Молекулярная биологияВведение. Структура нуклеиновых

кислот

ДВАДЦАТЬ ШЕСТАЯ ЛЕТНЯЯ МНОГОПРЕДМЕТНАЯ ШКОЛАс. Вишкиль. 3 – 28 июля 2010 года

Биологическое отделение

Вишкиль, 2010

План для профи 9 и 10-1

1. Введение2. Репликация ДНК3. Репарация генетических повреждений4. Транскрипция и регуляция экспрессии

генов5. тРНК, генетический код, процессинг6. Трансляция7. Хроматин?

План для 10-2

1. Введение2. Репликация ДНК3. Транскрипция4. Регуляция транскрипции5. Хроматин6. Рекомбинация7. Транспозоны

История исследования функций и структуры

ДНК

В 1869 году Мишер выделил ядра из белых кровяных клеток и продемонстрировал, что они содержат новое фосфорорганическое соединение («нуклеин»)

К концу 19 века нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК) были очищены и началось их изучение

В 30 годы 20 века было показано, что нуклеиновые кислоты состоят из сахара (рибоза или дезоксирибозы и четырех (пяти) типов азотсодержащих оснований. Было также показано, что основания кофалентно связаны с остатком сахара

В доказательстве генетической роли ДНК ключевуюроль сыграли две группы экспериментов:

1. Демонстрация того, что при трансформация бактерий носителеминформации является ДНК (Гриффитс, Эйвери)

2. Демонстрация того, что при фаговой инфекции в клетку вводится ДНК (Херши и Чейз)

Эксперимент Авери

• 1944 г. Oswald T. Avery, Colin MacLeod, and Maclyn McCarty

• Объект: вирулентные и невирулентные штаммы Streptococcus pneumoniae

Hershey-Chase Experiment 1952

Бактериофаги состоятиз ДНК и белка.

Для выяснения того, какой из этих компонетнов представляет собой генетический материал, белкибыли помечены 35S а ДНК – 32P.

Оказалось, что в клетку проникаеттолько 32P (ДНК). Меченая 32P ДНКприсутствует и в

новообразованныхвирусных частицах

DNAProtein Coat

Bacteria cell

Созданию модели молекулы ДНК предшествовал ряд важных наблюдений

Правила Чаргаффа: А = Т Г = С

Открытие альфа-спиральных структур в белках

Получение дифракционных рентгеновских снимков ДНК

Правила ЧаргаффаАнализ данных по расщеплению суммарных НК, выделенных из различных живых организмов позволил Е. Чаргаффу сформулировать ряд правил (правила Чаргаффа):

• У ДНК молярная сумма Г и А (пуриновые основания) равна молярнойсумме Ц и Т (пиримидиновые основания). Эта закономерность не свойственна РНК, где отношение пуриновых и пиримидиновых оснований изменяется в широких пределах.

• В молекулах ДНК число остатков А всегда равно числу остатков Т.В таком же отношении находятся Г и Ц. В молекулах РНК этого нет, хотя во многих случаях молярные соотношения оснований близки (здесь имеется в виду, что Т и У в молекулах ДНК и РНК равноценны).

• Отношение суммы молярных концентраций Г и Ц к сумме молярных концентраций А и Т у ДНК и А и У у РНК, (т.е. (Г+Ц)/(A+T)) у обоих видов нуклеиновых кислот сильно варьирует. Особенно широки границы изменчивости этого показателя в ДНК.

Правила Чаргаффа

Крестообразное расположение дифракционных пятен служило прямым указанием на структуру в виде спирали, построенной из однотипных блоковАнализ данной рентгенограммы позволяет рассчитать шаг спирали (0.34 нм) и её периодичность (10 блоков на виток)

Rosalind Franklin

Толщина спирали позволяла предположить, что она состоит из двух или трех цепей ДНК

Совершенно не ясным оставался вопрос о происхождении однотипных блоков

Возможны и другие типы спаривания азотистых оснований, но при этом не получается единообразных блоков

Двойная спираль

1962: Нобелевская премия по физиологии и медицине

James D.Watson

Francis H.Crick

Maurice H. F.Wilkins

Краткое введение в органическую химию

Строение нуклеиновых кислот

Компоненты нуклеиновых кислотПри полном гидролизе нуклеиновых кислот образуются:

1. Азотистые основания (пурины и пиримидины);

2. Остатки сахаров (рибозы – от РНК; дезоксирибозы – от ДНК);

3. Фосфорная кислота.

При неполном гидролизе НК образуются:

1. Нуклеозиды;

2. Нуклеотиды.

Мононуклеотиды

Азотистые основания

Пурины

Пиримидины

β-D-рибоза

Фосфатные остатки

Эфирная связь

Ангидридная связьАнгидридная связь

Ацетангидрид (ангидрид уксусной

кислоты)

Метилацетат (эфир уксусной кислоты и

метанола)

Дезоксирибонуклеотиды

Нуклеиновые кислоты

НК-полимеры

Уотсон-Криковский тип спаривания

Три основные формы ДНК

правозакрученная

спираль

В форма шаг 33,2 Å~10 п.н. на виток

А форма шаг 24,6 Å10,7 п.н. на виток

правозакрученная спираль

отклонение плоскости основанийот горизонтальной

-1.2 +19 !

Двунитевая РНК и ДНК-РНК гибриды

находятся в растворе в А форме

Z форма

левозакрученная спираль

В Z ДНК основания перевернуты

Z форму при определенных условиях принимают поли dG/dC последовательности

GCGCGCGCGCGCCGCGCGCGCGCG

Последовательности, способные образовывать Z форму,присутствуют в промоторах некоторых генов. В одном

случае доказана их значимость

Можно получить антитела к Z ДНК. С использованием этих антител было продемонстрировано, что Z ДНК

может существовать в живой клетке. Однако, существуют опасения, что сами по себе антитела

стабилизируют короткоживущую Z форму

шаг 45,6 Å ; ~12 п.н. на виток

Параметры форм

Разные атомы экспонированы в большойи малой бороздках ДНК

малая бороздка

большая бороздка

Специфические комбинации донорных и акцепторных сайтов в большой и малой бороздках ДНК узнаются различными белками

большая бороздка

Triple helix DNA

Тройные спирали ДНК

Другие взаимодействия оснований

Hoogsteen pairs stabilize triplex DNA structures

A protonated cytidine can form two H-bonds to the guanosine of a G-C pair.

protonated C

C-H

HC

NO

C

N

C

H NH

CG

C

C

C

C

N

N

N H

C

O

N

N HH

H

NC

C

N

C

O

N

C

H

H

H

H

H+

A thymidine can form two H-bonds to the adenosine of an A-T pair.

TA

H N C-H

N

CCH3

C

OC

OC

C

C

C

N

N

N

C

N

N H

H

H

H

N C

H

N

C CH3C

O

C

O

H

T

Хугстиновские (Hoogsteen) пары

Хугстиновские (Hoogsteen) пары

Тройные спирали ДНК

Guanine Hoogsteen pairing Base tetraplex

Тетраструктуры

Quadruplex DNAчасто присутствует в теломерах, в том

числе у человека

палиндромные последовательности в ДНК(обращенные повторы)

Шпилечные структуры

Крестообразные структуры

Крестообразные структуры в ДНК

Holliday junction

Плавление двойной спирали ДНК

Спектр поглощения нуклеотидов

Кривая плавления

Определение состава ДНК

Гибридизация

Гидролиз РНК

Белки – важнейшие функциональные молекулы

• Состоят из аминокислотных остатков соединенных пептидными связями

• Первичная структура – ковалентнонепрерывная последовательность аминокислотных остатков

• Вторичная структура – локальная укладка остатков в особые пространственные структуры

• Третичная структура – полная пространственная укладка всей молекулы белка

• Четвертичная структура – относительное пространственное расположение нескольких белков в олигомере

Вторичная и третичная структуры НК

• Первичная структура – последовательность нуклеотидов

• Вторичная структура – специфическое спаривание нуклеотидов

• Третичная структура – особая пространственная укладка двуспиральных участков

• Четвертичная структура – взаимодействие между несколькими отдельными нуклеиновыми кислотами

Что такое молекулярная биология?

МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ , исследует основные свойства и проявления жизни на молекулярном уровне. Выясняет, каким образом и в какой мере рост и развитие организмов, хранение и передача наследственной информации, превращение энергии в живых клетках и др. явления обусловлены структурой и свойствами биологически важных макромолекул (главным образом белков и нуклеиновых кислот).

Упрощенно: молекулярная биология - это наука, которая изучает живые системы, раскладывая их на составляющие.

Центральная догма

Репликация ДНК

Транскрипция

Трансляция

Обратная транскрипция

Репликация РНК

Реализация информацииКопирование информацииНеканонические пути

Упрощенный вид центральной догмы

ДНК

РНК

Белок

Escherichia coliСистематическое положение: (по 9-ому изданию Определителя бактерий Берги) • Царство: Ргоkагуоtае• Группа 5: Факультативно анаэробные грамотрицательные палочки. • Семейство: Enterobacteriaceae

Грамотрицательные палочки

Неспорообразующие Подвижные формы Хемоорганогетеротрофы Энергию получают за

счет дыхания или брожения

Всегда содержатся в кишечнике человека и животных

Условно патогенны

Строение бактериальной клетки

Строение бактериальной клетки