Лекции 1. Роль ДНК. Репликация ДНК

1.

Роль ДНК в хранении и передаче
наследственной информации.
Репликация ДНК
Брюшинина Ольга Сергеевна
кандидат биологических наук,
доцент кафедры биологии и генетики

2.

Структура дисциплины «Медицинская биология»
1 семестр
Раздел 1. Медицинская паразитология
Раздел 2. Молекулярные основы наследственности
2 семестр
Раздел 3. Цитологические основы наследственности
Раздел 4. Закономерности наследственности и изменчивости
Раздел 5. Генетика человека
Промежуточная аттестация – экзамен (летняя сессия)

3.

Литература
Биология: учебник
для студентов:
в 2-х томах
под ред. В. Н. Ярыгина,
2020
Молекулярные основы
наследственности
Учебное пособие
О.В. Воронкова и соавт., 2021
Медицинская
паразитология
Учебное пособие
О.В. Воронкова и соавт.,
2019
Атлас паразитов
человека и их
переносчиков
Н.А. Королёва и соавт.,
2017

4.

Доступ к электронным ресурсам библиотеки СибГМУ
На странице «Электронные ресурсы
СибГМУ» выбрать последнюю строчку
«Электронные полки»
На главной странице ssmu.ru в разделе «Студенту»
выбрать «Электронные ресурсы»
На странице «Электронные полки» выбрать
нужный факультет, курс и название дисциплины
«Биология».
Учебники и учебные пособия будут доступны для
чтения и скачивания после авторизации (логин и
пароль указан на вашем читательском билете).

5.

Молекулярные основы наследственности.
Структура и свойства нуклеиновых кислот.
Репликация ДНК
План лекции
Раздел
1.
Доказательства
роли
ДНК
в
хранении
наследственной информации
Раздел 2. Химия и строение нуклеиновых кислот
Раздел 3. Характеристика процесса репликации ДНК
Раздел 4. Этапы репликации ДНК: инициация, элонгация,
терминация

6.

История открытия и исследования
нуклеиновых кислот
1869 год: Фридрих
Мишер обнаружил
нуклеиновые кислоты и
дал им название
(нуклеус – ядро)
1953 год:
Розалинда
Франклин
установила
спиральную форму
ДНК с помощью
рентгеноструктурного анализа
1950 год: Эрвин
Чаргафф изучил
нуклеотидный состав
ДНК (правило
Чаргаффа)
1953 год: Джеймс
Уотсон и Френсис
Крик установили
расположение
частей молекулы
ДНК в форме
двойной спирали

7.

Раздел 1. Доказательства роли ДНК в хранении
наследственной информации
Опыты Фредерика Гриффита (1928 год) по обнаружению
явления трансформации у пневмококков (Streptococcus
pneumonia)
2 типа пневмококков:
▪ S-тип: окружены ЛПС
(липополисахарид) капсулой, образуют
крупные гладкие колонии (от англ.
smooth — гладкий) – ПАТОГЕННЫ,
содержат поверхностный антиген IIIS
▪ R-тип: безкапсульные, образуют
мелкие шероховатые колонии (от англ.
rough — шероховатый) – НЕПАТОГЕННЫ,
содержат поверхностный антиген IIR

8.

Схема опыта Ф. Гриффита
Непатогенный
штамм
Патогенный
штамм
Патогенный
штамм после
нагревания
Микствариант
Эксперименты Ф. Гриффита выявили существование некоего
«трансформирующего начала», превращающего клетки пневмококков
типа IIR в клетки типа IIIS

9.

Опыты О. Эвери, К. Маклеода и М. Маккарти (1944 год)
Выделили растворимое в
водно-солевом растворе
вещество из убитых
нагреванием патогенных
пневмококков типа IIIS
Разделили
вещество на
порции
ДНК-аза
IIR
РНК-аза
IIR
Протеаза
IIR
Обработали
ферментами
Добавили к
непатогенному
IIR - штамму
Шероховатые колонии
= IIR - штамм
Трансформации НЕТ
Гладкие колонии =
IIIS –штамм
Трансформация ЕСТЬ
ВЫВОД: генетическая информация, кодирующая капсульный ЛПС и его
антигенную специфичность, находится именно в ДНК

10.

Опыты А. Херши и М.Чейз (1952 год)

11.

Схемы опытов А.Херши и М.Чейз
Белок капсида фага Т2 помечали
радиоактивным изотопом серы S35,
добавляли фаг Т2 к клеткам E.coli для
абсорбции, резко встряхивали и
центрифугировали раствор
ДНК фага Т2 помечали
радиоактивным изотопом фосфора
Р32, добавляли фаг Т2 к клеткам E.coli
для абсорбции, резко встряхивали и
центрифугировали раствор
Радиоактивным оказался
супернатант
Радиоактивным оказался
осадок

12.

Раздел 2. Химия и строение нуклеиновых кислот
Рибоза
Дезоксирибоза
Сахар
Азотистые
основания

13.

Раздел 2. Химия и строение нуклеиновых кислот
А
Г
Ц
У
РНК
Фосфодиэфирная связь

14.

Раздел 2. Химия и строение нуклеиновых кислот
Первичная структура ДНК - нуклеотиды соединяются друг с другом 3’,5’фосфодиэфирной связью. Фосфат связывает 3’-ОН группу одного нуклеотида
с 5’-OH группой другого нуклеотида.
Вторичная структура ДНК
• Двойная спираль, состоящая из двух
полинуклеотидных цепей
• Цепи комплементарны,
антипараллельны и закручены в
спираль вокруг общей оси
• На один виток спирали приходится
10 пар оснований, расстояние между
нуклеотидами 0,34 нм
• Диаметр спирали составляет 2 нм
• Сахарофосфатный остов
расположен снаружи (заряжен
отрицательно), азотистые основания
находятся внутри спирали и
располагаются стопкой друг над
другом

15.

Раздел 2. Химия и строение нуклеиновых
кислот
Правила Чаргаффа
Количество пуриновых оснований (A+Г) в молекуле ДНК
всегда равно количеству пиримидиновых оснований (Т+Ц)
Количество аденина равно количеству тимина [А=Т, А/Т= 1];
количество гуанина равно количеству цитозина [Г=Ц, Г/Ц=1]
Соотношение количества гуанина и цитозина в ДНК к
количеству аденина и тимина является постоянным для
каждого вида живых организмов: [(Г+Ц)/(А+Т)=К, где К коэффициент специфичности]

16.

Раздел 2. Химия и строение нуклеиновых кислот
Цепи ДНК антипараллельны
Противоположная направленность двух
нитей двойной спирали ДНК - одна нить
имеет направление от 5' к 3', другая - от 3'
к 5'.
и полярны
Каждая цепь ДНК имеет определенную
ориентацию.
Один
конец
несет
гидроксильную
группу
(ОН),
присоединенную к 3'-углероду в сахаре
дезоксирибозе, на другом конце цепи
находится остаток фосфорной кислоты в
5'-положении сахара.
Ферменты, синтезирующие новые нити
ДНК и называемые ДНК-полимеразами,
могут передвигаться вдоль матричных
цепей лишь в одном направлении
от 3'-конца к 5'-концу

17.

Раздел 2. Химия и строение нуклеиновых кислот
Связи, стабилизирующие вторичную структуру ДНК:
•Водородные связи
между
комплементарными
азотистыми
основаниями
•Стэкингвзаимодействиями,
которые возникают
между плоскими
азотистыми
основаниями

18.

Раздел 2. Химия и строение нуклеиновых кислот
Формы спирали ДНК
А ДНК правозакрученная спираль,
короткая и широкая; шаг 2,3 А; 1 виток - 11 пар
оснований.
В ДНК - правозакрученная
спираль, длиннее и тоньше,
шаг - 3,32 А; 1 виток - 10 пар
оснований.
Z ДНК - левозакрученная
спираль, самая длинная и
самая тонкая; шаг - 3,8 А; 1
виток - 12 пар оснований

19.

Раздел 3. Характеристика процесса
репликации ДНК
Репликация (удвоение) (от лат. replicatio —
возобновление) — процесс синтеза дочерней
молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты на
матрице родительской молекулы ДНК

20.

Предполагаемые способы репликации ДНК
Полуконсервативный
способ
Консервативный
способ
Дисперсный
способ
Материнские цепи обозначены красным цветом
Вновь синтезированные (дочерние) цепи обозначены синим цветом

21.

Доказательство полуконсервативного
способа репликации ДНК
Мэтью Стенли Мезельсон (1930)
— американский учёный-генетик
и молекулярный биолог
Франклин Уильям Сталь (1929) —
американский молекулярный
биолог и генетик

22.

Полуконсервативный способ
репликации ДНК

23.

Способ репликации – ПОЛУКОНСЕРВАТИВНЫЙ
Эксперименты М. Мезельсона и Ф. Сталя (1958)

24.

Эксперименты М. Мезельсона и Ф. Сталя (1958)
Метод равновесного ультрацентрифугирования в градиенте
плотности хлористого цезия (CsCl)

25.

Эксперименты по визуализации процесса
репликации у бактерий E.coli методом
авторадиографии (Джон Кэрнс, 1963)
Репликация у бактерий
происходит
полуконсервативным
способом одновременно в
двух направлениях
Авторадиограмма делящейся хромосомы E coli.
Визуализация при помощи тимидина, меченного
тритием (стрелками обозначены репликативные
вилки)

26.

Биологический смысл репликации ДНК:
копирование генетической информации для переноса
ее следующей генерации клеток
Репликация происходит с помощью полуконсервативного
синтеза:
• двойная спираль раскручивается
• каждая родительская цепь служит в качестве матрицы
для синтеза дочерней цепи
• в ходе синтеза дочерних цепей возникают новые
комплементарные пары
• в результате репликации образуются две новые
одинаковые дочерние цепи

27. Этапы Репликации

• 1. Инициация (начало)
• 2. Элонгация (удлинение цепи)
• 3. Терминация (окончание синтеза)

28.

Точка «ori» - точка начала репликации - участок
ДНК с высокой концентрацией пар азотистых
оснований аденин-тимин (АТ)
Репликон - молекула
или участок ДНК,
реплицирующийся из
одной точки начала
репликации

29.

Репликация у эукариот является
полирепликонной – начинается одновременно в
нескольких локусах (точках ori)

30.

Репликация у эукариот
Несколько
репликонов
одновременно
• Частота ошибок при ДНКрепликации не превышает 1
на 109–1010 нуклеотидов.
• Скорость репликации
составляет порядка 45 000
нуклеотидов в минуту, а
родительская вилка
вращается со скоростью 4500
об/мин.
• Репликация в ходе клеточного
цикла происходит
ограниченное количество
раз, затем клетка погибает

31.

Репликация ДНК обеспечивается
координированной работой ряда ферментов
ДНК–полимераза
–
фермент,
катализирующий
полимеризацию
дезоксирибонуклеотидов на матрице ДНК по принципу комплементарности
ДНК–лигаза – фермент, катализирующий образование фосфодиэфирных
связей между 5‘-фосфорильной и 3‘-гидроксильной группами соседних
дезоксирибонуклеотидов в местах разрыва двухцепочечной ДНК
ДНК–хеликаза
одинарные
– фермент, разделяющий цепи двухцепочечной ДНК на
ДНК–топоизомераза – фермент, изменяющий степень сверхспиральности
ДНК путем внесения одноцепочечных разрывов в ДНК
ДНК–праймаза – это фермент РНК-полимераза, синтезирующий короткий
фрагмент
РНК,
называемый
праймером,
комплементарный
одноцепочечной матрице ДНК.

32.

Репликация ДНК обеспечивается координированной
работой ряда ферментов
ДНК–полимераза
–
фермент,
катализирующий
полимеризацию
дезоксирибонуклеотидов на матрице ДНК по принципу комплементарности
У прокариот
ДНК-полимераза III осуществляет полимеризацию ДНК (основной
синтезирующий фермент);
ДНК-полимеразы I и II являются вспомогательными ферментами,
участвующими в процессах исправления ошибок в ДНК (репарации).
У эукариот
ДНК-полимераза α (альфа) выступает сначала в роли праймазы, синтезируя
РНК-праймер
ДНК-полимераза δ (дельта) – основная высокопроизводительная полимераза эукариот
ДНК-полимераза β (бета) задействована в восстановлении ДНК.
ДНК-полимераза γ (гамма) осуществляет репликацию митохондриальной
ДНК

33.

Раздел 4. Этапы репликации ДНК:
инициация
1) Топоизомераза (ДНК-гираза) находит точку начала
репликации (ori), гидролизует одну фосфодиэфирную связь
и дает возможность компонентам репликативной системы
разомкнуть нити ДНК и образовать «репликативную
вилку», а затем вновь соединяет связь между
мононуклеотидами
2) ДНК-хеликаза разрывает водородные связи между нитями
ДНК - образуется «репликативный глазок»

34.

Инициация репликации
Репликативная
вилка
Репликативная
вилка
Репликативный «глазок»

35.

Этапы репликации ДНК:
инициация
3) ДНК-связывающие
белки
(SSB-белки)
стабилизируют репликативную вилку, не давая
восстанавливаться водородным связям между
комплементарными нуклеотидами
4) ДНК-праймаза строит праймер «затравку» из 8-10
рибонуклеотидов и 40-50 дезоксирибонуклеотидов
5) ДНК-полимераза
достраивает
нить
из
дезоксирибонуклеотидов на лидирующей и на
отстающей нити ДНК

36.

Этапы репликации ДНК:
элонгация
6)
ДНК-полимераза продолжает удлинять нить из
дезоксирибонуклеотидов на лидирующей нити, а
также строить фрагменты из праймеров и
дезоксирибонуклеотидов (фрагменты Оказаки) на
отстающей нити ДНК по мере движения
репликативной вилки
Скорость репликации у бактерий порядка 100 000 пар
нуклеотидов в минуту, у эукариот 500 — 5000.

37.

Этапы репликации ДНК:
терминация
7) ДНК-полимераза II (фермент репарации у
прокариот) удаляет праймеры и достраивает
фрагменты ДНК. У эукариот работает нуклеаза (в
том числе РНКаза), разрушая РНК-часть.
8) ДНК-лигаза соединяет фрагменты между собой

38.

Схема репликативной вилки:
элонгация репликации
стабилизирует
репликативную
вилку
Отстающая цепь: синтез
идет прерывисто –
короткими фрагментами

39.

Характеристики процесса репликации
Матричный — последовательность синтезируемой цепи ДНК однозначно
определяется последовательностью материнской цепи в соответствии с
принципом комплементарности
Полуконсервативный — одна цепь молекулы ДНК, образовавшейся в
результате репликации, является вновь синтезированной, а вторая —
материнской
Однонаправленный — идёт в направлении от 5’-конца новой молекулы
к 3’-концу
Полунепрерывный — одна из цепей ДНК синтезируется непрерывно, а
вторая — в виде набора отдельных коротких фрагментов (фрагментов
Оказаки)
Инициированный — начинается в присутствии праймера (затравки) с
определённых участков ДНК, которые называются сайтами инициации
репликации - точки ori

40. Спасибо за внимание!