Structura și proprietățile ARN.
Structura și proprietățile chimice ale ADN.
Note de curs nr. 2
Subiect: Baza moleculară a eredității.
ADN-ul este purtătorul de informații ereditare.
Concepte cheie și cuvinte cheie pentru acest subiect:
Acid nucleic Nucleotida
Înlocuirea bazei azotului
Gene genetice de informare
Transcriere Codul genetic
Codon, anticodon genetic
Biosinteza aminoacizilor de proteine
ADN - acid deoxiribonucleic - o macromolecule biologică, purtător de informații genetice în toate celulele eucariote și procariote și în numeroși viruși.
În 1928 sa născut. F. Griffith a descoperit fenomenul de transformare a pneumococilor (transformarea proprietăților bacteriilor). Natura agentului de transformare a fost stabilită de Avery, McLeod și McCarthy în 1944. a fost ADN. Astfel, descoperirea și studiul transformării au demonstrat rolul ADN-ului ca purtător de materiale al informațiilor ereditare.
Un model tridimensional al structurii spațiale a ADN-ului dublu catenar a fost descris în Jurnalul Natura al Naturii în 1953 ᴦ. J. Watson, Francis Crick și Maurice Wilkins. Aceste studii au constituit baza biologiei moleculare, care studiază proprietățile de bază și manifestările vieții la nivel molecular.
Structura ADN-ului este un polimer, a cărui unitate structurală este nucleotida.
O nucleotidă constă dintr-o purină bază azotată: adenină (A) sau guanină (G) sau o pirimidină: tsitonin (U) sau timină (T), dezoxiriboză carbohidrat (inel zahăr cinci carbon) și un rest de acid fosforic (NRA - 3). Dublul helix al ADN-ului este drept. 10 perechi de baze constituie un total de 360 o. prin urmare, fiecare pereche de baze este rotită cu 36 de grade în jurul spiralei în raport cu perechea următoare. Grupările fosfatice sunt situate în afara spiralelor, iar bazele sunt în interiorul și localizate la un interval de 34 nm. Lanțurile sunt ținute împreună prin legături de hidrogen între baze și răsucite una în cealaltă și în jurul axei comune.
A = T; T = C sau A + T / T + T = 1
Nucleotidele conectate ?? enes într-o catenă polinucleotidică legături între „poziția unuia pentoză și capătul 3“ 5 a următorului ciclu pentoză, prin intermediul unui grup de fosfat pentru a forma un punți fosfodiesterice, ᴛ.ᴇ. Gama de glucoză-fosfat a ADN-ului este formată din legături 5 '- 3'. Informațiile genetice sunt înregistrate într-o secvență de nucleotide în direcția de la capătul 5 'la capătul 3' - un astfel de fir este în mod obișnuit denumit ADN sens, aici sunt localizate genele. Cea de-a doua direcție a direcției 3'-5 'este considerată antisens, dar este necesar' '' 'pentru stocarea informațiilor genetice. Striația antisens joacă un rol important în procesele de replicare și reparație (restabilirea structurii ADN-ului deteriorat). Bazele din firele antiparalene formează perechi complementare datorate legăturilor de hidrogen: A + T; G + C. Tᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, structura unui filament determină secvența nucleotidelor unui alt fir. Prin urmare, secvențele de bază în lanțurile ADN sunt întotdeauna antiparalerale și complementare.
Principiul complementarității este universal pentru procesele de replicare și transcriere.
Mai multe modificări ale moleculei ADN au fost descrise astăzi. Polimorfismul ADN - ϶ᴛᴏ Capacitatea unei molecule de a-și asuma o configurație diferită.
Cunoașterea structurii și funcției ADN-ului este extrem de importantă pentru înțelegerea esenței unor procese genetice care sunt matrice. A fost clar că ADN-ul în sine nu poate juca rolul unei matrice în sinteza proteinelor din aminoacizi, aproape toate sunt în cromozomii localizați în nucleu, în timp ce majoritatea, în cazul în care nu toate, proteinele celulare sunt sintetizate în citoplasmă. Tᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, informația genetică cuprinsă în ADN trebuie dată unei anumite molecule intermediare care ar fi transportată la citoplasmă și implicată în sinteza lanțurilor polipeptidice. Presupunerea că o astfel de moleculă intermediară ar trebui să fie ARN a fost considerată serios imediat după ce a fost descoperită structura ADN-ului dublu helix. Mai întâi de toate, celulele care sintetizează o cantitate mare de proteine conțin o mulțime de ARN. În al doilea rând, mai important, se părea că sugar''skel ?? ety „“ ADN si ARN sunt foarte asemănătoare și ar fi ușor de imaginat cum sinteza ARN componente unice pe un ADN monocatenar pentru a forma molecule hibride instabile, dintre care un fir este reprezentat de ADN, un alt ARN. Relația dintre ADN, ARN și proteină în 1953. au fost prezentate sub forma următoarei scheme:
Replicare ADN --------- → ARN --------- → proteine,
unde catenele ADN unice servesc drept matrice în sinteza moleculelor ADN complementare (replicare). La rândul său, moleculele de ARN servi ca modele pentru conectarea secvențial ?? Eniya aminoacizi pentru a forma catene polipeptidice într-un proces numit așa because''tekst „“ in''yazyke scris „“ nucleotide convertite (tradus) amino acid''yazyk „“. Un grup de nucleotide care codifică un aminoacid este numit în mod obișnuit un codon.
ARN - acidul ribonucleic "are multe în comun cu structura ADN, dar diferă de acesta printr-o serie de caracteristici:
q Carbohidratul ARN, la care sunt atașate bazele purinice sau pirimidinice și grupările fosfat, este riboza;
q, ARN, precum și compoziția ADN, includ bazele azotate adenină, guanină și citozină. Dar ARN nu conține timină, locul său în molecula ARN este ocupat de uracil;
q ARN este o moleculă mono-catenară;
q deoarece molecula ARN este monocatenară, regula Chartgaff stabilită pentru ADN nu poate fi satisfăcută de un conținut egal de bază.
acid ribonucleic (ARN), prezentă în celulele atât pro cât și eucariote, sunt de trei tipuri de bază: ARN mesager (ARNm), ARN ribozomal (ARNr) și ARN de transfer (ARNt).
Nucleul celulelor eucariote conține ARN din cel de-al patrulea tip, un ARN nuclear heterogen (g-ARN), care este o copie exactă (transcripție) a ADN-ului corespunzător.
Moleculele de ARNm recunosc tripletul corespunzător (codon în ARNm) în citoplasmă și transportă aminoacidul dorit în lanțul de polipeptide în creștere. Recunoașterea codonului în ARNm este efectuată prin intermediul a trei baze consecutive în tARN, numite anticodone. Se crede că pentru fiecare aminoacid există cel puțin un tARN.
Codul genetic este un sistem unificat pentru înregistrarea informațiilor ereditare în molecule de acid nucleic ca o secvență de nucleotide. Codul genetic se bazează pe utilizarea alfabetului format din toate cele patru litere-nucleotide, care diferă în bazele de azot: A, T, C, D. În 1954 s-au făcut încercări de a descifra codul genetic. G. Gamow. principalele proprietăți ale tripletului și degenerării codului au fost dezvăluite în 1961 ᴦ. F. Creek și S. Brenner.
În 1961 ᴦ. Prima secvență triplă a fost descifrată pentru prima dată. Un sistem care conține ARNm artificial, constând doar din nucleotide de uracil, a sintetizat un lanț polipeptidic constând numai din fenilalanină (în codul ADN pentru acesta ar trebui să existe un triplet complementar de nucleotide - AAA). Până în 1965 ᴦ. întregul cod genetic a fost descifrat. Din 64 de codoni, cei trei codoni ai UAG, UAA, UGA nu codifică aminoacizii, s-au numit codoni de nonsens. Mai târziu, sa arătat că aceștia sunt codoni terminali.
Astăzi, determinarea secvențelor nucleotidice ale ADN și ARN este efectuată folosind o metodă specială - secvențierea.
Proprietățile codului genetic.
1. Codul genetic al tripletului. Triplet (codon) este o secvență de trei nucleotide care codifică un aminoacid.
2. degenerării codului genetic, datorită faptului că un aminoacid poate fi codificat de mai mulți tripleți (aminoacizi - 20 si tripleti - 64), cu excepția metionină și triptofan, care sunt codificate de un singur triplet. Trei triplete de semnale UAA, UAG, UGA - ϶ᴛᴏ (codoane terminatoare), oprindu-se sinteza lanțului polipeptidic. Tripletul corespunzător metioninei (AUG) îndeplinește funcția de inițiere (excitație) a citirii și nu codifică aminoacidul, dacă este la începutul lanțului ADN.
3. Unicitatea - la fiecare codon dat corespunde un singur aminoacid definit.
4. Codul genetic nu se suprapune - procesul de citire a codului genetic nu permite posibilitatea suprapunerii codonilor. Pornind de la un codon specific, citirea următorului se face fără omitere până la codonii nonsens.
5. Codul genetic este universal, ᴛ.ᴇ. toate informațiile din genele nucleare pentru toate organismele care posedă niveluri diferite de organizare sunt codificate identic.
Procese matrice în celulă.
Există trei tipuri de procese de matrice în celule: replicare, transcriere și traducere.
Principala semnificație funcțională a procesului de replicare a ADN-ului este furnizarea de informații genetice copiilor, care trebuie transmise în întregime și cu o precizie foarte mare.
Replicarea este dublarea ADN, care apare în faza sintetică (S) a interfazei înainte de fiecare celulă.
Replicare conservatoare. Molecucul original de ADN dublu catenar servește ca un șablon pentru formarea unei molecule complet dublu-catenare, care se completează pe molecula originală.
Replicarea semiconservativă. Două fire de ADN sunt țesute (ca un fermoar). Fiecare lanț servește ca o matrice pentru formarea unei noi. În timpul replicării, molecula ADN este separată treptat de o enzimă specială în două jumătăți în direcția longitudinală. Deoarece nucleotidele moleculei care este separată sunt deschise, nucleotidele libere sintetizate imediat în citoplasmă se leagă imediat. Ca urmare, fiecare jumătate de helix devine din nou întregă și în loc de o moleculă se obțin două, datorită cărora cromozomul devine două ritmice.
Dispersie de replicare. ADN-ul inițial se descompune în fragmente scurte, cu lungime diferită, folosite ca matrici pentru a construi fragmente de două noi elicoidale duble, care apoi sunt reconstruite într-o structură cu o singură moleculă. Formate molecule de ADN conțin fragmente vechi și noi.
În 1955 ᴦ. A. Kornberg și colegii săi de la Universitatea Stanford au descoperit o enzimă care asigură replicarea ADN-ului și o numea polimerază.
În stadiul actual, ADN-polimerazele I, II, III au fost izolate între enzimele implicate în sinteza ADN-ului. care dețin 5 '- 3' activitate de polimerază.
Deoarece ADN-polimerazele catalizează replicarea numai în direcția 5 '→ 3', iar lanțurile ADN parentale sunt antiparalerale, doar unul din lanțurile noi este sintetizat continuu. Acest lanț este numit lider. Al doilea lanț, numit cel întârziat, este sintetizat sub formă de fragmente de fragmente de ADN - Okazaki. care în eucariote au o secvență de 100-200 nucleotide. Aceste fragmente sunt ligate (reticulate) cu gaz polinucleotidic și se formează un lanț continuu. Acest proces se numește maturizare. Sinteza fiecărui fragment de Okazaki (3 '→ 5') începe pe un mic fragment de ARN (aproximativ 10-60 nucleotide), care este îndepărtat chiar înainte de sfârșitul citirii fragmentului. Acesta este așa-numitul primer sau grund.
În fiecare celulă umană aflată sub influența diverșilor factori, mii de modificări aleatorii apar zilnic în ADN și, într-un an, se acumulează în fiecare celulă un număr foarte mic de modificări stabile în secvența nucleotidică a ADN-ului. Dintre substituțiile aleatorii multiple ale bazelor din ADN, numai unul pe mie duce la o mutație. Toate celelalte leziuni sunt foarte eficient eliminate în procesul de reparare a ADN-ului. Mecanismul de reparare (vindecarea daunelor ADN) se bazează pe faptul că molecula de ADN are două copii ale informațiilor genetice, una în fiecare dintre componentele moleculei. Calea principală de reparare include trei etape:
1. Regiunea modificată a lanțului ADN deteriorat este recunoscută și îndepărtată de nucleaza de reparare a ADN-ului. În acest punct apare o spărtură în spirala ADN;
2. ADN polimeraza și glicozilaza umple acest spațiu prin atașarea nucleotidelor unul câte unul, copiind informațiile din filamentul holistic;
3. ADN-ligaza "cusăturile" discontinuitățile și completează restaurarea moleculei.
Transcrierea (rescrierea) - sinteza pe matricea DNK a ARNm (produsul primar al genei), efectuată în nucleul de pe direcția sensului ADN, care este într-o stare relaxată. Aceasta este prima etapă a sintezei proteinelor. ARN-ul matricei (mRNA) conține o instrucțiune genetică pentru sinteza unei polipeptide specifice și o transferă într-o celulă de sinteză a proteinelor proteice situată în ribozomii citoplasmei celulelor.
Pentru inițierea transcrierii, este extrem de important să existe un sit special în ADN numit promotor. Când polimeraza ARN se leagă la un promotor, helixul dublu ADN este localizat și se formează o regiune promotor deschisă.
Alungirea (alungirea) lanțului ARN este etapa de transcriere care apare după atașarea a 8 ribonucleotide. Polimeraza ARN în mișcare de-a lungul lanțului de ADN acționează ca un dispozitiv de fixare cu trăsnet, dezvăluind o dublă helix care se închide în spatele enzimei, pe măsură ce bazele ARN corespunzătoare se compund cu bazele ADN.
Terminarea (terminarea creșterii) lanțului ARNm apare la situsuri specifice ale ADN numite terminatoare.
Procesul de formare a moleculelor ARN mature de la precursori este denumit în mod obișnuit prelucrare. ca urmare a faptului că moleculele suferă modificări la capetele 5 '→ 3' și splicing. Splicarea ARN-ului nuclear eterogen este îndepărtarea secvențelor ARN corespunzătoare intronilor ADN și legarea regiunilor cu secvențe de exon transcris.
Traducerea este procesul de traducere a informațiilor genetice ale ARNm în structura unei polipeptide. Aceasta este a doua etapă a sintezei proteinelor, efectuată prin policondensare secvențială a resturilor individuale de aminoacizi, pornind de la capătul amino terminal al catenei polipeptidice până la capătul carboxil.
ARN matrice matură intră în citoplasmă, unde se efectuează procesul de translație - decodarea ARNm în secvența de aminoacizi a proteinei. Procesul de decodificare are loc de la 5 '→ 3' și are loc în ribozomi. Complexul de ARNm și ribozomi este de obicei numit polisom.
Traducerea începe cu codul ASC vechi, care, atunci când este localizat în partea semantică a genei structurale, codifică metionina aminoacidului. Fiecare aminoacid oferă polisomului un ARN de transport (tRNA) specific pentru acest aminoacid. ARNr acționează ca un intermediar între codonul mRNA și aminoacidul. Moleculele de ARNm recunosc tripletul corespunzător (codon în ARNm) în citoplasmă în conformitate cu principiul de împerechere a bazelor azotate complementare. tRNA, care se apropie de o mică subtitrare, formează o legătură codon-anticodon, în timp ce transmite simultan aminoacidul său în regiunea aminoacil (A-site) la o subunitate mare. La codonul AUG, este adecvat un anti-codon al acelei tARN care este metionină transmisă. Din acest motiv, metionina este livrată mai întâi la ribozom. Mai mult, codonul AUC trece la porțiunea peptidil a subunității mari (situsul P). Ca urmare a acestor procese, se formează un complex de inițiere a ribozomului.
Terminarea (sfârșitul sintezei) apare la comanda codonilor UAA, UAG, UGA. În natură, nu există astfel de molecule de tARN, anticodonii cărora corespund acestor codoni.
Reacția în lanț a polimerazei (PCR) a fost descoperită în 1984. Cary
B. Müllis. Se bazează pe faptul că lanțurile noi de sinteză de acizi nucleici pot servi ca matrici în următoarele cicluri de replicare:
q ADN dublu catenar este divizat în lanțuri cu catenă unică după încălzire și într-o astfel de stare poate servi ca un model pentru replicare;
• Lanțurile de ADN monocatenare sunt incubate în prezența ADN polimerazei și o soluție care conține un amestec din toate cele 4 nucleotide, precum și secvențe ADN specifice (primeri), care conduc la sinteza copiilor a două molecule de ADN.
Metoda PCR are o sensibilitate foarte ridicată: permite detectarea în eșantion a întregii molecule de ADN prezente în ea. Metoda a fost utilizată pe scară largă în diagnosticul prenatal al bolilor ereditare, în detectarea infecțiilor virale, precum și în medicina medico-legală, deoarece permite efectuarea unei "dactiloscopii" genetice chiar și pe o singură celulă.
Citiți de asemenea
Metoda moleculară-genetică Metoda biochimică Metodele biochimice se bazează pe studiul activității sistemelor enzimatice (fie prin activitatea enzimei în sine, fie prin numărul de produse de reacție finale catalizate de aceasta.
Metodă modulară de diagnosticare. Esența metodei este copierea multiplă a fragmentelor ADN (ARN) ale agentului patogen printr-o polimerază ADN de fermentare. Reacția trece mai multe cicluri, ca urmare a creșterii numărului de copii exacte ale fragmentelor de ADN (ARN) și. [citeste mai mult].
Principiul metodei: Materialul investigat suferă un tratament special la care se produce liza celulelor patogene cu eliberarea ADN-ului. O parte din material este transferată într-un tub care conține un amestec de mononucleotide, ADN polimerază și un primer - o secvență unică. [citeste mai mult].