Kahe DNA ahela sidumine on DNA ahelate sidemete moodustumine selle tsükliseerimise ajal. Kui paar või enam polümeerahelat on suletud, võivad need moodustada erinevat tüüpi ühendusi. Eelkõige moodustavad blokeeringu kaksikheeliksi ahelad DNA ringikujulises suletud vormis (siin käsitletakse DNA kaksikheeliksit peamiselt ühe polümeeri ahelana). Seotud DNA molekulid on looduses üsna levinud ja neid saab toota laboris. Kahe ahela lülidel on üldiselt lõpmatult palju topoloogiliselt mitteekvivalentseid tüüpe. Ahelduse järjekorra mõiste iseloomustab üheselt ainult teatud klassi linke, mis on moodustatud ringikujulises suletud DNA-s. Üldpilt tundub palju keerulisem.

Kui polümeeri ahel läbib lahuses juhusliku tsükliseerimise, võib see sattuda erinevatesse topoloogilistesse olekutesse. Isoleeritud ahelate puhul, s.o. Tekkivaid seoseid arvesse võtmata taandub see küsimus nende topoloogiliste olekute tõenäosuse kohta erinevate sõlmede tekkimise tõenäosusele juhusliku sulgemise ajal. Kui võtta arvesse takerdumise tõenäosust, tuleks kõigepealt kaaluda takerdunud oleku (või mittepõimunud oleku) tekkimise tõenäosust kahe ahela juhuslikul sulgemisel, mille massikeskmete vahel on etteantud vahemaa. , R (Klenin K.V. ea, 1988, Frank-Kamenetskii M.D. ea, 1975, Vologodsky A.V. et al., 1974a ja Iwata K., 1983). Selliste arvutuste tulemused lõpmata õhukese ahela mudeli jaoks (Klenin K.V. ea, 1988) on näidatud. Erinevad kõverad vastavad igas ahelas erinevale arvule segmentidele (eeldatakse, et mõlemad ahelad koosnevad samast arvust segmentidest): 1–20 segmenti, 2–40, 3–80 segmenti. Märkimisväärne tõenäosus lülide tekkeks väikeses R juures tähendab, et kahe sidumata ahela süsteemi olekute arv väheneb üksteisele lähenedes oluliselt. Selle tulemusena ei ole sidumata lõpmata õhukeste polümeeriahelate lahendus ideaalne. Selles tekib ahelate vahel tõrjumine, mis on entroopilise iseloomuga. Statistilises mehaanikas iseloomustatakse sellist tõrjumist kvantitatiivselt tavaliselt teise viriaalkoefitsiendiga B (Landau L. ja Lifshitz E.M., 1964). Haardumata rõngaste lahenduse B väärtused saab arvutada joonisel fig. Kahe ahela vahelise takerdumise tekkimise tõenäosus. Need väärtused (vt joonist. Teise viriaalkoefitsiendi arvutamine) osutuvad lähedaseks väärtusele B, mis vastab üksteisele mitteläbilaskvatele sfäärilistele osakestele, mille raadius on võrdne rõnga pöörlemise ruutkeskmise raadiusega. suletud polümeerahel (Klenin K.V. ea, 1988). Seega peaksid isegi ideaalsed lõpmata õhukesed suletud ahelad kogema tugevat vastastikust tõrjumist, mis on täielikult tingitud topoloogilistest piirangutest.

Catenanes, s.o. Mõnedes rakkudes leiti DNA molekulide seotust (Clayton D.A. ja Vinograd J., 1967, Hudson B. ja Vinograd J., 1967). Põimudega topoloogilise struktuuri näite pakuvad omavahel lukustatud ümmarguste DNA kinetoplastide hiiglaslikud võrgud (vt Borst P. ja Hoeijmakers J.H.J. ülevaadet, 1979). Need võrgud hõlmavad kümneid tuhandeid ringikujulisi DNA molekule, millest enamik on oma struktuurilt identsed.

Peamised meetodid kaheahelalise DNA topoloogia uurimisel on elektronmikroskoopia ja geelelektroforees. Tavalisel DNA elektronmikroskoopilisel fotol on aga molekulide topoloogiat üsna keeruline analüüsida, kuna on raske hinnata, milline ahelatest nende ristumispunktides substraadil on kõrgem ja milline madalam. Suures osas suudeti see raskus esimest korda ületada tänu topeltheeliksi seondumisele recA valguga (Krasnow M.A.ea, 1983). Sel juhul pakseneb DNA ahel nii palju, et DNA segmentide ristumiskohtade struktuur on fotodel selgelt näha. Teisest küljest erinevad konksuga DNA molekulid geelis liikuvuse poolest sidumata molekulidest, mis võimaldab neid elektroforeesi käigus eraldada (vt Wasserman S.A. ja Cozzarelli N.R., 1986). See meetod nõuab loomulikult spetsiaalset kalibreerimist, kuna on võimatu ette öelda, millises positsioonis geelis konkreetne topoloogiline struktuur peaks olema DNA sõlmedeta ringikujulise vormi suhtes. Praeguseks on aga kogunenud juba päris suur hulk katsematerjali erinevate topoloogiliste struktuuride liikuvuse kohta uuritava DNA märkimata topoisomeeride suhtes. Loomulikult peavad selle meetodiga blokeeritud DNA molekulide uurimisel need sisaldama üheahelalisi katkestusi, kuna vastasel juhul sõltub liikuvus topeltheeliksi ahelate blokeerumise järjekorrast.

3. lk

1. Komplementaarsuse põhimõtte kohaselt ehitab see üles antud DNA molekuli teise ahela: T-T-C-A-G-A-T-T-G-C-A-T-A.

2. Teades ühe nukleotiidi pikkust (0,34 nm), määrame selle DNA fragmendi pikkuse (DNA-s on ühe ahela pikkus võrdne kogu molekuli pikkusega): 13x0,34 = 4,42 nm.

3. Arvutage nukleotiidide protsent antud DNA ahelas:

13 nukleotiidi – 100%

5 A – x%, x=38% (A).

2 G – x%, x=15,5% (G).

4 T – x%, x=31% (T).

2 C – x%, x=15,5% (C).

Vastus: T-T-C-A-G-A-T-T-G-C-A-T-A; 4,42 nm; A = 38%; T = 31%; G = 15,5%; C = 15,5%.

Ülesanne 21. Ühe DNA ahela fragmendil paiknevad nukleotiidid järjestuses: A-A-G-T-C-T-A-C-G-T-A-T.

1. Joonistage selle DNA molekuli teise ahela struktuuri skeem.

2. Kui suur on selle DNA fragmendi pikkus nm, kui üks nukleotiid võtab enda alla umbes 0,34 nm?

3. Mitu nukleotiidi (%) on selles DNA molekuli fragmendis?

1. Lõpetame selle DNA molekuli fragmendi teise ahela, kasutades komplementaarsuse reeglit: T-T-C-A-G-A-T-G-C-A-T-A.

2. Määrake selle DNA fragmendi pikkus: 12x0,34 = 4,08 nm.3. Arvutame nukleotiidide protsendi selles DNA fragmendis.

24 nukleotiidi – 100%

8A – x%, seega x=33,3%(A);

sest Chargaffi reegli järgi A=T, mis tähendab T=33,3% sisaldust;

24 nukleotiidi – 100%

4G – x%, seega x=16,7%(G);

sest Chargaffi reegli järgi G=C, mis tähendab C=16,6% sisaldust.

Vastus: T-T-C-A-G-A-T-G-C-A-T-A; 4,08 nm; A = T = 33,3%; G=C=16,7%

Ülesanne 22. Milline on teise DNA ahela koostis, kui esimene sisaldab 18% guaniini, 30% adeniini ja 20% tümiini?

1. Teades, et DNA molekuli ahelad on üksteisega komplementaarsed, määrame nukleotiidide sisalduse (%) teises ahelas:

sest esimeses ahelas G = 18%, mis tähendab, et teises ahelas C = 18%;

sest esimeses ahelas A=30%, mis tähendab, et teises ahelas T=30%;

sest esimeses ahelas T=20%, mis tähendab, et teises ahelas A=20%;

2. Määrake tsütosiini sisaldus esimeses ahelas (%).

määrata tsütosiini osakaal DNA esimeses ahelas: 100% – 68% = 32% (C);

kui esimeses ahelas C = 32%, siis teises ahelas G = 32%.

Vastus: C=18%; T = 30%; A = 20%; G=32%

Ülesanne 23. DNA molekulis on 23% adenüülnukleotiide nukleotiidide koguarvust. Määrake tümidüül- ja tsütosüülnukleotiidide arv.

1. Chargaffi reeglit kasutades leiame tümidüülnukleotiidide sisalduse antud DNA molekulis: A=T=23%.

2. Leia adenüül- ja tümidüülnukleotiidide sisalduse summa (%) antud DNA molekulis: 23% + 23% = 46%.

3. Leia guanüüli ja tsütosüüli nukleotiidide sisalduse summa (%) antud DNA molekulis: 100% – 46% = 54%.

4. Chargaffi reegli kohaselt moodustavad nad DNA molekulis G = C kokku 54% ja üksikult: 54% : 2 = 27%.

Vastus: T=23%; C=27%

Ülesanne 24. Antud DNA molekul suhtelise molekulmassiga 69 tuhat, millest 8625 on adenüülnukleotiidid. Ühe nukleotiidi suhteline molekulmass on keskmiselt 345. Mitu üksikut nukleotiidi on selles DNA-s? Mis on selle molekuli pikkus?

1. Määrake, mitu adenüülnukleotiide on antud DNA molekulis: 8625: 345 = 25.

2. Chargaffi reegli järgi A = G, s.o. antud DNA molekulis A=T=25.

3. Määrake, kui palju selle DNA kogumolekulimassist moodustab guanüülnukleotiidide osakaal: 69 000 – (8625x2) = 51 750.

4. Määrake guanüül- ja tsütosüülnukleotiidide koguarv selles DNA-s: 51 750:345=150.

5. Määrake guanüül- ja tsütosüülnukleotiidide sisaldus eraldi: 150:2 = 75;

6. Määrake selle DNA molekuli pikkus: (25 + 75) x 0,34 = 34 nm.

Vastus: A=T=25; G=C=75; 34 nm.

Ülesanne 25. Mõnede teadlaste hinnangul on ühe inimese suguraku tuuma kõigi DNA molekulide kogupikkus umbes 102 cm Mitu nukleotiidipaari sisaldab ühe raku DNA (1 nm = 10–6 mm)?

1. Teisendage sentimeetrid millimeetriteks ja nanomeetriteks: 102 cm = 1020 mm = 1 020 000 000 nm.

2. Teades ühe nukleotiidi pikkust (0,34 nm), määrame inimese suguraku DNA molekulides sisalduvate nukleotiidipaaride arvu: (102 x 107): 0,34 = 3 x 109 paari.

Vastus: 3´109 par.

Ülesanne 26. Kirjutage tekkinud dipeptiidide valemid:

a) türosiin ja tsüstenoiin; b) seriin ja fenüülalaniin; c) glütsiin ja tsüsteiin.

Ülesanne 27. Hankige metaanist glütsiin ilma muid süsinikku sisaldavaid aineid kasutamata.

Paremal on suurim inimese DNA spiraal, mis on ehitatud inimestest Varna (Bulgaaria) rannas ja mis kanti Guinnessi rekordite raamatusse 23. aprillil 2016.

Desoksüribonukleiinhape. Üldine informatsioon

DNA (desoksüribonukleiinhape) on omamoodi eluplaan, keeruline kood, mis sisaldab andmeid päriliku teabe kohta. See keeruline makromolekul on võimeline salvestama ja edastama põlvest põlve pärilikku geneetilist teavet. DNA määrab iga elusorganismi sellised omadused nagu pärilikkus ja muutlikkus. Sellesse kodeeritud teave paneb paika iga elusorganismi kogu arenguprogrammi. Geneetiliselt määratud tegurid määravad nii inimese kui ka iga teise organismi kogu elukäigu. Väliskeskkonna kunstlikud või looduslikud mõjud võivad vaid vähesel määral mõjutada üksikute geneetiliste tunnuste üldist väljendust või mõjutada programmeeritud protsesside arengut.

Desoksüribonukleiinhape(DNA) on makromolekul (üks kolmest põhilisest, ülejäänud kaks on RNA ja valgud), mis tagab talletamise, põlvest põlve edasikandmise ning elusorganismide arengu ja funktsioneerimise geneetilise programmi rakendamise. DNA sisaldab teavet erinevat tüüpi RNA ja valkude struktuuri kohta.

Eukarüootsetes rakkudes (loomad, taimed ja seened) leidub DNA-d raku tuumas kromosoomide osana, aga ka osades raku organellides (mitokondrid ja plastiidid). Prokarüootsete organismide (bakterid ja arheed) rakkudes on seestpoolt rakumembraani külge kinnitunud ringikujuline või lineaarne DNA molekul, nn nukleoid. Nendes ja madalamates eukarüootides (näiteks pärm) leidub ka väikeseid autonoomseid, valdavalt ringikujulisi DNA molekule, mida nimetatakse plasmiidideks.

Keemilisest vaatenurgast on DNA pikk polümeerimolekul, mis koosneb korduvatest plokkidest, mida nimetatakse nukleotiidideks. Iga nukleotiid koosneb lämmastiku alusest, suhkrust (desoksüriboos) ja fosfaatrühmast. Sidemed ahela nukleotiidide vahel moodustuvad desoksüriboosist ( KOOS) ja fosfaat ( F) rühmad (fosfodiestersidemed).

Riis. 2. Nukleotiid koosneb lämmastikku sisaldavast alusest, suhkrust (desoksüriboos) ja fosfaatrühmast

Enamikul juhtudel (välja arvatud mõned üheahelalist DNA-d sisaldavad viirused) koosneb DNA makromolekul kahest ahelast, mis on orienteeritud lämmastiku alustega üksteise poole. See kaheahelaline molekul on keerdunud piki spiraali.

DNA-s leidub nelja tüüpi lämmastiku aluseid (adeniin, guaniin, tümiin ja tsütosiin). Ühe ahela lämmastikualused on ühendatud teise ahela lämmastikualustega vesiniksidemetega vastavalt komplementaarsuse põhimõttele: adeniin ühineb ainult tümiiniga ( A-T), guaniin – ainult tsütosiiniga ( G-C). Just need paarid moodustavad DNA spiraalse "trepi" astmed (vt. joon. 2, 3 ja 4).

Riis. 2. Lämmastikku sisaldavad alused

Nukleotiidide järjestus võimaldab teil "kodeerida" teavet erinevat tüüpi RNA kohta, millest olulisemad on messenger või matriits (mRNA), ribosomaalne (rRNA) ja transport (tRNA). Kõik need RNA tüübid sünteesitakse DNA matriitsil, kopeerides DNA järjestuse transkriptsiooni käigus sünteesitud RNA järjestusse ja osalevad valkude biosünteesis (translatsiooniprotsessis). Lisaks kodeerivatele järjestustele sisaldab raku DNA järjestusi, mis täidavad regulatoorseid ja struktuurseid funktsioone.

Riis. 3. DNA replikatsioon

DNA keemiliste ühendite põhikombinatsioonide paigutus ja nende kombinatsioonide vahelised kvantitatiivsed seosed tagavad päriliku teabe kodeerimise.

Haridus uus DNA (replikatsioon)

1. Replikatsiooniprotsess: DNA kaksikheeliksi lahtikerimine - komplementaarsete ahelate süntees DNA polümeraasi toimel - kahe DNA molekuli moodustumine ühest.
2. Topeltheeliks "lahtineb" kaheks haruks, kui ensüümid lõhuvad sideme keemiliste ühendite aluspaaride vahel.
3. Iga haru on uue DNA element. Uued aluspaarid ühendatakse samas järjestuses nagu emaharus.

Pärast dubleerimise lõppemist moodustuvad kaks sõltumatut heeliksit, mis tekivad algse DNA keemilistest ühenditest ja millel on sama geneetiline kood. Nii on DNA võimeline edastama informatsiooni rakust rakku.

Täpsem info:

NULEIINHAPPETE STRUKTUUR

Riis. 4 . Lämmastiku alused: adeniin, guaniin, tsütosiin, tümiin

Desoksüribonukleiinhape(DNA) viitab nukleiinhapetele. Nukleiinhapped on ebaregulaarsete biopolümeeride klass, mille monomeerideks on nukleotiidid.

NUKLEOTIIDID koosneb lämmastikalus, mis on ühendatud viie süsiniku süsivesikuga (pentoos) - desoksüriboos(DNA puhul) või riboos(RNA puhul), mis ühineb fosforhappe jäägiga (H 2 PO 3 -).

Lämmastikku sisaldavad alused Neid on kahte tüüpi: pürimidiini alused - uratsiil (ainult RNA-s), tsütosiin ja tümiin, puriini alused - adeniin ja guaniin.

Riis. 5. Nukleotiidide struktuur (vasakul), nukleotiidi asukoht DNA-s (all) ja lämmastiku aluste tüübid (paremal): pürimidiin ja puriin

Süsinikuaatomid pentoosi molekulis on nummerdatud 1 kuni 5. Fosfaat ühineb kolmanda ja viienda süsinikuaatomiga. Nii ühendatakse nukleotiidid nukleiinhappeahelaks. Seega saame eristada DNA ahela 3' ja 5' otsa:

Riis. 6. DNA ahela 3' ja 5' otste eraldamine

Moodustuvad kaks DNA ahelat kaksikheeliks. Need spiraalis olevad ketid on suunatud vastassuundades. DNA erinevates ahelates on lämmastiku alused omavahel ühendatud vesiniksidemed. Adeniin paaritub alati tümiiniga ja tsütosiin alati guaniiniga. Seda nimetatakse komplementaarsuse reegel.

Komplementaarsuse reegel:

A-T G-C

Näiteks kui meile antakse DNA ahel koos järjestusega

3'- ATGTCCTAGCTGCTCG - 5',

siis teine ​​kett täiendab seda ja on suunatud vastupidises suunas - 5' otsast 3' otsani:

5'- TACAGGATCGACGAGC- 3'.

Riis. 7. DNA molekuli ahelate suunamine ja lämmastikaluste ühendamine vesiniksidemete abil

DNA REPLIKATSIOON

DNA replikatsioon on DNA molekuli kahekordistamise protsess matriitsi sünteesi kaudu. Enamikul juhtudel toimub DNA loomulik replikatsioonkruntvärvDNA süntees on lühike fragment (taasloodud). Sellise ribonukleotiidpraimeri loob ensüüm primaas (DNA primaas prokarüootides, DNA polümeraas eukarüootides) ja seejärel asendatakse desoksüribonukleotiidpolümeraasiga, mis tavaliselt täidab parandusfunktsioone (korrigeerib keemilisi kahjustusi ja katkestusi DNA molekulis).

Replikatsioon toimub poolkonservatiivse mehhanismi järgi. See tähendab, et DNA kaksikheeliks keerdub lahti ja igale selle ahelale ehitatakse komplementaarsuse põhimõttel uus ahel. Tütar-DNA molekul sisaldab seega ühte lähtemolekuli ahelat ja ühte äsja sünteesitud ahelat. Replikatsioon toimub emaahela 3'-5'-otsa suunas.

Riis. 8. DNA molekuli replikatsioon (kahekordistumine).

DNA süntees- see pole nii keeruline protsess, kui esmapilgul võib tunduda. Kui järele mõelda, peate kõigepealt välja mõtlema, mis on süntees. See on millegi üheks tervikuks ühendamise protsess. Uue DNA molekuli moodustumine toimub mitmes etapis:

1) DNA topoisomeraas, mis asub replikatsioonikahvli ees, lõikab DNA ära, et hõlbustada selle lahti- ja lahtikerimist.
2) DNA helikaas, järgneb topoisomeraasile, mõjutab DNA heeliksi lahtipunumisprotsessi.
3) DNA-d siduvad valgud seovad DNA ahelaid ja ka stabiliseerivad neid, vältides nende kleepumist üksteise külge.
4) DNA polümeraas δ(delta) , mis on kooskõlastatud replikatsioonikahvli liikumiskiirusega, teostab sünteesijuhtivketid tütarettevõte DNA maatriksil 5"→3" suunas emalik DNA ahelad selle 3" otsast 5" otsani (kiirus kuni 100 nukleotiidipaari sekundis). Need sündmused sel ajal emalik DNA ahelad on piiratud.

Riis. 9. DNA replikatsiooniprotsessi skemaatiline esitus: (1) mahajäänud ahel (leading ahel), (2) juhtiv ahel (juhtahel), (3) DNA polümeraas α (Polα), (4) DNA ligaas, (5) RNA -praimer, (6) primaas, (7) Okazaki fragment, (8) DNA polümeraas δ (Polδ), (9) helikaas, (10) üheahelalised DNA-d siduvad valgud, (11) topoisomeraas.

Tütar-DNA mahajäänud ahela sünteesi kirjeldatakse allpool (vt. Skeem replikatsioonikahvel ja replikatsiooniensüümide funktsioonid)

DNA replikatsiooni kohta lisateabe saamiseks vt

5) Kohe pärast emamolekuli teise ahela lahtiharutamist ja stabiliseerumist kinnitatakse see selle külgeDNA polümeraas α(alfa)ja 5"→3" suunas sünteesib praimeri (RNA praimer) - RNA järjestuse DNA matriitsil pikkusega 10 kuni 200 nukleotiidi. Pärast seda ensüümeemaldatud DNA ahelast.

Selle asemel DNA polümeraasidα on kinnitatud krundi 3-tollise otsa külge DNA polümeraasε .

6) DNA polümeraasε (epsilon) tundub, et jätkab kruntvärvi pikendamist, kuid sisestab selle substraadinadesoksüribonukleotiidid(150-200 nukleotiidi ulatuses). Selle tulemusena moodustub kahest osast üks niit -RNA(st kruntvärv) ja DNA. DNA polümeraas εtöötab seni, kuni kohtab eelmist praimeritOkazaki fragment(sünteesitud veidi varem). Pärast seda eemaldatakse see ensüüm ahelast.

7) DNA polümeraas β(beeta) seisab selle asemelDNA polümeraas ε,liigub samas suunas (5"→3") ja eemaldab praimerribonukleotiidid, sisestades samal ajal nende asemele desoksüribonukleotiidid. Ensüüm toimib seni, kuni praimer on täielikult eemaldatud, s.t. kuni desoksüribonukleotiidini (veelgi varem sünteesitudDNA polümeraas ε). Ensüüm ei suuda oma töö tulemust ees oleva DNA-ga ühendada, mistõttu läheb see ahelast välja.

Selle tulemusena "lemab" tütar-DNA fragment emaahela maatriksil. Seda nimetatakseOkazaki fragment.

8) DNA ligaas seob kaks kõrvuti asetsevat Okazaki killud , st. 5" sünteesitud segmendi otsDNA polümeraas ε,ja sisseehitatud 3-tolline kettDNA polümeraasβ .

RNA STRUKTUUR

Ribonukleiinhape(RNA) on üks kolmest peamisest makromolekulist (ülejäänud kaks on DNA ja valgud), mida leidub kõigi elusorganismide rakkudes.

Nii nagu DNA, koosneb RNA pikast ahelast, milles iga lüli nimetatakse nukleotiid. Iga nukleotiid koosneb lämmastiku alusest, riboossuhkrust ja fosfaatrühmast. Kuid erinevalt DNA-st on RNA-l tavaliselt üks ahel, mitte kaks. RNA-s sisalduv pentoos on riboos, mitte desoksüriboos (riboosi teisel süsivesikuaatomil on täiendav hüdroksüülrühm). Lõpuks erineb DNA RNA-st lämmastikualuste koostise poolest: tümiini asemel ( T RNA sisaldab uratsiili ( U) , mis on samuti täiendav adeniiniga.

Nukleotiidide järjestus võimaldab RNA-l kodeerida geneetilist teavet. Kõik rakulised organismid kasutavad valgusünteesi programmeerimiseks RNA-d (mRNA).

Rakuline RNA toodetakse protsessi kaudu, mida nimetatakse transkriptsioon st RNA süntees DNA maatriksil, mida teostavad spetsiaalsed ensüümid - RNA polümeraasid.

Messenger RNA-d (mRNA-d) osalevad seejärel protsessis, mida nimetatakse saade, need. valkude süntees mRNA maatriksil ribosoomide osalusel. Teised RNA-d läbivad pärast transkriptsiooni keemilisi modifikatsioone ning pärast sekundaarsete ja tertsiaarsete struktuuride moodustumist täidavad nad funktsioone sõltuvalt RNA tüübist.

Riis. 10. DNA ja RNA erinevus lämmastikaluses: tümiini (T) asemel sisaldab RNA uratsiili (U), mis on samuti komplementaarne adeniiniga.

TRANSKRIPTSIOON

See on RNA sünteesi protsess DNA matriitsil. DNA rullub ühes kohas lahti. Üks ahelatest sisaldab teavet, mis tuleb RNA molekulile kopeerida – seda ahelat nimetatakse kodeerivaks ahelaks. DNA teist ahelat, mis on komplementaarne kodeerivaga, nimetatakse matriitsiks. Transkriptsiooni käigus sünteesitakse matriitsi ahelal 3’ - 5’ suunas (mööda DNA ahelat) komplementaarne RNA ahel. See loob kodeeriva ahela RNA koopia.

Riis. 11. Transkriptsiooni skemaatiline esitus

Näiteks kui meile antakse kodeerimisahela järjestus

3'- ATGTCCTAGCTGCTCG - 5',

siis vastavalt komplementaarsuse reeglile kannab maatriksahel järjestust

5'- TACAGGATCGACGAGC- 3',

ja sellest sünteesitud RNA on järjestus

SAATE

Mõelgem mehhanismile valkude süntees RNA maatriksil, samuti geneetiline kood ja selle omadused. Selguse huvides soovitame alloleval lingil vaadata ka lühikest videot elusrakus toimuvate transkriptsiooni- ja translatsiooniprotsesside kohta:

Riis. 12. Valkude sünteesi protsess: DNA kodeerib RNA-d, RNA kodeerib valku

GENEETILINE KOOD

Geneetiline kood- meetod valkude aminohappejärjestuse kodeerimiseks, kasutades nukleotiidide järjestust. Iga aminohapet kodeerib kolmest nukleotiidist koosnev järjestus – koodon või triplett.

Geneetiline kood, mis on ühine enamikule pro- ja eukarüootidele. Tabelis on näidatud kõik 64 koodonit ja vastavad aminohapped. Alusjärjestus on mRNA 5" kuni 3" otsast.

Tabel 1. Standardne geneetiline kood

1 alus mine	2. alus								3 alus mine
	U		C		A		G
U	U U U	(Phe/F)	U C U	(Ser/S)	U A U	(Tyr/Y)	U G U	(Cys/C)	U
	U U C		U C C		U A C		U G C		C
	U U A	(Leu/L)	U C A		U A A	Peata koodon**	U G A	Peata koodon**	A
	U U G		U C G		U A G	Peata koodon**	U G G	(Trp/W)	G
C	C U U		C C U	(Pro/P)	C A U	(Tema/H)	C G U	(Arg/R)	U
	C U C		C C C		C A C		C G C		C
	C U A		C C A		C A A	(Gln/Q)	C GA		A
	C U G		C C G		C A G		C G G		G
A	A U U	(Ile/I)	A C U	(Thr/T)	A A U	(Asn/N)	A G U	(Ser/S)	U
	A U C		A C C		A A C		A G C		C
	A U A		A C A		A A A	(Lys/K)	A G A		A
	A U G	(Met/M)	A C G		A A G		A G G		G
G	G U U	(Val/V)	G C U	(Ala/A)	G A U	(Asp/D)	G G U	(Gly/G)	U
	G U C		G C C		G A C		G G C		C
	G U A		G C A		G A A	(Glu/E)	G G A		A
	G U G		G C G		G A G		G G G		G

Kolmikute hulgas on 4 spetsiaalset jada, mis toimivad kirjavahemärkidena:

• *Kolmik AUG, mis kodeerib ka metioniini, nimetatakse alguskoodon. Sellest koodonist algab valgumolekuli süntees. Seega on valgusünteesi ajal järjestuse esimene aminohape alati metioniin.

• **Kolmikud UAA, UAG Ja U.G.A. kutsutakse stoppkoodonid ja ei kodeeri ühtki aminohapet. Nende järjestuste korral valkude süntees peatub.

Geneetilise koodi omadused

1. Kolmik. Iga aminohapet kodeerib kolmest nukleotiidist koosnev järjestus – triplett või koodon.

2. Järjepidevus. Kolmikute vahel ei ole täiendavaid nukleotiide, teavet loetakse pidevalt.

3. Mittekattuvus. Ühte nukleotiidi ei saa korraga kaasata kahte kolmikusse.

4. Ühemõttelisus. Üks koodon võib kodeerida ainult ühte aminohapet.

5. Degeneratsioon. Ühte aminohapet võib kodeerida mitu erinevat koodonit.

6. Mitmekülgsus. Geneetiline kood on kõigil elusorganismidel sama.

Näide. Meile antakse kodeerimisahela järjestus:

3’- CCGATTGCACGTCGATCGTATA- 5’.

Maatriksahelal on järgmine järjestus:

5’- GGCTAACGTGCAGCTAGCATAT- 3’.

Nüüd "sünteesime" sellest ahelast teabe RNA:

3’- CCGAUUGCACGUCGAUCGUAUA- 5’.

Valgu süntees toimub suunas 5' → 3', seetõttu peame geneetilise koodi "lugemiseks" järjestuse ümber pöörama:

5’- AUAUGCUAGCUGCACGUUAGCC- 3’.

Nüüd leiame stardikoodoni AUG:

5’- AU AUG CUAGCUGCACGUUAGCC- 3’.

Jagame jada kolmikuteks:

kõlab nii: teave kantakse DNA-st RNA-sse (transkriptsioon), RNA-st valgusse (translatsioon). DNA-d saab dubleerida ka replikatsiooni teel ja võimalik on ka pöördtranskriptsiooni protsess, kui DNA sünteesitakse RNA matriitsist, kuid see protsess on iseloomulik peamiselt viirustele.

Riis. 13. Molekulaarbioloogia keskne dogma

GENOOM: GEENID ja KROMOSOOMID

(üldmõisted)

Genoom – organismi kõigi geenide kogum; selle täielik kromosoomikomplekt.

Termini "genoom" pakkus välja G. Winkler 1920. aastal, et kirjeldada ühe bioloogilise liigi organismide haploidses kromosoomikomplektis sisalduvat geenikomplekti. Selle mõiste algne tähendus viitas sellele, et genoomi mõiste on erinevalt genotüübist liigi kui terviku, mitte üksikisiku geneetiline tunnus. Molekulaargeneetika arenguga on selle mõiste tähendus muutunud. On teada, et DNA, mis on enamikus organismides geneetilise teabe kandja ja seega genoomi aluseks, ei hõlma ainult geene selle sõna tänapäevases tähenduses. Suurem osa eukarüootsete rakkude DNA-st on esindatud mittekodeerivate ("liigsete") nukleotiidjärjestustega, mis ei sisalda teavet valkude ja nukleiinhapete kohta. Seega moodustab mis tahes organismi genoomi põhiosa selle haploidse kromosoomikomplekti kogu DNA.

Geenid on DNA molekulide lõigud, mis kodeerivad polüpeptiide ja RNA molekule

Viimase sajandi jooksul on meie arusaam geenidest oluliselt muutunud. Varem oli genoom kromosoomi piirkond, mis kodeerib või määratleb üht tunnust või fenotüüpne(nähtav) omadus, näiteks silmade värv.

1940. aastal pakkusid George Beadle ja Edward Tatham välja geeni molekulaarse määratluse. Teadlased töötlesid seente eoseid Neurospora crassa Röntgenikiirgus ja muud ained, mis põhjustavad muutusi DNA järjestuses ( mutatsioonid) ja avastasid seene mutantsed tüved, mis olid kaotanud mõned spetsiifilised ensüümid, mis mõnel juhul põhjustas kogu metaboolse raja katkemise. Beadle ja Tatem jõudsid järeldusele, et geen on osa geneetilisest materjalist, mis määrab või kodeerib ühte ensüümi. Nii tekkis hüpotees "üks geen - üks ensüüm". Seda mõistet laiendati hiljem määratlemiseks "üks geen - üks polüpeptiid", kuna paljud geenid kodeerivad valke, mis ei ole ensüümid, ja polüpeptiid võib olla kompleksse valgukompleksi subühik.

Joonisel fig. Joonisel 14 on näidatud diagramm, kuidas DNA nukleotiidide kolmikud määravad mRNA vahendusel polüpeptiidi – valgu aminohappejärjestuse. Üks DNA ahelatest täidab mRNA sünteesi matriitsi rolli, mille nukleotiidkolmikud (koodonid) on komplementaarsed DNA kolmikutega. Mõnes bakteris ja paljudes eukarüootides katkestavad kodeerivad järjestused mittekodeerivate piirkondadega (nn. intronid).

Kaasaegne geeni biokeemiline määramine veelgi spetsiifilisem. Geenid on kõik DNA lõigud, mis kodeerivad lõppsaaduste primaarset järjestust, sealhulgas polüpeptiide või RNA-d, millel on struktuurne või katalüütiline funktsioon.

Lisaks geenidele sisaldab DNA ka teisi järjestusi, mis täidavad eranditult reguleerivat funktsiooni. Reguleerivad järjestused võib tähistada geenide algust või lõppu, mõjutada transkriptsiooni või näidata replikatsiooni või rekombinatsiooni alguskohta. Mõnda geeni saab ekspresseerida erineval viisil, kusjuures sama DNA piirkond toimib mallina erinevate toodete moodustamisel.

Saame umbkaudu arvutada minimaalne geeni suurus, mis kodeerib keskmist valku. Iga polüpeptiidahela aminohapet kodeerib kolmest nukleotiidist koosnev järjestus; nende kolmikute (koodonite) järjestused vastavad selle geeni poolt kodeeritud polüpeptiidi aminohapete ahelale. 350 aminohappejäägist koosnev polüpeptiidahel (keskmise pikkusega ahel) vastab 1050 aluspaari pikkusele järjestusele. ( aluspaarid). Paljud eukarüootsed geenid ja mõned prokarüootsed geenid on aga katkenud DNA segmentidega, mis ei kanna valguinfot ja osutuvad seetõttu palju pikemaks, kui lihtne arvutus näitab.

Mitu geeni on ühes kromosoomis?

Riis. 15. Vaade kromosoomidest prokarüootsetes (vasakul) ja eukarüootsetes rakkudes. Histoonid on suur tuumavalkude klass, mis täidavad kahte põhifunktsiooni: nad osalevad DNA ahelate pakendamisel tuumas ja tuumaprotsesside, nagu transkriptsioon, replikatsioon ja parandamine, epigeneetilises reguleerimises.

Nagu teada, on bakterirakkudel kromosoom DNA ahela kujul, mis on paigutatud kompaktsesse struktuuri - nukleoidi. Prokarüootne kromosoom Escherichia coli, mille genoom on täielikult dešifreeritud, on ringikujuline DNA molekul (tegelikult pole see täiuslik ring, vaid pigem silmus ilma alguse ja lõputa), mis koosneb 4 639 675 aluspaarist. See järjestus sisaldab ligikaudu 4300 valgugeeni ja veel 157 geeni stabiilsete RNA molekulide jaoks. IN inimese genoom ligikaudu 3,1 miljardit aluspaari, mis vastavad peaaegu 29 000 geenile, mis asuvad 24 erinevas kromosoomis.

Prokarüootid (bakterid).

Bakter E. coli on üks kaheahelaline tsirkulaarne DNA molekul. See koosneb 4 639 675 bp-st. ja ulatub ligikaudu 1,7 mm pikkuseks, mis ületab raku enda pikkuse E. coli umbes 850 korda. Lisaks nukleoidi osaks olevale suurele ringikujulisele kromosoomile sisaldavad paljud bakterid ühte või mitut väikest ringikujulist DNA molekuli, mis paiknevad vabalt tsütosoolis. Neid kromosoomiväliseid elemente nimetatakse plasmiidid(joonis 16).

Enamik plasmiide ​​koosneb vaid mõnest tuhandest aluspaarist, mõned sisaldavad rohkem kui 10 000 aluspaari. Nad kannavad geneetilist teavet ja paljunevad, moodustades tütarplasmiide, mis sisenevad tütarrakkudesse vanemraku jagunemise ajal. Plasmiide ​​ei leidu mitte ainult bakterites, vaid ka pärmis ja teistes seentes. Paljudel juhtudel ei anna plasmiidid peremeesrakkudele kasu ja nende ainus eesmärk on paljuneda iseseisvalt. Mõned plasmiidid kannavad siiski peremeesorganismile kasulikke geene. Näiteks võivad plasmiidides sisalduvad geenid muuta bakterirakud antibakteriaalsete ainete suhtes resistentseks. β-laktamaasi geeni kandvad plasmiidid tagavad resistentsuse β-laktaamantibiootikumide, nagu penitsilliin ja amoksitsilliin, suhtes. Plasmiidid võivad kanduda antibiootikumide suhtes resistentsetest rakkudest teistesse sama või erinevat liiki bakterite rakkudesse, põhjustades ka nende rakkude resistentsuse muutumist. Antibiootikumide intensiivne kasutamine on võimas selektiivne tegur, mis soodustab antibiootikumiresistentsust kodeerivate plasmiidide (samuti sarnaseid geene kodeerivate transposoonide) levikut patogeensete bakterite seas, mis viib mitme antibiootikumi suhtes resistentsete bakteritüvede tekkeni. Arstid on hakanud mõistma antibiootikumide laialdase kasutamise ohtusid ja määravad neid välja ainult kiireloomulise vajaduse korral. Sarnastel põhjustel on antibiootikumide laialdane kasutamine põllumajandusloomade raviks piiratud.

Vaata ka: Ravin N.V., Shestakov S.V. Prokarüootide genoom // Vavilov Journal of Genetics and Breeding, 2013. T. 17. Nr 4/2. lk 972-984.

Eukarüootid.

Tabel 2. Mõnede organismide DNA, geenid ja kromosoomid

	Jagatud DNA p.n.	Kromosoomide arv*	Ligikaudne geenide arv
Escherichia coli(bakter)	4 639 675		4 435
Saccharomyces cerevisiae(pärm)	12 080 000	16**	5 860
Caenorhabditis elegans(nematood)	90 269 800	12***	23 000
Arabidopsis thaliana(taim)	119 186 200		33 000
Drosophila melanogaster(puuviljakärbes)	120 367 260		20 000
Oryza sativa(riis)	480 000 000		57 000
Musculus(hiir)	2 634 266 500		27 000
Homo sapiens(Inimene)	3 070 128 600		29 000

Märge. Infot uuendatakse pidevalt; Ajakohase teabe saamiseks vaadake üksikute genoomikaprojektide veebisaite

* Kõigi eukarüootide jaoks, välja arvatud pärm, on antud kromosoomide diploidne komplekt. Diploid komplekt kromosoomid (kreeka keelest diploos - topelt ja eidos - liigid) - kahekordne kromosoomide komplekt (2n), millest igaühel on homoloogne.
**Haploidne komplekt. Metsikutel pärmitüvedel on tavaliselt kaheksa (oktaploidne) või enam nende kromosoomide komplekti.
***Kahe X-kromosoomiga naistele. Meestel on X-kromosoom, kuid mitte Y-kromosoomi, st ainult 11 kromosoomi.

Pärmis, mis on üks väiksemaid eukarüoote, on 2,6 korda rohkem DNA-d kui E. coli(Tabel 2). Puuviljakärbse rakud Drosophila, mis on klassikaline geeniuuringute objekt, sisaldab 35 korda rohkem DNA-d ja inimese rakud sisaldavad ligikaudu 700 korda rohkem DNA-d kui E. coli. Paljud taimed ja kahepaiksed sisaldavad veelgi rohkem DNA-d. Eukarüootsete rakkude geneetiline materjal on organiseeritud kromosoomide kujul. Diploidne kromosoomide komplekt (2 n) oleneb organismi tüübist (tabel 2).

Näiteks inimese somaatilises rakus on 46 kromosoomi ( riis. 17). Eukarüootse raku iga kromosoom, nagu on näidatud joonisel fig. 17, A, sisaldab ühte väga suurt kaheahelalist DNA molekuli. Inimese 24 kromosoomi (22 paariskromosoomi ja kaks sugukromosoomi X ja Y) erinevad pikkused rohkem kui 25 korda. Iga eukarüootne kromosoom sisaldab kindlat geenide komplekti.

Riis. 17. Eukarüootide kromosoomid.A- paar seotud ja kondenseeritud sõsarkromatiide inimese kromosoomist. Sellisel kujul jäävad eukarüootsed kromosoomid pärast replikatsiooni ja metafaasi mitoosi ajal. b- täielik kromosoomide komplekt ühe raamatu autori leukotsüütidest. Iga normaalne inimese somaatiline rakk sisaldab 46 kromosoomi.

Kui ühendada inimese genoomi DNA molekulid (22 kromosoomi ja kromosoomi X ja Y või X ja X), saate umbes ühe meetri pikkuse järjestuse. Märkus. Kõigil imetajatel ja muudel heterogameetilistel isasorganismidel on emastel kaks X-kromosoomi (XX) ja isastel üks X-kromosoom ja üks Y-kromosoom (XY).

Enamik inimrakke, seega on selliste rakkude DNA kogupikkus umbes 2 m. Täiskasvanud inimesel on ligikaudu 10 14 rakku, seega on kõigi DNA molekulide kogupikkus 2…10 11 km. Võrdluseks, Maa ümbermõõt on 4…10 4 km ja kaugus Maast Päikeseni on 1,5…10 8 km. Nii on meie rakkudesse pakitud hämmastavalt kompaktne DNA!

Eukarüootsetes rakkudes on ka teisi DNA-d sisaldavaid organelle – mitokondrid ja kloroplastid. Mitokondriaalse ja kloroplasti DNA päritolu kohta on esitatud palju hüpoteese. Tänapäeval on üldtunnustatud seisukoht, et need esindavad iidsete bakterite kromosoomide algeid, mis tungisid peremeesrakkude tsütoplasmasse ja said nende organellide eelkäijateks. Mitokondriaalne DNA kodeerib mitokondriaalseid tRNA-sid ja rRNA-sid, aga ka mitmeid mitokondriaalseid valke. Rohkem kui 95% mitokondriaalsetest valkudest on kodeeritud tuuma DNA poolt.

GEENIDE STRUKTUUR

Vaatleme geeni struktuuri prokarüootides ja eukarüootides, nende sarnasusi ja erinevusi. Vaatamata sellele, et geen on DNA osa, mis kodeerib ainult üht valku või RNA-d, sisaldab see lisaks vahetule kodeerivale osale ka regulatsiooni- ja muid struktuurielemente, millel on prokarüootides ja eukarüootides erinev struktuur.

Kodeerimise järjestus- geeni peamine struktuurne ja funktsionaalne üksus, selles asuvad kodeerivad nukleotiidide kolmikudaminohappejärjestus. See algab alguskoodoniga ja lõpeb stoppkoodoniga.

Enne ja pärast kodeerimisjärjestust on olemas transleerimata 5' ja 3' järjestused. Nad täidavad reguleerivaid ja abifunktsioone, näiteks tagavad ribosoomi maandumise mRNA-le.

Transleerimata ja kodeerivad järjestused moodustavad transkriptsiooniüksuse – DNA transkribeeritud osa, st DNA osa, millest toimub mRNA süntees.

Terminaator- transkribeerimata DNA osa geeni lõpus, kus RNA süntees peatub.

Geeni alguses on reguleeriv piirkond, mis sisaldab promootor Ja operaator.

Promootor- järjestus, millega polümeraas seondub transkriptsiooni initsiatsiooni ajal. Operaator- see on piirkond, millega võivad seonduda spetsiaalsed valgud - repressorid, mis võib sellest geenist RNA sünteesi aktiivsust vähendada – teisisõnu vähendada väljendus.

Geeni struktuur prokarüootides

Prokarüootide ja eukarüootide geenistruktuuri üldplaan ei erine – mõlemad sisaldavad regulatoorset piirkonda promootori ja operaatoriga, kodeerivate ja transleerimata järjestustega transkriptsiooniüksust ning terminaatorit. Kuid geenide organiseeritus prokarüootides ja eukarüootides on erinev.

Riis. 18. Prokarüootide (bakterite) geenistruktuuri skeem -pilt on suurendatud

Operoni alguses ja lõpus on mitme struktuurigeeni jaoks ühised regulatsioonipiirkonnad. Operoni transkribeeritud piirkonnast loetakse üks mRNA molekul, mis sisaldab mitmeid kodeerivaid järjestusi, millest igaühel on oma algus- ja stoppkoodon. Igast neist piirkondadest koossünteesitakse üks valk. Seega Ühest mRNA molekulist sünteesitakse mitu valgumolekuli.

Prokarüoote iseloomustab mitme geeni ühendamine üheks funktsionaalseks üksuseks - operon. Operoni tööd saavad reguleerida teised geenid, mis võivad olla operonist endast märgatavalt kaugel - regulaatorid. Sellest geenist tõlgitud valku nimetatakse repressor. See seostub operoni operaatoriga, reguleerides kõigi selles sisalduvate geenide ekspressiooni korraga.

See nähtus iseloomustab ka prokarüoote Transkriptsiooni-tõlke liidesed.

Riis. 19 Transkriptsiooni ja translatsiooni sidumise nähtus prokarüootides - pilt on suurendatud

Sellist sidumist eukarüootides ei toimu tuumaümbrise olemasolu tõttu, mis eraldab tsütoplasma, kus toimub translatsioon, geneetilisest materjalist, millel transkriptsioon toimub. Prokarüootides saab RNA sünteesi ajal DNA matriitsil ribosoom koheselt seonduda sünteesitud RNA molekuliga. Seega algab tõlkimine juba enne transkriptsiooni lõpetamist. Veelgi enam, mitu ribosoomi võivad üheaegselt seonduda ühe RNA molekuliga, sünteesides korraga mitu ühe valgu molekuli.

Geeni struktuur eukarüootides

Eukarüootide geenid ja kromosoomid on väga keeruliselt organiseeritud

Paljudel bakteriliikidel on ainult üks kromosoom ja peaaegu kõigil juhtudel on igas kromosoomis iga geeni üks koopia. Vaid mõned geenid, näiteks rRNA geenid, on leitud mitmes koopias. Geenid ja regulatoorsed järjestused moodustavad praktiliselt kogu prokarüootse genoomi. Pealegi vastab peaaegu iga geen rangelt selle kodeeritavale aminohappejärjestusele (või RNA järjestusele) (joonis 14).

Eukarüootsete geenide struktuurne ja funktsionaalne korraldus on palju keerulisem. Eukarüootsete kromosoomide uurimine ja hiljem täielike eukarüootsete genoomijärjestuste järjestamine tõi kaasa palju üllatusi. Paljudel, kui mitte enamikul eukarüootsetel geenidel on huvitav omadus: nende nukleotiidjärjestused sisaldavad ühte või mitut DNA lõiku, mis ei kodeeri polüpeptiidiprodukti aminohappejärjestust. Sellised transleerimata insertsioonid katkestavad otsese vastavuse geeni nukleotiidjärjestuse ja kodeeritud polüpeptiidi aminohappejärjestuse vahel. Neid geenides olevaid tõlkimata segmente nimetatakse intronid, või sisseehitatud järjestused, ja kodeerimissegmendid on eksonid. Prokarüootides sisaldavad introneid vaid mõned geenid.

Nii et eukarüootides geenide kombinatsiooni operoniteks praktiliselt ei toimu ja eukarüootse geeni kodeeriv järjestus jaguneb enamasti transleeritud piirkondadeks. - eksonid, ja tõlkimata jaotised - intronid.

Enamikul juhtudel ei ole intronite funktsioon kindlaks tehtud. Üldiselt on ainult umbes 1,5% inimese DNA-st "kodeeriv", see tähendab, et see kannab teavet valkude või RNA kohta. Võttes aga arvesse suuri introneid, selgub, et inimese DNA koosneb 30% geenidest. Kuna geenid moodustavad suhteliselt väikese osa inimese genoomist, jääb märkimisväärne osa DNA-st arvestamata.

Riis. 16. Eukarüootide geenistruktuuri skeem - pilt on suurendatud

Igast geenist sünteesitakse esmalt ebaküps ehk pre-RNA, mis sisaldab nii introneid kui ka eksoneid.

Pärast seda toimub splaissimise protsess, mille tulemusena lõigatakse välja introonsed piirkonnad ja moodustub küps mRNA, millest saab sünteesida valku.

Riis. 20. Alternatiivne splaissimisprotsess - pilt on suurendatud

Selline geenide organiseeritus võimaldab näiteks seda, kui ühest geenist saab sünteesida valgu erinevaid vorme, kuna splaissimise käigus saab eksoneid erinevatesse järjestustesse kokku õmmelda.

Riis. 21. Prokarüootide ja eukarüootide geenide ehituse erinevused - pilt on suurendatud

MUTATSIOONID JA MUTAGEES

Mutatsioon nimetatakse genotüübi püsivaks muutuseks, st nukleotiidjärjestuse muutuseks.

Protsessi, mis viib mutatsioonideni, nimetatakse mutagenees, ja keha Kõik mille rakud kannavad sama mutatsiooni - mutant.

Mutatsiooniteooria esmakordselt sõnastas Hugo de Vries 1903. aastal. Selle kaasaegne versioon sisaldab järgmisi sätteid:

1. Mutatsioonid tekivad äkki, spasmiliselt.

2. Mutatsioonid kanduvad edasi põlvest põlve.

3. Mutatsioonid võivad olla kasulikud, kahjulikud või neutraalsed, domineerivad või retsessiivsed.

4. Mutatsioonide tuvastamise tõenäosus sõltub uuritud isendite arvust.

5. Sarnased mutatsioonid võivad esineda korduvalt.

6. Mutatsioonid ei ole suunatud.

Mutatsioonid võivad tekkida erinevate tegurite mõjul. On mutatsioone, mis tekivad mõjul mutageenne mõjusid: füüsikaline (näiteks ultraviolett või kiirgus), keemiline (näiteks kolhitsiin või reaktiivsed hapniku liigid) ja bioloogiline (näiteks viirused). Samuti võivad tekkida mutatsioonid replikatsiooni vead.

Sõltuvalt mutatsioonide ilmnemise tingimustest jagatakse mutatsioonid spontaanne- see tähendab normaalsetes tingimustes tekkinud mutatsioone ja indutseeritud- see tähendab eritingimustel tekkinud mutatsioone.

Mutatsioonid võivad esineda mitte ainult tuuma DNA-s, vaid ka näiteks mitokondriaalses või plastiidi DNA-s. Vastavalt sellele saame eristada tuumaenergia Ja tsütoplasmaatiline mutatsioonid.

Mutatsioonide tulemusena võivad sageli tekkida uued alleelid. Kui mutantne alleel pärsib normaalse alleeli toimet, nimetatakse mutatsiooniks domineeriv. Kui normaalne alleel surub alla mutantset alleeli, nimetatakse seda mutatsiooni retsessiivne. Enamik mutatsioone, mis viivad uute alleelide tekkeni, on retsessiivsed.

Mutatsioone eristatakse efekti järgi kohanemisvõimeline mis suurendab organismi kohanemisvõimet keskkonnaga, neutraalne, mis ei mõjuta ellujäämist, kahjulikud, vähendades organismide kohanemisvõimet keskkonnatingimustega ja surmav, mis põhjustab organismi surma varases arengujärgus.

Vastavalt tagajärgedele põhjustavad mutatsioonid valgu funktsiooni kaotus, mutatsioonid, mis põhjustavad tekkimine valgul on uus funktsioon, samuti mutatsioonid, mis muuta geeni annust, ja vastavalt sellest sünteesitud valgu annus.

Mutatsioon võib tekkida igas keharakus. Kui sugurakus toimub mutatsioon, nimetatakse seda idune(germinaalne või generatiivne). Sellised mutatsioonid ei ilmne organismis, milles nad ilmnesid, vaid viivad mutantide ilmnemiseni järglastes ja on päritavad, seega on need geneetika ja evolutsiooni seisukohalt olulised. Kui mutatsioon toimub mõnes teises rakus, nimetatakse seda somaatiline. Selline mutatsioon võib ühel või teisel määral avalduda organismis, milles see tekkis, näiteks viia vähkkasvajate tekkeni. Selline mutatsioon ei ole aga päritav ega mõjuta järeltulijaid.

Mutatsioonid võivad mõjutada erineva suurusega genoomi piirkondi. Tõstke esile geneetiline, kromosomaalne Ja genoomne mutatsioonid.

Geenimutatsioonid

Nimetatakse mutatsioone, mis esinevad ühest geenist väiksemal skaalal geneetiline, või punkt (punkt). Sellised mutatsioonid põhjustavad muutusi järjestuses ühes või mitmes nukleotiidis. Geenmutatsioonide hulgas onasendused, mis viib ühe nukleotiidi asendamiseni teisega,kustutamised, mis viib ühe nukleotiidi kadumiseni,sisestusi, mis viib järjestusele täiendava nukleotiidi lisamiseni.

Riis. 23. Geeni (punkt) mutatsioonid

Vastavalt valgu toimemehhanismile jagunevad geenimutatsioonid:sünonüüm, mis (geneetilise koodi degeneratsiooni tulemusena) ei too kaasa valguprodukti aminohappelise koostise muutumist,missense mutatsioonid, mis viivad ühe aminohappe asendamiseni teisega ja võivad mõjutada sünteesitud valgu struktuuri, kuigi need on sageli ebaolulised,mõttetud mutatsioonid, mis viib kodeeriva koodoni asendamiseni stoppkoodoniga,mutatsioonid, mis viivad splaissimise häire:

Riis. 24. Mutatsioonimustrid

Samuti eristatakse valgu toimemehhanismi järgi mutatsioone, mis põhjustavad raami nihe lugemist, nagu sisestused ja kustutamised. Sellised mutatsioonid, nagu nonsenssmutatsioonid, kuigi need esinevad geeni ühes punktis, mõjutavad sageli kogu valgu struktuuri, mis võib viia selle struktuuri täieliku muutumiseni.

Riis. 29. Kromosoom enne ja pärast dubleerimist

Genoomsed mutatsioonid

Lõpuks genoomsed mutatsioonid mõjutada kogu genoomi, st kromosoomide arv muutub. On polüploidiad - raku ploidsuse suurenemine ja aneuploidiad, see tähendab kromosoomide arvu muutus, näiteks trisoomia (täiendava homoloogi olemasolu ühes kromosoomides) ja monosoomia (kromosoomide puudumine). kromosoomi homoloog).

Video DNA-st

DNA REPLIKATSIOON, RNA kodeerimine, VALGU SÜNTEES

Jätkamine. Vt nr 11, 12, 13, 14, 15/2005

Bioloogiatunnid loodusainete tundides

Täpsem planeerimine, klass 10

3. Nukleotiidide ühendamine ahelaks

Kondensatsioonireaktsiooni käigus ühendatakse nukleotiidid üksteisega. Sel juhul tekib esterside ühe nukleotiidi suhkrujäägi 3" süsinikuaatomi ja teise nukleotiidi fosforhappejäägi vahel. Selle tulemusena tekivad hargnemata polünukleotiidahelad. Polünukleotiidahela üks ots (nimetatakse 5"-ks). ots) lõpeb fosforhappe molekuliga, mis on seotud 5" -süsiniku aatomiga, teine ​​(nimetatakse 3" otsaks) on vesiniku ioon, mis on seotud 3" süsinikuaatomiga. Järjestikuste nukleotiidide ahel moodustab DNA primaarse struktuuri .

Seega on polünukleotiidahela luustik süsivesik-fosfaat, kuna nukleotiidid on omavahel ühendatud kovalentsete sidemete (fosfodiestersildade) moodustamisega, milles fosfaatrühm moodustab silla ühe suhkrumolekuli C 3 aatomi ja järgmise C 5 aatomi vahel. Tugevad kovalentsed sidemed nukleotiidide vahel vähendavad nukleiinhapete "katkenemise" riski.

Kui nelja tüüpi nukleotiididest moodustatud polünukleotiid sisaldab 1000 ühikut, siis on selle koostise võimalike variantide arv 41000 (see on 6 tuhande nulliga arv). Seetõttu võivad vaid nelja tüüpi nukleotiidid pakkuda tohutul hulgal nukleiinhappeid ja neis sisalduvat teavet.

4. Kaheahelalise DNA molekuli moodustumine

1950. aastal sai inglise füüsik Maurice Wilkins DNA röntgendifraktsioonimustri. Ta näitas, et DNA molekulil on teatud struktuur, mille dekodeerimine aitaks mõista selle toimimise mehhanismi. Kõrgelt puhastatud DNA-st saadud röntgenpildid võimaldasid Rosalind Franklinil näha selget ristikujulist mustrit – kaksikheeliksi tunnusmärki. Sai teada, et nukleotiidid asuvad üksteisest 0,34 nm kaugusel ja neid on 10 spiraali pöörde kohta.

DNA molekuli läbimõõt on umbes 2 nm. Röntgeniandmetest ei selgunud aga, kuidas kahte ketti koos hoiti.

Pilt sai täiesti selgeks 1953. aastal, kui Ameerika biokeemik James Watson ja inglise füüsik Francis Crick jõudsid DNA struktuuri kohta teadaolevate andmete totaalset kaalutledes järeldusele, et suhkrufosfaadi karkass asub DNA perifeerias. DNA molekul ning puriini ja pürimidiini alused on keskel.

D. Watson ja F. Crick tegid kindlaks, et DNA kaks polünukleotiidahelat on keerdunud üksteise ümber ja ümber ühise telje. DNA ahelad on antiparalleelsed (mitmesuunalised), st. ühe keti 3-tollise otsa vastas on teise 5-tolline ots (kujutlege kahte spiraaliks keerdunud madu – ühe peast teise saba külge). Spiraal on tavaliselt keeratud paremale, kuid on ka vasakukäelise spiraali moodustumise juhtumeid.

5. Chargaffi reeglid. Komplementaarsuse põhimõtte olemus

Juba enne Watsoni ja Cricki avastamist, aastal 1950, tegi Austraalia biokeemik Edwin Chargaff kindlaks, et mis tahes organismi DNA-s on adenüülnukleotiidide arv võrdne tümidüülnukleotiidide arvuga ja guanüülnukleotiidide arv on võrdne tsütosüülnukleotiidide arvuga (A=T, G=C) või nende koguarvuga. puriini lämmastikku sisaldavate aluste väärtus on võrdne pürimidiini lämmastikaluste koguarvuga (A+G=C+T) . Neid mustreid nimetatakse Chargaffi reegliteks.

Fakt on see, et topeltheeliksi moodustumisel paigaldatakse lämmastikalus tümiin alati ühes ahelas lämmastikku sisaldava aluse adeniini vastas ja tsütosiin guaniini vastas, see tähendab, et DNA ahelad näivad üksteist täiendavat. Ja need paaris nukleotiidid täiendavadüksteisele (alates lat. komplementum- lisamine). Oleme juba korduvalt kohanud komplementaarsuse avaldumist (ensüümi aktiivne kese ja substraadi molekul on teineteisega komplementaarsed, antigeen ja antikeha on teineteisele komplementaarsed).

Miks seda põhimõtet järgitakse? Sellele küsimusele vastamiseks peame meeles pidama lämmastikku sisaldavate heterotsükliliste aluste keemilist olemust. Adeniin ja guaniin kuuluvad puriinide hulka ning tsütosiin ja tümiin kuuluvad pürimidiinide hulka, see tähendab, et sidemeid ei teki sama laadi lämmastikualuste vahel. Lisaks vastavad teineteisele geomeetriliselt täiendavad alused, s.t. suuruse ja kuju poolest.

Seega nukleotiidide komplementaarsus on nende molekulide struktuuride keemiline ja geomeetriline vastavus üksteisele.

Lämmastikku sisaldavad alused sisaldavad suure elektronegatiivsusega hapniku- ja lämmastikuaatomeid, mis kannavad osalist negatiivset laengut, samuti vesinikuaatomeid, mis kannavad osalist positiivset laengut. Nende osalaengute tõttu tekivad DNA molekuli antiparalleelsete järjestuste lämmastikualuste vahel vesiniksidemed.

Vesiniksidemete moodustumine komplementaarsete lämmastikaluste vahel

Adeniini ja tümiini (A=T) vahel on kaks vesiniksidet ning guaniini ja tsütosiini vahel kolm (G=C) vesiniksidet. Selline nukleotiidide ühendus tagab esiteks maksimaalse arvu vesiniksidemete moodustumise ja teiseks on ahelate vaheline kaugus kogu spiraali pikkuses ühesugune.

Kõigest eelnevast järeldub, et teades nukleotiidide järjestust ühes spiraalis, saate teada nukleotiidide järjestuse teises spiraalis.

Kahekordne komplementaarne ahel moodustab DNA sekundaarse struktuuri. DNA spiraalne kuju on selle tertsiaarne struktuur.

III. Teadmiste kinnistamine

Üldine vestlus uue materjali õppimisel; probleemi lahendamine.

Ülesanne 1. Laboris uuriti DNA molekuli ühe ahela lõiku. Selgus, et see koosneb 20 monomeerist, mis on järjestatud järgmises järjestuses: G-T-G-T-A-A-C-G-A-C-C-G-A-T-A-C-T-G -T-A.
Mida saab öelda sama DNA molekuli teise ahela vastava lõigu struktuuri kohta?

Teades, et DNA molekuli ahelad on üksteisega komplementaarsed, määrame kindlaks sama DNA molekuli teise ahela nukleotiidjärjestuse: C-A-C-A-T-T-G-C-T-G-G-C-T-A-T- G-A-C-A-T.

Ülesanne 2. Ühe DNA ahela fragmendil paiknevad nukleotiidid järjestuses: A-A-G-T-C-T-A-C-G-T-A-T...

1. Joonistage selle DNA molekuli teise ahela struktuuri skeem.
2. Kui suur on selle DNA fragmendi pikkus nm, kui üks nukleotiid võtab enda alla umbes 0,34 nm?
3. Mitu nukleotiidi (%) on selles DNA molekuli fragmendis?

1. Lõpetame selle DNA molekuli fragmendi teise ahela, kasutades komplementaarsuse reeglit: T-T-C-A-G-A-T-G-C-A-T-A.
2. Määrake selle DNA fragmendi pikkus: 12x0,34 = 4,08 nm.
3. Arvutage nukleotiidide protsent selles DNA fragmendis.

24 nukleotiidi – 100%
8A – x%, seega x=33,3%(A);
sest Chargaffi reegli järgi A=T, mis tähendab T=33,3% sisaldust;
24 nukleotiidi – 100%
4G – x%, seega x=16,7%(G);
sest Chargaffi reegli järgi G=C, mis tähendab C=16,6% sisaldust.

Vastus: T-T-C-A-G-A-T-G-C-A-T-A; 4,08 nm; A = T = 33,3%; G=C=16,7%

Ülesanne 3. Milline on teise DNA ahela koostis, kui esimene sisaldab 18% guaniini, 30% adeniini ja 20% tümiini?

1. Teades, et DNA molekuli ahelad on üksteisega komplementaarsed, määrame nukleotiidide sisalduse (%) teises ahelas:

sest esimeses ahelas G = 18%, mis tähendab, et teises ahelas C = 18%;
sest esimeses ahelas A=30%, mis tähendab, et teises ahelas T=30%;
sest esimeses ahelas T=20%, mis tähendab, et teises ahelas A=20%;

2. Määrake tsütosiini sisaldus esimeses ahelas (%).

määrata tsütosiini osakaal DNA esimeses ahelas: 100% – 68% = 32% (C);

kui esimeses ahelas C = 32%, siis teises ahelas G = 32%.

Vastus: C=18%; T = 30%; A = 20%; G=32%

Ülesanne 4. DNA molekulis on 23% adenüülnukleotiide nukleotiidide koguarvust. Määrake tümidüül- ja tsütosüülnukleotiidide arv.

1. Chargaffi reeglit kasutades leiame tümidüülnukleotiidide sisalduse antud DNA molekulis: A=T=23%.
2. Leia adenüül- ja tümidüülnukleotiidide sisalduse summa (%) antud DNA molekulis: 23% + 23% = 46%.
3. Leia guanüüli ja tsütosüüli nukleotiidide sisalduse summa (%) antud DNA molekulis: 100% – 46% = 54%.
4. Chargaffi reegli kohaselt moodustavad nad DNA molekulis G = C kokku 54% ja üksikult: 54% : 2 = 27%.

Vastus: T=23%; C=27%

Ülesanne 5. Antud on DNA molekul suhtelise molekulmassiga 69 tuhat, millest 8625 on adenüülnukleotiidid. Ühe nukleotiidi suhteline molekulmass on keskmiselt 345. Mitu üksikut nukleotiidi on selles DNA-s? Mis on selle molekuli pikkus?

1. Määrake, mitu adenüülnukleotiide on antud DNA molekulis: 8625: 345 = 25.
2. Chargaffi reegli järgi A = G, s.o. antud DNA molekulis A=T=25.
3. Määrake, kui palju selle DNA kogumolekulimassist moodustab guanüülnukleotiidide osakaal: 69 000 – (8625x2) = 51 750.
4. Määrake guanüül- ja tsütosüülnukleotiidide koguarv selles DNA-s: 51 750:345=150.
5. Määrake guanüül- ja tsütosüülnukleotiidide sisaldus eraldi: 150:2 = 75;
6. Määrake selle DNA molekuli pikkus: (25 + 75) x 0,34 = 34 nm.

Vastus: A=T=25; G=C=75; 34 nm.

Ülesanne 6. Mõnede teadlaste hinnangul on ühe inimese suguraku tuuma kõigi DNA molekulide kogupikkus umbes 102 cm Mitu nukleotiidipaari sisaldab ühe raku DNA (1 nm = 10–6 mm)?

1. Teisendage sentimeetrid millimeetriteks ja nanomeetriteks: 102 cm = 1020 mm = 1 020 000 000 nm.
2. Teades ühe nukleotiidi pikkust (0,34 nm), määrame inimese suguraku DNA molekulides sisalduvate nukleotiidipaaride arvu: (10 2 x 10 7): 0,34 = 3 x 10 9 paari.

Vastus: 3x109 paari.

IV. Kodutöö

Uurige õpiku lõiku ja tunnis tehtud märkmeid (sisu, nukleiinhapete molekulmass, nukleotiidide struktuur, Chargaffi reegel, komplementaarsuse printsiip, kaheahelalise DNA molekuli moodustumine), lahendage ülesandeid pärast lõigu teksti.

Tund 16–17. Raku RNA-de klassid ja nende funktsioonid. erinevused DNA ja RNA vahel. DNA replikatsioon. mRNA süntees

Varustus: üldbioloogia tabelid; nukleotiidide struktuuriskeem; DNA struktuuri mudel; diagrammid ja joonised, mis illustreerivad RNA struktuuri, replikatsiooni- ja transkriptsiooniprotsesse.

I. Teadmiste kontroll

Töö kaartidega

Kaart 1. Märkige DNA molekuli struktuuri põhimõttelised erinevused teiste biopolümeeride (valgud, süsivesikud) molekulidest.

Kaart 2. Millel põhineb DNA tohutu infovõime? Näiteks imetajate DNA sisaldab 4–6 miljardit bitti informatsiooni, mis vastab 1,5–2 tuhande mahuga raamatukogule. Kuidas see funktsioon struktuuris kajastub?

Kaart 3. Kuumutamisel DNA, nagu valgud, denatureerub. Mis sa arvad, mis juhtub topeltheeliksiga?

Kaart 4. Täida tekstis lüngad: „DNA molekuli kaks ahelat on vastamisi... . Ahelad on ühendatud... ja adeniini sisaldava nukleotiidi vastas on alati... sisaldav nukleotiid ja tsütosiini sisaldava nukleotiidi vastas - sisaldav.... Seda põhimõtet nimetatakse põhimõtteks... . Paigutusjärjekord... molekulis... iga organismi jaoks... määrab järjestuse... sisse... . Seega on DNA... DNA paikneb peamiselt eukarüootide rakkudes ja prokarüootide rakkudes."

Suuline teadmiste test küsimuste kohta

1. Nukleiinhapped, nende sisaldus elusaines, molekulmass.
2. NC – mitteperioodilised polümeerid. Nukleotiidi struktuur, nukleotiidide tüübid.
3. Nukleotiidide ühendamine ahelaks.
4. Kaheahelalise DNA molekuli moodustumine.
5. Chargaffi reeglid. Komplementaarsuse põhimõtte olemus.

Õpikus toodud ülesannete lahenduste õigsuse kontrollimine.

II. Uue materjali õppimine

1. RNA ja selle tähendus

Valgud moodustavad elu aluse. Nende funktsioonid rakus on väga mitmekesised. Oravad aga "ei saa" paljuneda. Ja kogu teave valkude struktuuri kohta sisaldub geenides (DNA).

Kõrgemates organismides sünteesitakse valgud raku tsütoplasmas ja DNA on peidetud tuuma kesta taha. Seetõttu ei saa DNA otseselt olla valgusünteesi mallina. Seda rolli täidab teine ​​nukleiinhape – RNA.

RNA molekul on hargnemata polünukleotiid, millel on tertsiaarne struktuur. See on moodustatud ühest polünukleotiidahelast ja kuigi selle koostises olevad komplementaarsed nukleotiidid on samuti võimelised moodustama üksteisega vesiniksidemeid, tekivad need sidemed sama ahela nukleotiidide vahel. RNA ahelad on palju lühemad kui DNA ahelad. Kui DNA sisaldus rakus on suhteliselt konstantne, siis RNA sisaldus kõigub suuresti. Suurimat RNA kogust rakkudes täheldatakse valgusünteesi käigus.

RNA mängib olulist rolli päriliku teabe edastamisel ja rakendamisel. Vastavalt nende funktsioonile ja struktuurilistele tunnustele eristatakse mitut rakulise RNA klassi.

2. Raku RNA-de klassid ja nende funktsioonid

Rakuline RNA on kolm peamist klassi.

1. Teave (mRNA) või maatriks (mRNA). Selle molekulid on suuruse, molekulmassi (0,05x106 kuni 4x106) ja stabiilsuse poolest kõige erinevamad. Need moodustavad umbes 2% RNA koguhulgast rakus. Kõik mRNA-d on geneetilise informatsiooni kandjad tuumast tsütoplasmasse, valgusünteesi kohta. Need toimivad maatriksina (tööjoonisena) valgumolekuli sünteesil, kuna määravad valgu molekuli aminohappejärjestuse (esmastruktuuri).

2. Ribosomaalne RNA (rRNA). Need moodustavad 80–85% kogu RNA sisaldusest rakus. Ribosomaalne RNA koosneb 3–5 tuhandest nukleotiidist. Seda sünteesitakse tuuma tuumades. Ribosomaalsete valkudega kompleksis moodustab rRNA ribosoomid - organellid, millele monteeritakse valgumolekulid. rRNA põhiline tähtsus seisneb selles, et see tagab mRNA ja ribosoomi esialgse sidumise ning moodustab ribosoomi aktiivse tsentri, milles polüpeptiidahela sünteesi käigus toimub aminohapete vaheliste peptiidsidemete moodustumine.

3. RNA-de ülekandmine(T RNA). tRNA molekulid sisaldavad tavaliselt 75-86 nukleotiidi. tRNA molekulide molekulmass on umbes 25 tuhat.tRNA molekulid mängivad valkude biosünteesis vahendajate rolli – toimetavad aminohapped valgusünteesi kohta ehk ribosoomidesse. Rakk sisaldab rohkem kui 30 tüüpi tRNA-d. Igal tRNA tüübil on ainulaadne nukleotiidjärjestus. Kõigil molekulidel on aga mitu intramolekulaarset komplementaarset piirkonda, mille olemasolu tõttu on kõigil tRNA-del tertsiaarne struktuur, mis meenutab kujult ristikulehte.

3. DNA ja RNA molekulide erinevused

Õpilased täidavad tabeli ja kontrollivad seda.

Võrdlusmärgid
Asukoht puuris	Tuum, mitokondrid, kloroplastid	Tuum, ribosoomid, tsentrioolid, tsütoplasma, mitokondrid ja kloroplastid
Makromolekuli struktuur	Kahekordne hargnemata lineaarne polümeer, keritud spiraaliks	Üks polünukleotiid ahel
Monomeerid	Deoksüribonukleotiidid	Ribonukleotiidid
Nukleotiidide koostis	Puriini (adeniin, guaniin) ja pürimidiini (tüümiin, tsütosiin) lämmastiku alused; desoksüriboos (C5); fosforhappe jääk	Puriini (adeniin, guaniin) ja pürimidiini (uratsiil, tsütosiin) lämmastiku alused; riboos (C5); fosforhappe jääk
	Päriliku teabe eestkostja	Vahendaja geneetilise teabe müügis

4. DNA replikatsioon

DNA molekuli üks unikaalseid omadusi on võime ise paljuneda – reprodutseerida originaalmolekuli täpseid koopiaid. Tänu sellele toimub päriliku informatsiooni ülekanne emarakust tütarrakkudesse jagunemisel. DNA molekuli eneseduplikatsiooni protsessi nimetatakse replikatsioon (reduplikatsioon).

Replikatsioon on keeruline protsess, mis hõlmab ensüüme (DNA polümeraasid). Replikatsiooni toimumiseks tuleb DNA kaksikheeliks kõigepealt lahti kootud. Seda teevad ka spetsiaalsed ensüümid - helikaasid, purustades aluste vahelisi vesiniksidemeid. Kuid lahtiharutatud alad on kahjustavate tegurite suhtes väga tundlikud. Tagamaks, et need jääksid kaitsmata olekusse võimalikult lühikeseks ajaks, toimub mõlema ahela süntees samaaegselt.

Kuid ema-DNA-s on kaksikheeliksi kaks ahelat antiparalleelsed - ühe ahela 3' otsa vastas on teise ahela 5' ots ja ensüüm DNA polümeraas saab "liikuda" ainult ühes suunas - alates 3. ' otsast malli ahela 5' otsani . Seetõttu lülitub lähtemolekuli poole replikatsioon, alustades 3'-nukleotiidist, pärast topeltheeliksi lahtikeeramist sisse ja arvatakse, et see jätkub pidevalt. Molekuli teise poole replikatsioon algab veidi hiljem ja mitte algusest (kus asub 5’-nukleotiid, mis takistab reaktsiooni toimumist), vaid sellest mingil kaugusel. Sel juhul liigub DNA polümeraas vastupidises suunas, sünteesides suhteliselt lühikese fragmendi. Sel hetkel tekkivat struktuuri nimetatakse replikatsioonikahvel. Topeltheeliksi lahtikerimisel liigub replikatsioonikahvel – teisel ahelal algab järgmise lõigu süntees, mis liigub eelmise, juba sünteesitud fragmendi alguse poole. Siis need üksikud fragmendid teises maatriksiahelas (neid nimetatakse Okazaki killud) on ensüümi DNA ligaasi abil kokku ühendatud üheks ahelaks.

DNA replikatsioonikahvli struktuuri skeem

Replikatsiooni käigus ATP molekulide energiat ei kuluta, kuna tütarahelate sünteesiks replikatsiooni ajal ei kasutata mitte desoksüribonukleotiide (sisaldab ühte fosforhappejääki), vaid desoksüribonukleosiidtrifosfaadid(sisaldavad kolme fosforhappe jääki). Kui desoksüribonukleosiidtrifosfaadid lülitatakse polünukleotiidahelasse, eraldatakse kaks terminaalset fosfaati ja vabanenud energiat kasutatakse nukleotiidide vahelise estersideme moodustamiseks.

Replikatsiooni tulemusena moodustuvad kaks topelt "tütar" heeliksit, millest igaüks säilitab (säilitab) muutumatuna ühe algse "ema" DNA poole. "Tütar" molekulide teised ahelad sünteesitakse nukleotiididest uuesti. See sai nime DNA poolkonservatiivsus.

5. RNA süntees rakus

RNA lugemist DNA matriitsist nimetatakse transkriptsioon(alates lat. transkriptio– ümberkirjutamine). Seda teostab spetsiaalne ensüüm - RNA polümeraas. Eukarüootsetes rakkudes on leitud kolm erinevat RNA polümeraasi, mis sünteesivad erinevaid RNA klasse.

Transkriptsioon on ka näide matriitsi sünteesi reaktsioonist. RNA ahel on väga sarnane DNA ahelaga: see koosneb ka nukleotiididest (ribonukleotiidid, väga sarnased desoksüribonukleotiididele). RNA loetakse DNA sektsioonist, milles see on kodeeritud, vastavalt komplementaarsuse põhimõttele: uratsiil-RNA muutub DNA-s vastandlikuks adeniiniks, tsütosiiniks guaniiniks, adeniiniks tümiiniks ja guaniiniks tsütosiiniks.

Teatud geenis toimib RNA sünteesi mallina ainult üks kahest komplementaarsest DNA ahelast koosnev ahel. Seda vooluahelat nimetatakse tööahelaks.

Vastavalt aktsepteeritud tavadele on geeni algus diagrammidel kujutatud vasakul. Sel juhul on DNA molekuli mittetöötav (mittekodeeriv) ahela vasak ots, töötaval (kodeerival) ahelal aga vastupidine ots. RNA polümeraasi ensüüm kinnitub promootor(DNA nukleotiidide spetsiifiline järjestus, mille ensüüm "ära tunneb" keemilise afiinsuse tõttu ja mis asub DNA matriitsi ahela vastava lõigu 3" otsas.) Ainult promootoriga liitudes on RNA polümeraas võimeline alustama RNA sünteesi rakus leiduvatest vabadest ribonukleosiidtrifosfaatidest Energia RNA sünteesiks sisaldub ribonukleosiidtrifosfaatide makroenergeetilistes sidemetes.

III. Teadmiste kinnistamine

Vestluse kokkuvõtte tegemine uue materjali õppimisel. Probleemi lahendus.

Ülesanne. DNA molekul koosneb kahest ahelast - peamisest, millel sünteesitakse mRNA, ja komplementaarsest. Kirjutage üles nukleotiidide järjekord sünteesitud mRNA-s, kui nukleotiidide järjekord peamises (töötavas) DNA ahelas on järgmine: C-G-C-T-G-A-T-A-G.

Komplementaarsuse põhimõtet kasutades määrame nukleotiidide paigutuse järjekorra piki töötavat DNA ahelat sünteesitud mRNA-s: G-C-G-A-C-U-A-U-C.

Vastus: G-C-G-A-C-U-A-U-C

IV. Kodutöö

Uurige õpiku lõiku (RNA, selle peamised klassid ja funktsioonid, DNA ja RNA erinevused, replikatsioon ja transkriptsioon).

Tund 18. Teadmiste üldistamine teemal “DNA ja RNA”

Varustus: tabelid üldbioloogiast, nukleotiidi ehituse diagramm, DNA struktuuri mudel, diagrammid ja joonised, mis illustreerivad RNA struktuuri, replikatsiooni- ja transkriptsiooniprotsesse.

I. Teadmiste kontroll

Suuline teadmiste test küsimustes.

1. RNA ja selle tähtsus rakus.
2. Rakulise RNA klassid ja nende funktsioonid ( kolm õpilast).
3. Replikatsioon, selle mehhanism ja tähendus.
4. Transkriptsioon, selle mehhanism ja tähendus.

Bioloogiline diktaat "DNA ja RNA võrdlus"

Õpetaja loeb kokkuvõtteid numbrite all, õpilased kirjutavad vihikusse nende konspektide numbrid, mis vastavad nende versiooni sisule.

1. võimalus – DNA; variant 2 – RNA.

1. Üheahelaline molekul.
2. Kaheahelaline molekul.
3. Sisaldab adeniini, uratsiili, guaniini, tsütosiini.
4. Sisaldab adeniini, tümiini, guaniini, tsütosiini.
5. Nukleotiidid sisaldavad riboosi.
6. Nukleotiidid sisaldavad desoksüriboosi.
7. Sisaldub tuumas, kloroplastides, mitokondrites, tsentrioolides, ribosoomides, tsütoplasmas.
8. Sisaldub tuumas, kloroplastides, mitokondrites.
9. Osaleb päriliku teabe säilitamisel, reprodutseerimisel ja edastamisel.
10. Osaleb päriliku teabe edastamises.

Variant 1 – 2; 4; 6; 8; 9;

Variant 2 – 1; 3; 5; 7; 10.

Probleemi lahendamine

Ülesanne 1. Keemiline analüüs näitas, et 28% selle mRNA nukleotiidide koguarvust on adeniin, 6% guaniin ja 40% uratsiil. Milline peaks olema kaheahelalise DNA vastava lõigu nukleotiidide koostis, mille info see mRNA “ümber kirjutab”?

1. Teades, et RNA molekuli ahel ja DNA molekuli tööahel on teineteisega komplementaarsed, määrame nukleotiidide sisalduse (%) töötavas DNA ahelas:

mRNA ahelas G = 6%, mis tähendab töötavas DNA ahelas C = 6%;

mRNA ahelas A = 28%, mis tähendab töötavas DNA ahelas T = 28%;

mRNA ahelas Y = 40%, mis tähendab töötavas DNA ahelas A = 40%;

2. Määrake tsütosiini sisaldus mRNA ahelas (%).

määrata tsütosiini osakaal mRNA ahelas: 100% – 74% = 26% (C);

kui mRNA ahelas C = 26%, siis töötavas DNA ahelas G = 26%.

Vastus: C=6%; T = 28%; A = 40%; G=26%

Ülesanne 2. Ühe DNA ahela fragmendil paiknevad nukleotiidid järjestuses: A-A-G-T-C-T-A-A-C-G-T-A-T. Joonistage kaheahelalise DNA molekuli struktuuri skeem. Kui pikk on see DNA fragment? Mitu nukleotiidi (%) on selles DNA ahelas?

1. Komplementaarsuse põhimõtte kohaselt ehitab see üles antud DNA molekuli teise ahela: T-T-C-A-G-A-T-T-G-C-A-T-A.

2. Teades ühe nukleotiidi pikkust (0,34 nm), määrame selle DNA fragmendi pikkuse (DNA-s on ühe ahela pikkus võrdne kogu molekuli pikkusega): 13x0,34 = 4,42 nm.

3. Arvutage nukleotiidide protsent antud DNA ahelas:

13 nukleotiidi – 100%
5 A – x%, x=38% (A).
2 G – x%, x=15,5% (G).
4 T – x%, x=31% (T).
2 C – x%, x=15,5% (C).

Vastus: T-T-C-A-G-A-T-T-G-C-A-T-A; 4,42 nm; A = 38; T = 31%; G = 15,5%; C = 15,5%.

Iseseisva töö teostamine

valik 1

1. Antud on DNA molekuli ühe ahela fragmendid: C-A-A-A-T-T-G-G-A-C-G-G-G. Määrake igat tüüpi nukleotiidide sisaldus (%) ja selle DNA molekuli fragmendi pikkus.

2. Kas DNA molekulis leidub 880 guanüülnukleotiidi, mis moodustavad 22% selle DNA nukleotiidide koguarvust? Määrake, kui palju teisi nukleotiide (individuaalselt) see DNA molekul sisaldab. Kui pikk see DNA on?

2. võimalus

1. Antud on DNA molekuli ühe ahela fragmendid: A-G-C-C-G-G-G-A-A-T-T-A. Määrake igat tüüpi nukleotiidide sisaldus (%) ja selle DNA molekuli fragmendi pikkus.

2. DNA molekulist leiti 250 tümidüülnukleotiidi, mis moodustavad 22,5% selle DNA nukleotiidide koguarvust. Määrake, kui palju teisi nukleotiide (individuaalselt) see DNA molekul sisaldab. Kui pikk see DNA on?

IV. Kodutöö

Vaadake üle materjal elusaines leiduvate orgaaniliste ainete põhiklasside kohta.

Jätkub

Loeng nr 2. DNA replikatsioon

J. Watsoni ja F. Cricki hüpoteesi kohaselt toimib DNA kaksikheeliksi iga ahela matriitsina komplementaarsete tütarahelate replikatsiooniks. Sel juhul moodustuvad kaks kaheahelalist tütarmolekuli, mis on identsed algse molekuliga, ja igaüks neist molekulidest sisaldab üht muutumatut lähte-DNA ahelat. Seda DNA replikatsiooni mehhanismi, mida nimetatakse poolkonservatiivseks, kinnitasid M. Mezelson ja F. Stahl 1957. aastal E. coli rakkudega tehtud katsetes. Konservatiivne replikatsioonimeetod, mille puhul üks tütar-DNA peab sisaldama mõlemat algset ahelat ja teine ​​peab koosnema kahest äsja sünteesitud ahelast, ning dispergatiivne replikatsioonimehhanism, mille puhul iga tütar-DNA ahel koosneb algse ja äsja moodustunud DNA osadest, on välistatud (joonis 1, slaid 1) .

DIV_ADBLOCK489">

3. protsess on sümmeetriline: mõlemad vanemliku DNA ahelad toimivad mallidena; seda võib nimetada ka poolkonservatiivseks;

4. DNA ahela (või selle üksiku fragmendi) pikenemine toimub alati 5’ otsast 3’ otsa suunas. See tähendab, et kasvava ahela 3'-otsa lisatakse veel üks uus nukleotiid. Lisaks, kuna mis tahes DNA molekulis on komplementaarsed ahelad antiparalleelsed, on kasvav ahel matriitsi ahelaga antiparalleelne. Järelikult loetakse viimast suunas 3’→5’ (slaid 2 ja 3).

5. paaritu DNA ahel, mis toimib matriitsina, ja iduahel, millele on lisatud uusi nukleotiide;

Replikatsiooniprotsessi viib läbi keeruline ensüümikompleks. DNA replikatsiooni ajal eukarüootides ei tööta igas kromosoomis mitte ainult üks, vaid suur hulk selliseid komplekse. See. Kromosoomis on palju DNA replikatsiooni alguspunkte. Ja DNA kahekordistumine ei toimu mitte järjestikku ühest otsast teise, vaid üheaegselt paljudes kohtades korraga, mis vähendab oluliselt protsessi kestust (slaid 5). Replikatsioon levib igast replikatsiooni alguspunktist mõlemas suunas ja moodustuvad replikatsioonikahvlid. Kahvlite vahele ilmub järk-järgult laienev "paistetus" või "silm" - need on juba DNA replitseeritud lõigud. Külgnevad "punnid" lõpuks ühinevad ja DNA kahekordistub.

Ensüümikompleks toimib nii, et üks kahest selle sünteesitavast ahelast kasvab mõnevõrra kiiremini kui teine ​​ahel. Sellest lähtuvalt nimetatakse esimest ahelat juhtivaks ja teist mahajäämiseks. Juhtahela moodustab ensüümikompleks pideva väga pika fragmendina. Selle pikkus (näiteks spermatogoonia puhul) on 1 600 000 nukleotiidi; mahajäänud ahel moodustub lühikeste fragmentide seeriana - igaüks umbes 1500 nukleotiidi. See on nn Okazaki killud.

Iga DNA fragmendi moodustamisele eelneb RNA praimeri lühikese järjestuse (10-15 nukleotiidist) süntees. Fakt on see, et DNA polümeraas (DNA sünteesi peamine ensüüm) ei saa protsessi alustada "nullist", st oligonukleotiidjärjestuse puudumisel. Kuid RNA sünteesi ensüümil (RNA polümeraas) on see võime olemas; ja see ensüüm alustab iga uue DNA fragmendi moodustumist.

DNA sünteesis osalevad ensüümid ja valgud: DNA polümeraasid, topoisomeraasid (güraasid), helikaasid ja ligaasid, primaas, ssb valgud. Kogu kompleksi, mis koosneb enam kui 20 replikatiivsest ensüümist ja faktorist, nimetatakse DNA replikaasisüsteemiks ehk replisoomiks.

DNA-sõltuvad DNA polümeraasid on replikatsiooniprotsessi võtmeensüümid, mis kasutavad polünukleotiidahelate kasvatamiseks komplementaarsuse põhimõtet. Prokarüootidel on kolm DNA polümeraasi: Pol I, Pol II ja Pol III. Pol I ja Pol III osalevad DNA replikatsioonis. DNA polümeraas I omab polümeraasi ja (3’→5’, 5’→3’)-eksonukleaasi aktiivsust, osaleb praimeri eemaldamises, praimeri kohas tekkinud tühimiku täitmises, replikatsioonivigade parandamises, samuti DNA parandamises. E. coli rakkudes on umbes 400 selle ensüümi molekuli. Pol III teostab parandus-DNA sünteesi.

Peamine ensüüm, mis katalüüsib äsja moodustunud DNA biosünteesi prokarüootides, on DNA polümeraas III (Pol III). Sellel on polümeraasi ja 3'→5' eksonukleaasi aktiivsus; sünteesib DNA juhtivaid ja mahajäänud ahelaid ning omab korrektuurifunktsiooni. Rakk sisaldab 10-20 Pol III molekuli, sellel on suurenenud afiinsus maatriksi suhtes ja see tagab kõrge kopeerimise efektiivsuse.

Aktiveerimine" href="/text/category/aktivatciya/" rel="bookmark">DNA polümeraasi aktiveerimine.

Tekib küsimus: miks vajab DNA polümeraas III kahte tüüpi aktiivsust: polümeraas ja 3¢→5¢ eksonukleaas? Fakt on see, et kopeerimise täpsus DNA replikatsiooni ajal on väga kõrge - miljardi aluspaari kohta on ligikaudu üks viga. Normaalses DNA-s ilmnevad aga lühiajaliselt kõigi nelja aluse haruldased tautomeersed vormid. Need kujundid moodustavad ebakorrapärased paarid. Näiteks tsütosiini tautomeerne vorm paardub guaniini asemel adeniiniga, mille tulemuseks on mutatsioon (slaid). See tähendab, et kõrge replikatsioonitäpsuse määrab mehhanism, mis teostab parandusi, st selliste vigade kõrvaldamist. Siin tuleb mängu DNA polümeraasi III 3¢→5¢ eksonukleaasi aktiivsus. Olles kokku puutunud DNA molekuliga, mille tsütosiin ei ole adeniiniga paaritud, lõikab DNA polümeraas III (hüdrolüüsi teel) ära kõik paaritumata nukleotiidid.

On tõendeid, et DNA polümeraas III katalüüsib replikatsiooni ajal DNA juhtivate (juhtivate) ja mahajäänud ahelate seotud sünteesi. DNA polümeraasid vajavad praimerit, kuna nad suudavad lisada 3'-OH rühma ainult desoksüribonukleotiide. Juhtahelal on 1 praimer ja mahajäänud ahelal rohkem kui üks. Mahajäänud ahelal olev DNA polümeraas sünteesib lühikese fragmendi 4 sekundiga ja lülitub seejärel teise (järgmise) fragmendi sünteesile matriitsi ahela osas, mis asub esimesest (slaidist) teatud kaugusel.

Iga lühikese fragmendi jaoks vajab DNA polümeraas paaritud 3¢ otsaga praimerit. Praimereid sünteesib ensüüm DNA primaas, mis moodustab ribonukleosiidtrifosfaatidest lühikesed RNA praimerid (praimerid), mis eukarüootides koosnevad ligikaudu 10 nukleotiidist (slaid). Praimerid sünteesitakse teatud ajavahemike järel mahajäänud ahela matriitsil, seejärel laiendatakse neid DNA polümeraasiga, alustades iga kord uut Okazaki fragmenti. DNA polümeraasi molekul jätkab kasvu, kuni see jõuab praimerini. Et tagada DNA ahela järjepidevus paljudest sellistest fragmentidest, tuleb mängu DNA parandussüsteem, mis eemaldab RNA praimeri ja asendab selle DNA-ga. Protsessi lõpetab ligaas, mis ühendab uue fragmendi 3¢ otsa eelmise fragmendi 5¢ otsaga.

DNA kahekordne ahel peab replikatsioonikahvli edenedes lahti kerima, et sissetulevad desoksüribonukleosiidtrifosfaadid saaksid paarituda algmatriitsi ahelaga. Normaalsetes tingimustes on DNA kaksikheeliks siiski stabiilne; aluspaarid on nii tihedalt ühendatud, et kahe DNA ahela eraldamiseks katseklaasis on vaja temperatuuri, mis läheneb vee keemistemperatuurile (90°C). Topeltheeliksi avanemiseks on vaja kahte tüüpi valke: helikaase ja SSB valke.

Valgud, mis valmistavad ette vanemliku DNA replikatsiooniks

a) DNA molekuli replikatsiooni alguspunktidel on spetsiifiline aluste järjestus, mis on rikas A-T paaride poolest.

Protsess algab mitme erituvastusvalgu molekuli sidumisega iga sellise järjestusega. Bakterite puhul nimetatakse selliseid valke DnaA-ks (esimeste valkudena, mis käivitavad replikatsiooni). (Seetõttu on joonisel äratundvat valku tähistatud tähega A.)

Võib ette kujutada erinevaid põhjuseid, miks saab võimalikuks äratundmisvalkude interaktsioon replikatsiooni alguspunktidega. Nende põhjuste hulgas:

- äratundmisvalkude ilmumine tuumas või nende spetsiifiline modifikatsioon;

- replikatsiooni alguspunktide vabastamine teatud blokeerivatest elementidest;

- mõne kolmanda kõnealuse interaktsiooni jaoks vajalike tegurite ilmnemine tuumas; jne.

Saadaolevad andmed toetavad esimest valikut. Kuid igal juhul on selge, et siin on üks peamisi lülisid, mis kontrollivad replikatsiooni algust.

Tunnustusvalgud, mis on taganud DNA replikatsioonikompleksi sidumise, ilmselt ei liigu sellega koos DNA-s kaugemale.

b) Üks "pioneere" on ensüüm helikaas (joonisel tähistatud tähega G). See tagab vanemliku DNA kaksikheeliksi lahtikeeramise replikatsioonikahvli piirkonnas: viimane on eraldatud üheahelalisteks osadeks.

Selleks on vaja ATP hüdrolüüsi energiat – 2 ATP molekuli 1 paari nukleotiidide eraldamiseks.

Ilmselt on samal ajal ka see DNA osa tõrjutud oma ühendusest histoonide ja teiste kromosomaalsete valkudega.

c) Spiraali lahtikerimine teatud piirkonnas tekitab aga selle ala ees ülikerimise.

Fakt on see, et iga DNA molekul on fikseeritud tuumamaatriksil mitmes kohas. Seetõttu ei saa see vabalt pöörelda, kui mõni osa sellest lahti harutada. See põhjustab ülikerimist ja koos sellega struktuurse pinge teket, mis blokeerib topeltspiraali edasise lahtikerimise.

Ülesanne lahendatakse topoisomeraasi ensüümide abil (joonisel I). Ilmselgelt toimivad nad DNA alal, mida pole veel lahti harutatud, st kus toimub ülikerimine. Topoisomeraasid osaleda replikatsioonikahvlis oleva topeltheeliksi lahtikeeramise protsessis. Need ensüümid muudavad ülikerimise astet ja viivad "hinge" moodustumiseni, mis loob tingimused replikatsioonikahvli pidevaks liikumiseks. Tuvastatud on kahte tüüpi topoisomeraase: I tüüpi topoisomeraasid lõikavad ühe kahest DNA ahelast, võimaldades topeltheeliksi terminaalsel osal ümber terve ahela pöörleda ja seejärel uuesti ühendada lõigatud ahela otsad. II tüüpi topoisomeraasid tekitavad ajutisi katkestusi mõlemas komplementaarses ahelas, muudavad ülikerimise astet ja ühendavad seejärel katkised otsad. Topoisomeraasid aitavad helikaasil DNA replikatsiooniks lahti kerida. Samuti on olemas topoisomeraas II (bakteriaalset topoisomeraas II nimetatakse güraasiks). See ensüüm katkestab koheselt DNA ahela, kandes uuesti vastavad otsad endale. See võimaldab veelgi tõhusamalt lahendada superspiraalide probleemi DNA lahtikerimisel.

Topoisomeraas I katkestab ühe DNA ahela, kandes selle proksimaalse otsa enda külge (joonis). See võimaldab DNA distaalsel osal (lahtikeeramiskohast katkestuskohani) pöörlema ​​ümber kogu ahela vastava sideme, mis takistab superspiraalide teket. Seejärel suletakse katkenud ahela otsad uuesti: üks neist kantakse ensüümilt teise otsa. Seega on topoisomeraasi ahela katkemise protsess kergesti pöörduv.

Helikaasid(alates lat. helix- heeliks, valk dnaB), teostab replikatsioonikahvli – keerdumata ahelatega molekuli lõigu – moodustumist ja edasiliikumist mööda DNA heeliksit. Need ensüümid kasutavad ahelate lahtikerimiseks ATP hüdrolüüsil vabanevat energiat. Helikaasid toimivad koos ssb-valgud, mis seonduvad molekuli üheahelaliste piirkondadega ja stabiliseerivad seeläbi keerdumata dupleksi.

d) Niisiis, topoisomeraaside toel kerib helikaas ensüüm lokaalselt lahti DNA kaksikheeliksi kaheks eraldi ahelaks.

Spetsiaalsed SSB-valgud seostuvad kohe iga niidiga. Viimastel on suurenenud afiinsus üheahelaliste DNA piirkondade suhtes ja need stabiliseerivad neid selles olekus.

Märkus: need valgud erinevad seega histoonidest, mis seonduvad peamiselt kaheahelaliste DNA piirkondadega.

Polümerisatsiooniensüümid

a) Spetsiaalne valk toimib primaasi aktivaatorina (joonisel AP). Seejärel sünteesib primaas (P), kasutades matriitsina vastavat üheahelalise DNA osa, lühikese RNA praimeri või praimeri.

b) Järgmisena tulevad mängu DNA polümeraasid. Eukarüootides on teada 5 erinevat DNA polümeraasi. Neist β- ja ε-polümeraasid osalevad DNA parandamises, γ-polümeraas mitokondriaalse DNA replikatsioonis ning α- ja δ-polümeraasid tuuma DNA replikatsioonis.

Veelgi enam, mõnede eelduste kohaselt on α-polümeraas seotud nii primaasi kui ka δ-polümeraasiga ning viimane omakorda PCNA valguga (P joonisel).

See valk toimib "riidelõksuna", mis seob polümeraasi kompleksi replitseeritud DNA ahelaga. Arvatakse, et "kinnitatud" olekus kinnitab see nagu rõngas DNA ahela (joonis). See hoiab ära polümeraaside enneaegse dissotsieerumise sellest ahelast.

On selge, et DNA polümeraasid viivad läbi desoksüribonukleotiidide järjestikuse inkorporeerimise konstrueeritavasse DNA ahelasse – mis on komplementaarne lähteahela nukleotiididega.

Kuid lisaks sellele on neil ensüümidel ilmselt ka mitmeid muid olulisi tegevusi. Kuid eukarüootsete DNA polümeraaside puhul ei ole nende tegevuste jaotus veel täiesti selge. Seetõttu pakume teavet sarnaste bakteriaalsete ensüümide kohta.

Bakterites teeb DNA replikatsiooni peamise "töö" DNA polümeraas III, millel on dimeerne struktuur. Just sellega seostatakse PCNA valgu tüübi “klamber”.

Seega on DNA polümeraasil III lisaks DNA polümeraasi aktiivsusele veel üks aktiivsus – 3"→5"-eksonukleaas. Viimane käivitub juhtudel, kui tehakse viga ja ehitatavasse ahelasse on lisatud “vale” nukleotiid. Seejärel, tuvastades aluste sidumise defekti, lõikab ensüüm kasvavast (3"-) otsast maha viimase nukleotiidi, misjärel hakkab see uuesti töötama DNA polümeraasina.

Seega jälgib süsteem pidevalt oma tegevuse tulemusi.

c) Nagu me teame, tekivad uued DNA ahelad esmalt fragmentide kujul – suhteliselt lühikesed (Okazaki fragmendid) ja väga pikad. Ja igaüks neist algab praimer-RNA-ga.

Kui mööda vanemahelat liikuv ensüümikompleks jõuab eelmise fragmendi RNA seemneni, avaneb DNA polümeraasi III vanem-DNA ahelaga ühendav “klamber” ja see ensüüm lakkab töötamast. DNA polümeraas I hakkab toimima (räägime ikkagi bakteriaalsetest ensüümidest). See kinnitub kasvava fragmendi 3"-otsa (joonis 1.14). Sel juhul ei ole ensüümil enam stabiilset sidet selle fragmendi ja lähteahelaga, kuid tal on isegi mitte kaks, vaid kolm tegevust.

Esimene neist on "eesmine" ehk 5"→3" eksonukleaasi aktiivsus: nukleotiidide järjestikune lõhustamine eelmise fragmendi RNA praimeri 5" otsast.

"Selle" fragmendi lõpp (DNA polümeraasi aktiivsus).

Ja lõpuks, nagu DNA polümeraas III, "ei unusta" oma aktiivsust kontrollida ja vajadusel reguleerida - laiendatavale fragmendile suunatud "tagumise" ehk 3"→5"-eksonukleaasi aktiivsuse abil.

DNA polümeraas I funktsioon ammendub, kui kasvav fragment jõuab eelmise fragmendi desoksüribonukleotiidide lähedale.

Mis puudutab eukarüoote, siis bakteriaalse DNA polümeraasi III funktsionaalne analoog on ilmselt α- ja δ-DNA polümeraaside kompleks; Lisaks on δ-DNA polümeraasile omane korrigeeriv 3"→5" eksonukleaasi aktiivsus.

DNA polümeraas I funktsioonid on samuti jaotatud kahe ensüümi vahel: 5"→3" eksonukleaasi aktiivsust (RNA praimeri eemaldamine) teostab tõenäoliselt spetsiaalne nukleaas (H joonisel 1.11) ja DNA polümeraasi aktiivsus (täites " lüngad" - DNA polümeraas β (see, mis osaleb ka parandamises).

d) Rääkides polümerisatsiooniensüümidest, ei saa mainimata jätta nendega seotud probleemidest kõige raskemat. Jutt käib mahajäänud DNA ahela sünteesist: nagu me teame, on selle sünteesi suund vastupidine replikatsioonikahvli üldisele levimissuunale.

Selle vastuolu selgitamiseks on vähemalt kaks hüpoteesi.

Vastavalt ühele neist (joon. 1.15, A) peatab ensüümikompleks perioodiliselt juhtiva ahela moodustumise, liigub teisele lähteahelale ja sünteesib mahajäänud ahela järgmise Okazaki fragmendi. Seejärel naaseb see esimesse vanemahelasse ja jätkab ehitatava DNA juhtiva ahela pikendamist.

Teise versiooni kohaselt (joonis 1.15, B) moodustub replikatsiooniprotsessi käigus vanem-DNA teisele ahelale (matriitsi mahajäänud ahelale) silmus. Seetõttu hakkab Okazaki fragmendi moodustumise suund silmuse siseosas ühtima polümeraasi kompleksi liikumissuunaga. Siis saavad viimased peaaegu samaaegselt moodustada korraga mõlemad DNA ahelad - nii juhtivad kui ka mahajäänud.

See võib olla seotud asjaoluga, et bakteriaalne DNA polümeraas III on dimeer, samas kui eukarüootides moodustavad α- ja δ-DNA polümeraasid ühe kompleksi. Kuid isegi sellise mehhanismi korral ei saa mahajäänud ahelat, nagu on lihtne näha, pidevalt moodustada, vaid ainult fragmentide kujul.

Ensüümid, mis viivad lõpule DNA replikatsiooni

Kõigi eelnevate ensüümide toime tulemusena selgub, et iga iosünteesitud ahel koosneb üksteisega tihedalt külgnevatest fragmentidest.

Naaberfragmentide "linkimine" toimub DNA ligaasiga (L joonisel 1.11). Nagu DNA polümeraasid, moodustab see ensüüm nukleotiidse (fosfodiester) sideme.

Kuid kui polümeraasi reaktsioonis on üheks osalejaks vaba dNTP (desoksüribonukleosiidtrifosfaat), siis DNA ligaasi reaktsioonis on mõlemad osalejad "õmmeldud" fragmentides terminaalsed dNMP-d (desoksüribonukleosiidmonofosfaadid).

Sel põhjusel on reaktsiooni energia erinev ja vajalik on ATP molekuli konjugeeritud hüdrolüüs.

Pange tähele ka seda, et DNA ligaas "ristsidestab" ainult neid üheahelalisi fragmente, mis on osa kaheahelalisest DNA-st.

Kuid see pole veel kõik. DNA molekul ei replitseerita täielikult, kui ei toimu selle otste või telomeersete piirkondade spetsiaalne replikatsiooniprotsess.

Ensüüm telomeraas mängib selles protsessis võtmerolli.

Primaasid. DNA replikatsiooniks on vaja RNA praimereid. RNA praimereid sünteesib primaas (joonis 29.3), mida kodeerib dnaG geen.

Jooniselt 29.3 on näha, et primaas koosneb kolmest domeenist:

■ – N-terminaalne domeen (110 aminohapet), sisaldab DNA-d siduvat motiivi - tsink sõrme;

■ – tuum (tsentraalne) domeen (322 aminohapet) sisaldab katalüütilist tsentrit;

■ – C-terminaalne domeen (151 aminohapet), mis interakteerub dnaB-ga.

E. coli primaasi poolt sünteesitud praimerid algavad järjestusega pppAG 5' otsas ja koosnevad ligikaudu 10-12 nukleotiidist. Primaasid erinevad nii struktuuri kui ka tegevuse spetsiifilisuse poolest.

DNA ligaasid katalüüsivad DNA ahelate fragmentide taasühendamise protsesse, osaledes kovalentsete sidemete moodustumisel naaberdeoksüribonukleotiidide 5_-P- ja 3_-OH-rühmade vahel. Need ensüümid kasutavad ka ATP hüdrolüüsi käigus tekkinud suure energiaga sidemete energiat.

DNA replikatsioon toimub kolmes etapis: initsiatsioon, pikenemine ja lõpetamine.

Bakterites algab DNA replikatsiooni initsiatsioon kromosoomi ainulaadsest kohast, replikatsioonipunktist - oriC, kust replikatsioon toimub kahesuunaliselt kuni lõpp-punktini (otsani). Selle tulemusena moodustuvad kaks replikatsioonikahvlit, mis liiguvad vastassuundades, st mõlemat ahelat korratakse samaaegselt.

Initsiaatorvalk dnaA seondub korduvate seondumiskohtadega oriC, moodustades spetsiaalse nukleoproteiini struktuuri. See põhjustab AT-rikka järjestuse lokaalset lahknemist oriC, mis toimib replikatiivse helikaasi sidumissaidina (dnaB), ja orav DNAC/

Edasi dnaB aktiveeritud kustutamisega dnaC, liigub teatud vahemaa suunas 5_→3_ ja suhtleb primaasiga dnaG. Primaas sünteesib holoensüümi DNA polümeraasi III jaoks lühikesi RNA praimereid.Initsiatsioonikohas moodustub vahekompleks, mis koosneb vähemalt viiest valgust. Üks neist on valk dnaB– suudab liikuda mööda DNA-d kasutades ATP hüdrolüüsi energiat ning toimib ka signaalina primaasi aktiveerimisel (joonis 29.5).

Primaas on primosoomi komponent, mis koosneb mitmest erinevast allüksusest. Primosoom sisaldab ka valkude kompleksi DNAВ Ja DNAС, mis replikatsioonikahvli lähedal osaleb perioodiliselt primaasi poolt äratundmiseks sobiva spetsiifilise sekundaarse DNA struktuuri moodustamises.

DNA replikatsiooni initsiatsioon lõpeb replikatsioonikahvli moodustumisega ja RNA praimeri sünteesiga juhtival DNA ahelal (joonis 29.5), mis on tingitud replikatsioonikompleksi moodustumisest (joonis 29.6).

Pikendusprotsessi käigus kasvavad DNA tütarpolünukleotiidahelad. Iga replikatsioonikahvel sisaldab vähemalt kahte DNA polümeraasi III molekuli, mis on seotud mitme lisavalguga. Viimaste hulka kuuluvad DNA topoisomeraasid (güraasid), mis kerivad lahti tihedalt kokkuvolditud DNA kaksikheeliksi, ja helikaasid, mis kerivad lahti kaheahelalise DNA kaheks ahelaks.

DNA juhtiv ahel replitseeritakse pidevalt suunas, mis langeb kokku replikatsioonikahvli liikumisega. Mahajäävat ahelat loetakse replikatsioonikahvli liikumisele vastupidises suunas. DNA ahelate antiparalleelsuse ületamine replikatsiooni ajal on võimalik silmusstruktuuri moodustamise kaudu (joonis 29.7).

Esiteks sünteesitakse mahajäänud ahelal uue DNA ahela lühikesed fragmendid, nn Okazaki fragmendid, mis on saanud nime nende avastaja järgi. Iga fragment algab lühikese RNA praimeriga, mis on vajalik DNA polümeraasi toimimiseks. DNA polümeraas III lõpetab selle praimeri 1000–2000 desoksünukleotiidi ühiku pikkuseks DNA fragmendiks.