репликации и образуются репликационные глазки, состоящие из двух репликационных вилок, ведущих синтез в противоположных направлениях (двунаправленная репликация)

В синтезе полинуклеотидных цепей ДНК участвует фермент ДНК-полимераза, которая наращивает новую цепь в направлении 5' → 3'. Однако синтез дочерних цепей ДНК осуществляется неодинаково. Одна из них создается непрерывно и называется лидирующей. Другая называется отстающей, так как она собирается из отдельных коротких участков (фрагментов Оказаки), которые потом соединяются вместе ДНК-лигазами. Такой феномен наблюдается из-за антипараллельности материнских цепей ДНК.

ФЕРМЕНТЫ и другие БЕЛКИ, обеспечивающие репликацию ДНК:

Геликаза – расплетает двойную спираль ДНК, разрушая водородные связи между комплементарными азотистыми основаниями.

РНК-полимераза (или ДНК-праймаза) – инициирует синтез ДНК, образуя РНК-затравки (праймеры).

ДНК-полимераза – синтезирует полинуклеотидную цепь ДНК в направлении 5' → 3'.

ДНК-лигаза – сшивает вместе фрагменты Оказаки после удаления РНК-праймера и его замещения на нуклеотиды ДНК.

ДНК-топоизомераза – помогает раскручиванию ДНК и работе геликазы, снимая напряжение на спирали материнской молекулы.

Дестабилизирующие белки – негистоновые ядерные белки, связываются с разъединенными цепями ДНК, поддерживают репликационную вилку открытой.

Геликаза - первый фермент, прикрепляется к точке начала репликации. Задача геликазы - продвигать вилки репликации вперед, «расплетая» ДНК (разрывая водородные связи между азотистыми основаниями).

Специальные белки, связывающиеся с одноцепочечной ДНК, обволакивают отдельные нити ДНК возле репликационной вилки, предотвращая их повторное объединение в двойную спираль.

Праймеры и праймаза

ДНК-полимеразы могут добавлять нуклеотиды только к 3'-концу существующей цепи ДНК. Они используют свободную группу -ОН, находящуюся на 3'-конце, в качестве «крючка», прицепляя новый нуклеотид к этой группе в результате реакции полимеризации. Как же тогда ДНК-полимераза присоединяет первый нуклеотид на новой репликационной вилке?

В одиночку она это сделать не может! Эта проблема решается с помощью фермента праймазы. Праймаза создает РНК праймер или короткий фрагмент нуклеиновой кислоты, комплементарный матрице, который формирует 3'-конец для работы ДНК-полимеразы. Типичный праймер имеет длину от пяти до десяти нуклеотидов. Праймер способствует началу синтеза ДНК, то есть даёт ему старт.

Как только РНК-праймер синтезирован, ДНК-полимераза «удлинняет» его, добавляя нуклеотиды один за другим, чтобы получить новую цепь ДНК, которая комплементарна матричной цепи.

Лидирующая и отстающая цепи

У бактерии E. coli, ДНК-полимераза, которая осуществляет большую часть синтеза, является ДНК-полимеразой III. На репликационной вилке находятся две молекулы ДНК-полимеразы III, каждая из которых усердно работает над одной из двух новых цепей ДНК.

ДНК-полимеразы могут добавлять нуклеотиды только к 3'-концу существующей цепи ДНК. Они используют свободную группу -ОН, находящуюся на 3'-конце, в качестве «крючка», прицепляя новый нуклеотид к этой группе в результате реакции полимеризации. Как же тогда ДНК-полимераза присоединяет первый нуклеотид на новой репликационной вилке?

Одна новая цепь, которая проходит от 5' к 3'-концу по направлению к вилке репликации, является простой. Эта цепь создается непрерывно, потому что ДНК-полимераза движется в том же направлении, что и вилка репликации. Эта непрерывно синтезируемая цепь называется лидирующей цепью.

В другой новой цепи, которая направлена от репликационной вилки от 5'-конца к 3'-концу, всё немного сложнее. Эта цепь строится фрагментами, потому что по мере движения вилки ДНК-полимераза удаляется от неё, и ей в какой-то момент приходится отрываться и снова присоединяться к новому открывшемуся фрагменту. Эта цепь, достраивающаяся фрагментами, называется отстающей цепью.

Маленькие фрагменты называются фрагментами Оказаки. Они названы в честь японского ученого, который их обнаружил. Лидирующая цепь может быть синтезирована на основании одного праймера, в то время как отстающая цепь нуждается в новом праймере для каждого из коротких фрагментов Оказаки.

Бригада по техническому обслуживанию и уборке

Существуют и другие белки и ферменты, помимо перечисленных выше основных, необходимые для обеспечения бесперебойной репликации ДНК. В частности, это так называемые белки скользящего зажима, которые во время синтеза ДНК удерживают молекулы ДНК-полимеразы III. «Скользящий зажим» — это белок в форме кольца, не дающий ДНК-полимеразе III отсоединиться при переходе к новому фрагменту Оказаки^44start superscript, 4, end superscript.

Топоизомераза также играет важную поддерживающую роль в репликации ДНК. Этот фермент предотвращает слишком плотное скручивание двойной спирали ДНК перед вилкой репликации при раскрытии ДНК. Он вносит временные разрывы в спирали, чтобы снять излишнюю спирализацию цепей, а затем восстанавливает их, чтобы избежать необратимых повреждений.

Наконец, после всех этих процессов нужно сделать небольшую уборку, если мы хотим, чтобы в ДНК не оставалось РНК или зазоров. ДНК-полимераза I, ещё одна участвующая в репликации полимераза, удаляет РНК-праймеры и заменяет их на ДНК. Разрывы, которые остаются после удаления праймеров, восстанавливаются ферментом ДНК-лигазой.

Итоги: репликации ДНК у бактерии E. coli

Давайте уменьшим масштаб и посмотрим, как ферменты и белки, участвующие в репликации, работают вместе, чтобы синтезировать новую ДНК.

На рисунке показана репликационная вилка. Хеликаза разматывает спираль, а белки связывающие одноцепочечную ДНК предотвращают повторное формирование спирали. Топоизомераза предотвращает слишком плотную спирализацию ДНК перед репликационной вилкой. ДНК-праймаза создает РНК-праймер, а ДНК-полимераза достраивает цепь ДНК на основе РНК-праймера. Синтез ДНК происходит только в направлении от 5'-конца к 3'-концу. На лидирующей цепи синтез ДНК происходит непрерывно. На отстающей цепи синтез ДНК возобновляется много раз, по мере раскручивания спирали, что приводит к появлению множества коротких фрагментов, называемых «фрагментами Оказаки». ДНК-лигаза соединяет фрагменты Оказаки в единую молекулу ДНК.

• Хеликаза раскрывает ДНК в репликационной вилке.

• Белки, связывающие одноцепочечную ДНК (их также называют SSB-белки), удерживают разделённые цепи ДНК вблизи репликационной вилки, предотвращая их обратное соединение.

• Топоизомераза работает перед вилкой репликации и предотвращает чрезмерное скручивание.

• Праймаза синтезирует РНК праймеры комплементарные цепи ДНК.

• ДНК полимераза III удлинняет праймеры, добавляя нуклеотиды к 3'-концу и создавая основную часть новой ДНК.

• РНК праймеры удаляются и заменяются на ДНК с помощью ДНК полимеразы I.

• Разрывы между фрагментами ДНК восстанавливаются ДНК лигазой.

Во время репликации, ДНК и рекомбинации ядерного материала в ней (сестринские хроматидные обмены, кроссинговер и др.) возможны «ошибки» в ДНК, и, как следствие этого, могут возникнуть мутации. Однако большинство «ошибок» и повреждений ДНК устраняется благодаря репарации – процессу, обеспечивающему исправление повреждений в ДНК.