Похожие презентации:
2 Организация и реализация наследственного материала в процессах жизнедеятельности
1.
Организация иреализация
наследственного
материала в процессах
жизнедеятельности
2. План лекции.
1. Исторические этапы изученияорганизации наследственного
материала.
2. Химическая организация
наследственного материала. Структура
ДНК. Свойства и функции
наследственного материала.
3. Этапы реализации наследственной
информации в клетке.
3. Единицей наследственности и изменчивости является ген. По современным представлениям ген – это участок молекулы ДНК, дающий
информацию осинтезе определенного
полипептида или нуклеиновой
кислоты.
4. Теория гена – это совокупность научных представлений о гене.
5. Этапы становления теории гена.
1. 1865 г. Мендель постулировал осуществовании в половых клетках
дискретных единиц –
наследственных факторов,
которые в 1909 г. шведский генетик
И. Иогансен назвал генами.
6.
2. Т. Морган и его школа в 1908 – 1916 гг.доказали локализацию генов в хромосомах.
Ген – это наименьший участок хромосомы.
В начале 20 века господствовало
представление о стабильности и
неизменяемости генов (А.Вейсман, У.
Бетсон), а если изменения происходят (Г. де
Фриз), то самопроизвольно независимо от
влияния среды.
Это ошибочное мнение было опровергнуто
получением индуцированных мутаций Т.А.
Надсоном и Г.С. Филипповым (1925) на
грибах и Г. Миллером (1927) на дрозофиле.
7.
3. Открытие сложного строения гена.Работы А.С. Серебровского и Н.Л.
Дубинина доказали, что ген делим.
Внутри гена есть нуклеотиды
способные к рекомбинации
(кроссинговеру) и мутации.
8.
По предложению С. Бензера единицурекомбинации стали называть
реконом, единицу мутации – мутоном.
При выполнении основной функции –
програмирование синтеза белка – ген
выступает как целостная единица. Эту
единицу Бензер назвал цистроном.
Рекон и мутон соответствуют
отдельному нуклеотиду – самой
маленькой единице генетического
материалла. А цистрон соответствует
фрагменту молекулы ДНК.
9.
В 20-е годы прошлого столетия былоустановлено, что хромосомы состоят
из белка и нуклеиновых кислот.
В 1928 г. Н.К. Кольцов предположил,
что функцию генов выполняют
белковые молекулы, и белки
способны к самовоспроизведению.
Однако в дальнейшем было
доказано, что носителем
генетической информации
является ДНК.
10. Основные положения теории гена.
1. Ген занимает определенный участок(локус) хромосомы.
2. Ген-цистрон – часть молекулы ДНК,
имеющий определенную
последовательность нуклеотидов,
представляет собой функциональную
единицу наследственности. Число
нуклеотидов в различных генах
неодинаково.
3. Внутри гена могут происходить
рекомбинации. К ней способны частицы
цистрона – реконы и мутации – мутоны.
11.
4. Существуют структурные ифункциональные гены. Структурные –
кодируют синтез белков. Функциональные
– контролируют и направляют
деятельность структурных генов и в
синтезе непосредственно не участвуют.
5. Молекулы ДНК входящие в состав генов
способны к репарации (восстановлению),
поэтому не всякие повреждения генов
ведут к мутациям.
6. Генотип (состоящий из отдельных генов)
функционирует как единое целое. На
функции генов оказывают влияние
факторы как внешней, так и внутренней
среды.
12. Свойства гена.
1. Ген дискретен – развитие отдельногопризнака контролируется
определенным геном.
2. Ген стабилен – как дискретная
единица наследственной информации
отличается постоянством и передается
в поколениях в неизменном виде.
3. Ген лабилен, т.е. под действием
факторов среды способен изменяться и
мутировать.
13.
4. Ген специфичен – каждый генобеспечивает развитие определенного
признака, так как в гене заключена
информация об аминокислотной
последовательности конкретного
полипептида.
5. Ген способен к множественному
плейотропному действию, т.е.
детерминирует синтез нескольких
полипептидных цепей.
14.
В начале 50-х годов прошлогостолетия, было доказано, что
ген – материальная единица
наследственности и
изменчивости, имеющая
определенную структурнофункциональную организацию.
15.
ДНК – материальный субстратнаследственности,
высокомолекулярное полимерное
соединение, мономерами которого
являются нуклеотиды.
16.
Нуклеотид состоит из 3-х компонентов:1. пятиуглеродный сахар –
дезоксирибоза;
2. остаток фосфорной кислоты;
3. одно из 4-х азотистых оснований
(аденин, тимин, гуанин, цитозин)
17. Схема строения нуклеотида
18. Нуклеотиды соединяются в полинуклетидную цепь с помощью фосфорно-диэфирных связей.
19. Схема соединения нуклеотидов в полинуклеотидную цепь
20.
Сборка осуществляется с помощьюфермента ДНК-полимеразы.
Каждый последующий нуклеотид
присоединяется к гидроксильной группе
стоящей в положении атома углерода 3'.
Начало цепи несет фосфатную группу в
положении 5‘. Это позволяет в
полинуклеотидной цепи выделить 5' и 3‘
концы.
21.
В структурной организации молекулы ДНКможно выделить первичную, вторичную и
третичную структуры.
22. Первичная структура – одинарная полинуклеотидная цепь.
23. Вторичная структура – две комплементарные друг другу и антипараллельные полинуклеотидные цепи, соединенные водородными связями.
24.
Третичная структураДНК – трехмерная
спираль.
Предложена в 1953
г. американским
биофизиком Дж.
Уотсоном и
английским
биофизиком Ф.
Криком.
25.
Данные рентгеноструктурногоанализа показали, что молекула
ДНК, состоящая из двух цепей,
образует спираль, закрученную
вокруг собственной оси.
Диаметр спирали составляет 2
нм, длина витка 3,4 нм. В
каждый виток входит 10 пар
нуклеотидов.
26.
Чаще всего двойные спиралиявляются правозакрученными – при
движении вверх вдоль оси спирали
они поворачиваются вправо.
Большинство молекул ДНК
находятся в правозакрученной Вформе (В-ДНК).
Однако встречаются и
левозакрученные формы (Z-ДНК).
Значение этой формы пока не
установлено.
27. Пространственные модели левозакрученной Z-формы (I) и правозакрученной В-формы (II) ДНК.
Пространственныемодели
левозакрученной Zформы (I) и
правозакрученной
В-формы (II) ДНК.
28.
Одним из важнейших свойств ДНКявляется способность к репликации.
В процессе репликации каждая из двух
цепей материнской молекулы служит
матрицей для дочерней.
После репликации вновь
синтезированная молекула ДНК
содержит одну «материнскую» цепочку,
а вторую «дочернюю» - вновь
синтезированную.
Такой способ самоудвоения называется
полуконсервативным.
29. Принцип полуконсер-вативной репликации ДНК
Принципполуконсервативной
репликации
ДНК
30.
Для матричного синтезановой молекулы ДНК
необходимо, чтобы старая
молекула была
деспирализована и вытянута
31.
С помощью фермента геликазыдвойная спираль ДНК в
отдельных зонах (репликонах)
расплетается.
Области расхождения
полинуклеотидных цепей в
зонах репликации называют
репликационными вилками.
32.
В каждой такой области с помощьюфермента ДНК-полимеразы
синтезируется ДНК двух новых
дочерних молекул.
В каждом репликоне ДНК – полимераза
может двигаться вдоль материнской
нити только в одном направлении (5' –
3'), поэтому процесс репликации при
антипараллельном соединении двух
цепей ДНК будет протекать по разному.
33.
На одной из матриц 3' – 5‘ сборка новойцепи происходит непрерывно от 5' к 3‘концу и она постепенно удлиняется на
3'-конце.
Другая цепь, синтезируемая на матрице
5' - 3‘ конце должна была бы расти от 3'
к 5‘-концу, но это противоречит
направлению действия фермента ДНКполимеразы.
34. Схема образования репликационной вилки ДНК
35.
В настоящее время установлено,что синтез второй цепи ДНК
осуществляется короткими
фрагментами, также в
направлении от 5' к 3‘-концу
(фрагменты Оказаки).
Фрагметы Оказаки сшиваются в
единую нить ферментом
лигазой.
36.
Из двух синтезируемыхдочерних цепей одна
строится непрерывно, ее
синтез идет быстрее – эту
цепь называют лидирующей.
Синтез другой идет
медленнее – поэтому такую
цепь называют
запаздывающей или
отстающей.
37. В связи с антипараллельностью цепей ДНК синтез дочерних цепей идет по разному: на лидирующей непрерывно, а на отстающей
собирается изфрагментов Оказаки.
38. Синтез лидирующих цепей в разнонаправленных вилках происходит на разных цепях материнской ДНК.
39.
Информация о первичнойструктуре белковой молекулы
закодирована в ДНК.
Система записи генетической
информации в ДНК (или иРНК) в
виде определенной
последовательности
нуклеотидов и соответствие им
определенных аминокислот
называется генетическим кодом.
40.
В 1954 г. Гамовым Г. высказанопредположение, что кодирование
информации должно осуществляться
сочетанием нескольких нуклеотидов.
Было выяснено, что в образовании
белка принимает участие 20
аминокислот.
Шифровку такого количества
аминокислот может обеспечить лишь
триплетный код, в котором каждая
аминокислота кодируется тремя
рядом стоящими нуклеотидами.
41. Свойства генетического кода.
1. Триплетность – одной аминокислоте вполипептидной цепочке соответствуют три
рядом расположенных нуклеотида;
минимальная единица функции – триплет
(кодон).
2. Вырожденность (избыточность) –
количество возможных триплетов 64 (61 –
кодирующие и 3 нонсес в ДНК АТТ, АЦТ,
АТЦ, в иРНК УАА, УГА, УАГ), а
аминокислот более 20, поэтому одну
аминокислоту может кодировать
несколько триплетов.
42. Генетический код иРНК.
УЦ
А
Г
У
Фен
Фен
Лей
Лей
Сер
Сер
Сер
Сер
Тир
Тир
Non 2
Non 1
Цис
Цис
Non 3
Три
У
Ц
А
Г
Ц
Лей
Лей
Лей
Лей
Про
Про
Про
Про
Гис
Гис
Глн
Глн
Арг
Арг
Арг
Арг
У
Ц
А
Г
А
Иле
Иле
Иле
Мет
Тре
Тре
Тре
Тре
Асн
Асн
Лиз
Лиз
Сер
Сео
Арг
Арг
У
Ц
А
Г
Г
Вал
Вал
Вал
Вал
Ала
Ала
Ала
Ала
Асп
Асп
Глу
Глу
Гли
Гли
Гли
Гли
У
Ц
А
Г
43.
3. Специфичность – каждыйтриплет кодирует только одну
аминокислоту.
4. Неперекрываемость – один
нуклеотид входит в состав только
одного триплета.
5. Универсальность – у всех
живых организмов одинаковые
триплеты кодируют одинаковые
аминокислоты.
44.
Наследственная информациязаписанная с помощью
генетического кода, хранится
в ДНК и размножается для
того, чтобы обеспечить
новые клетки генетическим
материалом, который
является «инструкцией» для
их нормального развития и
функционирования.
45.
Непосредственного участия ДНК всинтезе белка не принимает. Роль
посредника выполняет иРНК,
которая представляет собой
одиночную полинуклеотидную цепь.
Мономерами РНК являются также 4
вида нуклеотидов: адениловый,
гуаниловый, цитозиновый и вместо
тимилового – урациловый.
Вместо углевода дезоксирибозы в
состав нуклеотидов РНК входит
углевод рибоза.
46.
Различают:1. мРНК или иРНК (матричная или
информационная),
2. рРНК (рибосомальная)
3. тРНК (транспортная).
47. Этапы реализации наследственной информации в клетке.
1. Транскрипция. Подразделяетсяна 3 основные стадии –
инициацию (начало синтеза
мРНК), элонгацию (удлинение
полинуклеотидной цепи) и
терминацию (окончание
процесса).
48.
Для того, чтобы синтезировалсябелок с заданными свойствами,
происходит переписывание
информации с ДНК на иРНК.
Этот этап называется
транскрипцией. Синтез мРНК
начинается с обнаружения
ферментом РНК-полимеразой
особого участка нуклеотидной
последовательности –
промотора.
49.
После присоединения РНКполимераза расщепляет двойнуюцепочку ДНК и на одной из ее цепей
по принципу комплементарности
осуществляется синтез мРНК (иРНК).
В связи с тем, что РНК-полимераза
способна собирать полинуклеотид
лишь от 5' к 3' концу, матрицей для
транскрипции может служить только
одна из цепей ДНК, которая
обращена к ферменту своим 3'
концом (3' – 5'). Такая цепь
называется кодогенной.
50. Схема синтеза мРНК
51.
Построение комплементарнойиРНК будет идти до тех пор
пока не встретится
специальная
последовательность
нуклеотидов – терминатор. На
этом участке синтезированная
мРНК отделяется от
материнской ДНК.
52.
На этом участке синтезированнаямРНК отделяется от материнской
ДНК. Фрагмент молекулы ДНК
включающий промотор,
транскрибируемую часть,
терминатор образует единицу
транскрипции – транскриптон.
Тройки рядом стоящих
нуклеотидов ДНК называются
кодонами.
53.
2. Трансляция как очереднойэтап реализации генетической
информации заключается в
синтезе полипептида на
рибосоме, при котором в
качестве матрицы
используется молекула мРНК.
Процесс подразделяется на 3
стадии – инициацию,
элонгацию и терминацию.
54.
В процессе трансляцииучаствуют также молекулы
тРНК, функция которых состоит
в транспортировке аминокислот
из цитоплазмы к рибосомам.
тРНК приносят аминокислоты в
большую субъединицу
рибосомы.
55.
Молекула тРНК представляетсобой полинуклеотидные
цепи, синтезируемые на
определенных участках ДНК,
имеет сложную конфигурацию,
напоминающую по форме
лист клевера.
56.
В ней выделяют 4 главные части:1. акцепторный стебель –
одноцепочечный участок, который
заканчивается
последовательностью нуклеотидов
ЦЦА со свободной ОН группой. К
этому концу присоединяется
транспортируемая аминокислота,
2. три петли, средняя из этих петель
антикодоновая – состоит из 5-ти
нуклеотидов и содержит в центре
антикодон.
57.
Антикодон – это три нуклеотида,которые шифруют аминокислоту,
транспортируемую к месту
синтеза белка.
58. Строение типичной молекулы тРНК
59.
В ней выделяют 4 главные части:1. акцепторный стебель –
одноцепочечный участок, который
заканчивается
последовательностью нуклеотидов
ЦЦА со свободной ОН группой. К
этому концу присоединяется
транспортируемая аминокислота,
2. три петли, средняя из этих петель
антикодоновая – состоит из 5-ти
нуклеотидов и содержит в центре
антикодон.
60.
Установлено такжесуществование нескольких
видов тРНК, способных
соединяться с одним и тем же
кодоном. В результате в
цитоплазме клеток встречается
не 61 (по количеству кодонов), а
около 40 различных молекул
тРНК.
61.
Каждая тРНК может переноситьтолько свою аминокислоту.
Процесс узнавания своей
аминокислоты молекулой тРНК
называется рекогницией.
62.
Аминокислота присоединяется каденину триплета ЦЦА с
помощью фермента аминоацил
– тРНК-синтетазы. Образуется
комплекс аминоацил тРНК. Для
инициации трансляции важное
значение имеет структурная
организация рибосом, которые
участвуют в синтезе первичной
структуры белка.
63.
Рибосомы состоят из двух субъединицбольшой и малой. В рибосомах
выделяют два участка: аминоацильный
(А) – в этом участке располагается
аминоацил тРНК, центр узнавания
аминокислот, несущий определенную
аминокислоту; и пептидальный (П) –
центр образования пептида, где
располагается обычно тРНК
нагруженная цепочкой аминокислот.
Образование А и П участка
обеспечивается обеими субчастями
рибосом.
64.
Фаза инициации заключается вобъединении двух субъединиц
рибосом на определенном
участке мРНК и присоединении к
ней первой аминоацил-тРНК.
Этим задается рамка
считывания.
65.
Функциональная особенность Пучастка состоит в том, что он может
быть занят только инициирующей
аминоацил-тРНК с антикодоном УАГ,
который у эукариот несет
аминокислоту метионин, а у
прокариот – формилметионин. К
концу фазы инициации П участок
занят аминоацил тРНК, в участке А
располагается следующий за
стартовым кодон.
66. Начальные этапы трансляции: А – инициирующий комплекс, Б – элонгация.
67.
Фаза элонгации тРНК саминокислотой подходит к
аминоацильному центру
рибосомы, если антикодон
тРНК комплементарен кодону
иРНК, то происходит временное
соединение тРНК с
аминокислотой к кодону иРНК.
68.
После этого рибосомапередвигается на один кодон
иРНК и тРНК с аминокислотой
перемещается в пептидальный
центр, а к освободившемуся
аминоацильному центру
приходит новая тРНК.
С помощью ферментов
находящихся в рибосоме
устанавливается пептидная
связь между аминокислотами.
69.
Одновременно разрушаетсясвязь между первой
аминокислотой и ее тРНК, а
также тРНК и иРНК, тРНК уходит
из рибосомы. Рибосома опять
перемещается на один триплет
и процесс повторяется.
70.
Считывание информации идет водном направлении 5' - 3‘.
Так постепенно наращивается
молекула полипептида, в
которой аминокислоты
располагаются в строгом
соответствии с порядком
кодирующих триплетов
(колинеарность).
71.
Сборка пептидной цепиосуществляется с достаточно
большой скоростью,
зависящей от температуры. У
прокариот при температуре
0
37 к полипептиду
добавляется в одну секунду
до 12-17 аминокислот, у
эукариот 2.
72.
Фаза терминации. Терминациятрансляции связана с
вхождением одного из трех стопкадонов мРНК (УАА, УАГ, УГА) в А
участок рибосомы. Так как такой
триплет не несет информации о
какой-либо аминокислоте, но
узнается соответствующими
белками терминации, то процесс
синтеза полипептида
прекращается и он
отсоединяется от матрицы мРНК.
73.
После выхода из рибосомысвободный 5' конец мРНК может
вступить в контакт со
следующей рибосомой, образуя
полисомы и инициируя синтез
идентичного полипептида.
74.
Таким образом переносгенетической информации
осуществляется по схеме:
ДНК
РНК
БЕЛОК
Это сложившееся представление
о переносе генетической
информации принято называть
центральной догмой
молекулярной биологии.
75. Основные направления внутриклеточного переноса генетической информации
76.
Нарядус
этим
наиболее
распространенным
направлением
переноса
известна
и
другая
форма
реализации
генетической
информации
(специализированный перенос).
Эта форма переноса обнаружена
у РНК содержащих вирусов.
77.
В этом случае наблюдаетсяпроцесс, получивший название
обратной транскрипции.
При обратной транскрипции
вирусная РНК проникает в клетку
хозяина и служит матрицей для
синтеза комплементарной ДНК.
78. ДНК синтезируется с помощью фермента обратной транскриптазы (ревертазы), кодируется вирусным геномом. В дальнейшем возможна
реализация информациисинтезированной вирусной ДНК
в обычном направлении.
79.
Следовательно,специализированный перенос
генетической информации
осуществляется по схеме:
РНК
ДНК
РНК
белок.