Биохимические и молекулярные основы наследственности

ГОУСПОНО «НИЖЕГОРОДСКИЙ МЕДИЦИНСКИЙ БАЗОВЫЙ КОЛЛЕДЖ»

СПЕЦИАЛЬНОСТЬ: СЕСТРИНСКОЕ ДЕЛО

ЦМК общепрофессиональных дисциплин и психологии

 

 

Рожденкина Любовь Олеговна

Софьина Юлия Алексеевна

 

 

Проект

Тема «Биохимические и молекулярные основы наследственности»

Кружок «Актуальные вопросы в современной медицине»

Преподаватель: Вяжевич Людмила Петровна

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Нижний Новгород

2015 г.

Химическое строение и генетическая роль нуклеиновых кислот

Важное биологическое значение нуклеиновых кислот состоит в том, что они осуществляют хранение и передачу наследственной информации, а также определяют синтез нужных белков в клетке и его регуляцию. По химическому строению нуклеиновые кислоты представляют собой линейные (неразветвленные) цепочки, составленные из остатков большого числа нуклеотидов указанных выше типов. Как и для белков, для нуклеиновых кислот характерна первичная и вторичная структура. Важнейшей характеристикой данной нуклеиновой кислоты является ее первичная структура, т. е. последовательность чередования входящих в ее состав четырех. Одними из первых исследований по изучению химического строения нуклеиновых кислот были работы, проводившиеся на биологическом факультете МГУ под руководством А. Н. Белозерского, в результате которых был накоплен обширный материал по определению нуклеотидного состава дезоксирибо.  Способность к самовоспроизведению и — удивительное изобретение природы. Нуклеиновые служат для самовоспроизведения биосистем, в результате чего с высокой точностью живые организмы воссоздают себе подобных в процессе размножения. Все многообразие живых организмов определяется наследственной или генетической информацией, заложенной в нуклеиновых кислотах. В особенностях химического строения нуклеиновых кислот заложеныпотенциальная возможность самокопирования и, следовательно, способность кпередаче наследственных признаков от одного поколения организмов к другому, дочернему поколению.  В истории химии белка обращает внимание прежде всего беспрецедентная продолжительность поиска решения структурной задачи Только наустановление химического типа белковых молекул потребовалось с момента выделения первого белкового препарата (1728 г) более двухсот лет. На достижение тех же целей, касающихся жиров, углеводов и нуклеиновых кислот, затрачено значительно меньше времени и сил Химические типы первых двухбыли установлены в 80-90-е годы XIX в Хотя принцип построения молекулнуклеиновых кислот стал известен практически одновременно с белками, выделены они были только в 1859 г (Ф Мишер), а обратили на себя серьезное внимание лишь в 30-е годы XX в (П Левин) Целенаправленное изучение химического строения нуклеиновых кислот как молекулярной первоосновы генетического материала началось после исследования О Эвери в 1944 г и завершилось классическими работами Э Чаргаффа уже в 1961 г, когда был окончательно установлен химический тип молекул ДНК.    Исследование химического строения нуклеиновых кислот, начатое Ф. Мишером, далее было продолжено К. А. Косселем (1879 г.), который обнаружил внуклеиновых кислотах азотсодержащие гетероциклические основания. Первым выделенным гетероциклическим основанием, присутствующим внуклеиновых кислотах, был гуанин (ранее выделенный из перуанского гуано —помета птиц, ценного азотистого удобрения). Впоследствии из нуклеиновых кислот были выделены тимин (из клеток тимуса быка), цитозин (от греч. ytos — клетка) и аденин (от греч. aden — железа). В результате проведенныхисследований русский химик Ф. Левен установил, что в состав нуклеиновых кислот входят азотсодержащие гетероциклические основания (производные пурина и пиримидина), фосфорная кислота и углеводный компонент — рибоза или дезоксирибоза. Таким образом, по своему химическому строению нуклеиновые кислоты являются по-лирибонуклеотидами (РНК) и полидезоксирибо-нуклеотидами (ДНК). Соединение нуклеотидных остатков в молекулах РНК и ДНК осуществляется одним и тем же путем сложноэфирными мостиками, образуемыми между параминуклеотидов остатками фосфорной кислоты. Последние связаны всегда с 3-муглеродным атомом рибозы (или дезоксирибозы) одного нуклеотидного остатка и с 5-м углеродным.

Белки- строение и функции. Биосинтез белка.

Белки -это полимеры, состоящие из мономеров - аминокислот. В состав белков входит до 20 различных аминокислот. Соединения из нескольких аминокислот называют пептидами. В зависимости от их количества Е белке бывают дипептиды, три тетра пента- или полипептиды (от 6-10 до 300-500 аминокислот). Молекулярная масса белков колеблется от 5000

ДО нескольких миллионов. Белки отличаются друг от друга не только составом и числом аминокислот, но и последовательностью чередования их в полипептидной цепи. Организация белковых молекул: 1) первичная структура - это полипептидная цепь, т.е. аминокислоты, соединенные ковалентными пептидными связями в виде цепи; 2) вторичная структура•- белковая нить закручена в виде спирали, поддерживаемая водородными связями; 3) третичная структура - спираль далее свертывается, образуя

глобулу (клубок) или фибриллу (лучок нитей), специфичную для каждого белка, поддерживается водородными и бисульфитными связями; 4) четвертичная cтруктypa - состоит из нескольких глобул; например, гемоглобин, состоит из 4-х глобул. Функции белка разнообразны: 1) каталитическая: белки-ферменты ускоряют биохимические реакции организма; 2) строительная: белки участвуют в образовании всех клеточных мембран и органоидов;

3) двигательная: белки обеспечивают сокращение  мышц, мерцание ресничек, белки-гистоны, сокращаясь, образуют хромосомы  из хроматина; 4) защитная: антитела  гамма-гло6улины - распознают чужеродные  для организма вещества и способствуют  их уничтожению; 5) транспортная: белки  переносят различные соединения (гемоглобин - кислород, белки плазмы  -гормоны, лекарства и т.д.); 6) регуляторная: белки участвуют в регуляции обмена веществ (гормоны роста, гормон-инсулин, половые гормоны, адреналин и др.); 7) энергетическая - при распаде 1 г белка до конечных продуктов выделяется 17,6 кДж. Энергии.

Биосинтез белка проходит в рибосоме, к которой подходит и-РНК, прикрепляется в функциональной зоне рибосомы. Одновременно в рибосоме помещается 2 триплета и-РНК.

В цитоплазме клетки всегда имеется не менее 20 различных видов аминокислот и соответствующих им т-РНК. С ПОМОЩЬЮ специфических ферментов аминокислоты узнаются, активируются и при соединяются к т-РНК, которая переносит их к месту синтеза белка в рибосому. В рибосоме (в и-РНК) находится кодон, а у т-РНК есть антикодон, комплементарный строго определенному триплету и-РНК.

Если в рибосоме на и-РНК будет триплет АУГ, то к нему подойдет т-РНК с комплементарным антикодоном УАЦ; если ГГГ - то т-РНК С антикодоном ЦЦЦ. Каждому антикодону соответствует своя аминокислота.

Аминокислоты проталкиваются в функциональную зону рибосомы одна за другой соответственно кодону и прикрепляются друг к другу пептидной связью. Эта реакция осуществляется в большой субъединице рибосомы.

Т-РНК вытесняются и «уходят» В цитоплазму за другой аминокислотой, а рибосома передвигается на следующий триплет и-рнк. Так происходит считывание информации. Когда рибосома окажется на терминирующем триплете (ген-терминатор), синтез белка заканчивается. Синтез

Одной молекулы белка длится всего 3-4 секунды. Каждый этап синтеза белка катализируется соответствующим ферментом и снабжается энергией за счет расщепления АТФ.

После окончания синтеза белка и образования первичной структуры белка в рибосомах формируется в эндоплазматической сети вторичная, третичная, а иногда и четвертичная структура белка и он становится способным выполнять свои функции.

Сходство и различие организмов определяется набором белков. Каждый вид имеет только ему присущий набор белков, Т.е. они являются основой видовой специфичности, а также обуславливают индивидуальность организмов. На Земле нет двух людей, у которых все белки были бы одинаковыми (за исключением монозиготных близнецов). ДНК ядра каждой клетки несет в себе информацию о форме клеток, белках-ферментах, гормонах, практически все признаки клеток и организма определяются белками. Таким образом, в ДНК заключена вся информация о структуре и деятельности клеток, органов и организма. Эта информация называется наследственной. Небелковые молекулы синтезируются в два этапа: сначала образуется специфический белок-фермент, а затем с его помощью образуются углеводы, липиды, витамины.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Функции нуклеиновых кислот

Нуклеиновые кислоты выполняют важнейшие биологические функции в организме. В ДНК хранится наследственная информация о свойствах клеток и всего организма, различные виды РНК принимают участие в реализации наследственной информации через синтез белка. Принцип реализации наследственной информации от ДНК через РНК к белку экспрессинг. Расшифровка генетической информации, заключенной в молекуле ДНК, осуществляется в соответствии с центральной молекулярно-генетической догмой.

Биологическая роль Н. к. заключается в хранении, реализации и передаче наследственной информации, «записанной» в молекулах Н. к. в виде последовательности нуклеотидов — т. н. генетического кода. При делении клеток — митозе — происходит самокопирование ДНК — её репликация, в результате чего каждая дочерняя клетка получает равное количество ДНК, заключающей программу развития всех признаков материнской клетки. Реализация этой генетической информации в определённые признаки осуществляется путём биосинтеза молекул РНК на молекуле ДНК (транскрипция) и последующего биосинтеза белков с участием разных типов РНК (трансляция) .

 Строение: 
ДНК имеют первичную, вторичную и третичную структуры.

 Первичная  струтура - полинуклеотидная цепь, состоящая из расположенных друг за другом нуклеотидов, связанных между собой эфирными связями. Каждый нуклеотид состоит из остатка фосфорной кислоты, углевода дезоксирибозы и одного из 4-х озотистых оснований (аденина, гуанина, цитозина или тимина) . 
вторичная структура ДНК - две комплиментарные и антипараллельные полинуклеотидные цепи, связанные через соответствующие азотистые основания водородными связями : 
аденин - тимин, 
гуанин-цитозин 
Третичная структура ДНК - двойная спираль диаметром 2 нм, длиной шага 3,4 нм и 10 парами нуклеотидов в каждом витке. 
б) Функция ДНК: 
1) хранение наследственной информации, записанной с помощью генетического кода 
 
РНК: 
а) строение: 
РНК в отличие от ДНК имеют меньший молекулярный вес, они одноцепочечны (кроме нек вирусов) , содержат углевод рибозу, остаток фосфорной кислоты, одно из 4-х азотитстых оснований (урацил (вместо тимина) , аденин, гуанин, цитозин) , связи между которыми 
урацил-аденин 
гуанин-цитозин 
 
РНК бывают 3 видов: 
иРНК (информационные РНК) 
рРНК (рибосомные РНК) и тРНК (транспортные РНК) 
основная функция - участие в образовании белка

Сохранение информации от поколения к поколению.

При размножении любых форм жизни происходит увеличение числа молекул ДНК. Из одной клетки, образовавшейся в результате слияния гамет, получаются тысячи, миллионы клеток тела. Каждая исходная молекула ДНК дает начало огромному числу новых молекул ДНК с сохранением в неизменном виде всех особенностей, присущих ДНК. Это происходит в процессе репликации, при котором информация, закодированная в последовательности оснований молекулы родительской ДНК, передаётся с максимальной точностью дочерней ДНК.

Репликация – единственно возможный способ увеличения числа молекул ДНК, на который указывает сама структура этих молекул. С помощью фермента ДНК-полимеразы цепи родительской ДНК расплетаются, и каждая из них служит матрицей, определяющей последовательность оснований в новой, дочерней цепи ДНК. Затем к каждой цепочке достраиваются по принципу комплементарности нуклеотиды (А-Т, Г-Ц), образуя две двухцепочные молекулы ДНК. Репликация имеет полуконсервативный характер – в каждой вновь образуемой молекуле ДНК одна нить происходит от родительской молекулы, а вторая синтезируется заново.

Процесс репликации нуклеиновых кислот целиком зависит от работы ряда ферментов. Установлено, что в этом процессе участвуют минимум четыре группы ферментов: ДНК-полимеразы, РНК-полимеразы, эндонуклеазы и ДНК-лигазы.

Ферменты, осуществляющие синтез ДНК, называются ДНК-полимеразами. Впервые ДНК-полимераза I была получена в очищенном виде А. Корнбергом из Е.Coli в 1958 г. В клетках содержится три различные формы ДНК-полимераз, все они обладают синтезирующей активностью и способны удлинять цепи ДНК. Репликацию ДНК осуществляет ДНК-полимераза α, исправление повреждённых участков ДНК осуществляют ДНК-полимеразы I, II.

РНК-полимераза – фермент, осуществляющий транскрипцию РНК.

Эндонуклеазы – ферменты, разрезающие двухнитевую молекулу ДНК в местах, соответствующих последовательностям из 4 – 12 нуклеотидов.

ДНК-лигазы – ферменты, контролирующие образование фосфодиэфирной связи между 3′- и 5′-концами фрагментов ДНК.

Репликация ДНК начинается с разрыва в одной из двух цепей ДНК под действием эндонуклеазы. Затем к этому месту присоединяется ДНК-полимераза и начинается непрерывный синтез нового олигонуклеотида на одной из двух родительских цепей в направлении от 5′ атома углерода сахара к 3′ атому. Из второй цепи родительской ДНК идёт прерывный синтез, сопровождающийся образованием фрагментов ДНК, также в направлении 5′ -3′ с последующим объединением фрагментов ДНК при участии ДНК-лигаз в единую полинуклеотидную молекулу.

Структура гена

Ген представляет собой последовательность нуклеотидов ДНК размером от нескольких сотен до миллиона пар нуклеотидов, в которых закодирована генетическая информация о первичной структуре белка (число и последовательность аминокислот). Для регулярного правильного считывания информации в гене должны присутствовать: кодон инициации, множество смысловых кодонов и кодон терминации. Три подряд расположенных нуклеотида представляют собой кодон, который и определяет, какая аминокислота будет располагаться в данной позиции в белке. Например, в молекуле ДНК последовательность оснований ТАС является кодоном для аминокислоты метионина, а последовательность ТТТ кодирует фенилаланин. В молекуле иРНК вместо тимина (Т) присутствует основание урацил (У). Таблица генетического кода во всех руководствах представлена именно символами иРНК. Из 64 возможных кодонов смысловыми являются 61, а три триплета - УАА, УАГ, УГА - не кодируют аминокислоты и поэтому были названы бессмысленными, однако на самом деле они представляют собой знаки терминации трансляции.

Для прокариот характерна относительно простая структура генов. Так, структурный ген бактерии, фага или вируса, как правило, контролирует одну ферментативную реакцию. Специфичным для прокариот является оперонная система организации нескольких генов. Гены одного оперона (участка генетического материала, состоящего из 1, 2 и более сцепленных структурных генов, которые кодируют белки (ферменты), осуществляющие последовательные этапы биосинтеза какого-либо метаболита; в оперон эукариот входит, как правило, 1 структурный ген; оперон содержит регуляторные элементы) расположены в кольцевой хромосоме бактерии рядом и контролируют ферменты, осуществляющие последовательные или близкие реакции синтеза (лактозный, гистидиновый и др. опероны).