Există structuri primare, secundare și terțiare ale ARN și ADN.

Structura primară a ARN și ADN este aceeași - este un lanț polinucleotidic liniar, în care nucleotidele sunt legate prin legături fosfodiesterice, care formează reziduuri de acid fosforic între atomul de carbon al unei nucleotide și atomul de carbon al nucleotidei următoare.

Structura secundară a ADN-ului este caracterizată de regulile lui E. Chargaff (regularitatea conținutului cantitativ al bazelor azotate).

Moleculele de ADN sunt compuse din două catene antiparalele cu o secvență nucleotidică complementară. Lanțurile sunt răsucite una față de cealaltă într-o helică dreaptă, astfel încât să existe aproximativ 10 perechi de baze pe tură.

Pe baza datelor analizei structurale cu raze X și a regulilor lui Chargaff, în 1953 J. Watson și F. Crick au propus un model al structurii secundare a ADN-ului sub forma unei spirale duble.

Conform acestui model, o moleculă de ADN este formată din două lanțuri răsucite într-o helix dextrorotatorie în jurul aceleiași axe. Bazele azotate sunt în interior, în timp ce componentele de fosfor și carbohidrați sunt în exterior. Diametrul spiralei este de 1,8 nm. Bazele formează un unghi drept cu axa spiralei. Pasul helixului este de 3,4 nm și conține 10 perechi de baze. Lanțurile polinucleotidice sunt orientate în direcția opusă (antiparalel).

Bazele azotate din molecula ADN sunt localizate strict specific, conform principiului complementarității: A interacționează numai cu T, G cu C, adică timina este întotdeauna localizată opusă adeninei, citozina este opusă guaninei. A-T și G-C se numesc perechi de baze complementare.

Structura secundară a ADN-ului este stabilizată prin legături de hidrogen, stivuire și interacțiuni hidrofobe.

Legăturile de hidrogen între perechile de nucleotide complementare (două pentru perechea AT și trei pentru perechea G-C) sunt relativ fragile. Aceștia acționează peste spirală. Prin urmare, firele complementare ale moleculei de ADN se pot separa și se pot alătura din nou când se schimbă unele condiții (de exemplu, modificări ale temperaturii sau ale concentrației de sare).

Interacțiunea de stivuire a bazelor este o interacțiune interplanară non-covalentă a bazelor situate una peste alta în acizii nucleici, asigură menținerea structurii secundare a unei molecule de ADN dublu catenar. Aceștia acționează de-a lungul spiralei.

Interacțiunile hidrofobe apar între bazele adiacente ale aceluiași lanț, ceea ce contribuie la o stivuire particulară a lanțului sub formă de stive.

Structura terțiară a ADN-ului este o helică și o super-bobină într-un complex cu proteine. ADN-ul poate exista într-o formă liniară (în cromozomii eucariotelor) și într-o formă circulară (în procariote și în mitocondrii). Spiralarea este tipică pentru ambele forme.

Materialul cromozomial - cromatina - conține, pe lângă ADN-ul în sine, și histone, proteine \u200b\u200bnon-histonice și o cantitate mică de ARN. Cromatina este un complex de proteine \u200b\u200bcu ADN-ul nuclear al celulelor.

Complexul de proteine \u200b\u200bcu ADN-ul nuclear al celulelor se numește cromatină.

Conform structurii sale chimice, ADN-ul ( acidul dezoxiribonucleic) este un biopolimer, ai căror monomeri sunt nucleotide... Adică ADN-ul este polinucleotidă ... Mai mult, o moleculă de ADN constă de obicei din două lanțuri, răsucite unele față de altele de-a lungul unei linii elicoidale (adesea numite „răsucite spiralat”) și conectate prin legături de hidrogen.

Lanțurile pot fi răsucite atât în \u200b\u200bpartea stângă, cât și în partea dreaptă (cel mai adesea).

Unii viruși au un singur fir de ADN.

Fiecare nucleotidă ADN constă din 1) o bază azotată, 2) dezoxiriboză, 3) un reziduu de acid fosforic.

Elice ADN duble dreapta

ADN-ul conține următoarele: adenină, guanină, timina și citozină... Adenina și guanina aparțin purinam, și timină și citozină - până la pirimidină... Uneori ADN-ul conține uracil, care este de obicei caracteristic ARN-ului, unde înlocuiește timina.

Bazele azotate ale unui lanț al moleculei de ADN sunt conectate cu bazele azotate ale celuilalt strict conform principiului complementarității: adenina numai cu timină (formează două legături de hidrogen între ele), iar guanina numai cu citozină (trei legături).

Baza azotată din nucleotida însăși este conectată la primul atom de carbon de formă ciclică dezoxiriboză, care este pentoză (un carbohidrat cu cinci atomi de carbon). Legătura este covalentă, glicozidică (C-N). Spre deosebire de riboză, deoxiribozei îi lipsește una dintre grupările hidroxil. Inelul de dezoxiriboză este format din patru atomi de carbon și un atom de oxigen. Al cincilea atom de carbon se află în afara inelului și este conectat printr-un atom de oxigen cu restul de acid fosforic. De asemenea, prin atomul de oxigen de la al treilea atom de carbon, este atașat reziduul de acid fosforic al nucleotidei adiacente.

Astfel, într-o singură catenă de ADN, nucleotidele adiacente sunt legate prin legături covalente între dezoxiriboză și acid fosforic (legătură fosfodiester). Se formează o coloană vertebrală fosfat-dezoxiriboză. În mod perpendicular pe acesta, spre cealaltă catenă de ADN, sunt direcționate bazele azotate, care sunt conectate la bazele celui de-al doilea lanț prin legături de hidrogen.

Structura ADN-ului este astfel încât coloanele vertebrale ale lanțurilor legate de hidrogen sunt direcționate în direcții diferite (se spune „multidirecțional”, „antiparalel”). Pe lateral, unde unul se termină cu acid fosforic legat de al cincilea atom de carbon al dezoxiribozei, celălalt se termină cu un al treilea atom de carbon "liber". Adică, scheletul unui lanț este răsturnat față de celălalt. Astfel, în structura lanțurilor ADN, se disting capetele 5 "și 3".

La replicarea (dublarea) ADN-ului, sinteza de noi lanțuri merge întotdeauna de la capătul 5 la cel de-al treilea, deoarece noile nucleotide se pot atașa doar la capătul al treilea liber.

În cele din urmă (indirect prin ARN), la fiecare trei nucleotide consecutive din lanțul ADN codifică un aminoacid al proteinei.

Descoperirea structurii moleculei de ADN a avut loc în 1953 grație lucrărilor lui F. Crick și D. Watson (care a fost facilitată și de lucrările timpurii ale altor oameni de știință). Deși ADN-ul era cunoscut ca substanță chimică încă din secolul al XIX-lea. În anii 40 ai secolului XX, a devenit clar că ADN-ul este purtătorul informațiilor genetice.

Helixul dublu este considerat a fi structura secundară a moleculei de ADN. În celulele eucariote, cantitatea covârșitoare de ADN este localizată în cromozomi, unde este legat de proteine \u200b\u200bși alte substanțe și, de asemenea, suferă un ambalaj mai dens.

Bazele biochimice ale eredității.

Rolul genetic al acizilor nucleici.

Acizii nucleici - polimeri biologici, se găsesc în toate celulele, de la primitive la complexe. Au fost descoperite pentru prima dată de Johann Friedrich Miescher în 1868 în celule bogate în material nuclear (leucocite, spermă de somon). Termenul „acizi nucleici” a fost propus în 1889.

Există două tipuri de acizi nucleici: ADN, ARN (ATP - mononucleotid). ADN și ARN sunt molecule șablon. ADN-ul conține aproximativ 6 * 10-12 g în celulele somatice: în nucleu, mitocondriile. ARN-ul este o parte a ribozomilor, este conținut în nucleu și citoplasmă.

Studiul și dovada rolului principal al acizilor nucleici în transmiterea informațiilor ereditare au fost efectuate asupra particulelor virale. Virusul mozaicului tutunului este cunoscut ca fiind virulent față de tutun și patlagină. Particula virală este formată din 95% proteine \u200b\u200bși 5% acid nucleic. În particulele virale, locurile capsidei proteice au fost schimbate, dar după un timp proteina din ambele tulpini a fost transformată în forma sa anterioară.

La bacteriofagii care infectează E. coli, proteinele membranei fagice au fost marcate cu S radioactiv, iar ADN-ul fagului a fost marcat cu P. radioactiv. În celula bacteriană infectată cu fagul s-au format particule de fag, în care numai P. radioactiv.

Structura și funcția moleculelor de ADN și ARN.

Acizii nucleici sunt biopolimeri cu structură neregulată, ale căror monomeri sunt nucleotide. O nucleotidă constă din rămășițele a trei substanțe: acid fosforic, un carbohidrat - pentoză și o bază azotată. Nucleotidele ADN conțin carbohidrați dezoxiriboză, în timp ce ARN conține riboză. Resturile bazelor azotate de purină și pirimidină care alcătuiesc ADN-ul sunt adenina, guanina, citozina, timina. Moleculele de ARN conțin adenină, guanină, citozină, uracil.

Nucleotidele sunt legate între ele printr-un reziduu de acid fosforic al unei nucleotide și un carbohidrat al altuia printr-o legătură eterică covalentă puternică numită „punte de oxigen”. Legătura trece prin cel de-al cincilea atom de carbon al unui nucleotid carbohidrat la cel de-al treilea atom de carbon al altui nucleotid. Secvența nucleotidelor reprezintă structura primară a acizilor nucleici. ARN-ul este un singur lanț polinucleotidic. ADN-ul este un lanț dublu polinucleotidic în structură, înfășurat într-o spirală.

Structura secundară a ADN-ului se formează atunci când apare a doua catenă de ADN, care este construită conform principiului complementarității față de prima. Al doilea lanț este opus primului (antiparalel). Bazele azotate se află într-un plan perpendicular pe planul moleculei - seamănă cu o scară în spirală. Balustradele acestei scări sunt rămășițele de acid fosforic și carbohidrați, iar treptele sunt baze azotate.

Bazele azotate care alcătuiesc fiecare nucleotidă în lanțuri direcționate opus sunt capabile să formeze legături de hidrogen complementare între ele (datorită grupurilor funcționale existente în structura fiecărei baze azotate). Adenil nucleotida este complementară timinei, guanilului citozinei și invers. Prin ele însele, aceste legături sunt fragile, dar molecula de ADN „cusută” de multe ori pe toată lungimea sa cu astfel de legături este o conexiune foarte puternică.

Complementaritate- aceasta este corespondența spațială-structurală și chimică a bazelor azotate între ele, acestea se potrivesc „ca o cheie a unei încuietori”.

O moleculă de ADN poate conține 10 8 sau mai multe nucleotide.

Structura moleculei de ADN ca dublă helix antiparalel a fost propusă în 1953 de biologul american James Watson și de fizicianul englez Francis Crick.

Molecula de ADN a oricărui organism viu de pe planetă este formată din doar patru tipuri de nucleotide, care diferă între ele prin bazele lor azotate: adenil, guanil, timină și citozină. In aceea universalitate ADN. Succesiunea lor este diferită, iar numărul este infinit.

Pentru fiecare tip de organism viu și pentru fiecare organism separat, această secvență este individuală și strictă specific .

Caracteristică Structura ADN este că părțile active chimic ale moleculei - baze azotate, sunt scufundate în centrul helixului și formează legături complementare între ele, iar reziduurile de dezoxiriboză și acid fosforic sunt la periferie și acoperă accesul la bazele azotate - sunt inactive chimic. O astfel de structură poate menține stabilitatea chimică pentru o lungă perioadă de timp. Ce altceva mai este necesar pentru a stoca informații ereditare? Aceste caracteristici ale structurii ADN-ului determină capacitatea sa de a codifica și reproduce informațiile genetice.

Structura puternică a ADN-ului este dificil de distrus. Cu toate acestea, acest lucru se întâmplă în mod regulat în celulă - în timpul sintezei ARN-ului și a dublării moleculei de ADN în sine înainte de diviziunea celulară.

Dublarea, replicarea ADN-ului începe cu faptul că o enzimă specială - ADN polimeraza - desfășoară dubla helix și o separă în fire separate - se formează o furcă de reduplicare. Enzima acționează apoi ca o încuietoare într-un fermoar. La fiecare lanț monocatenar - capetele lipicioase ale furcii de reduplicare - se sintetizează un nou lanț din nucleotide libere din carioplasmă, în conformitate cu principiul complementarității. În noile două molecule de ADN, un fir rămâne maternul original, iar al doilea - noua fiică. Ca rezultat, în loc de o moleculă de ADN, apar două molecule cu aceeași compoziție nucleotidică exactă ca cea originală.

În sistemele vii, întâlnim un nou tip de reacție, necunoscut în natura non-vie. Sunt chemați reacții de sinteză matricială ... Sinteza matricială seamănă cu turnarea pe o matrice: molecule noi sunt sintetizate în strictă conformitate cu planul stabilit în structura moleculelor deja existente. Aceste reacții asigură secvența exactă a unităților monomerice din polimerii sintetizați. Monomerii merg într-un loc specific pe molecule care servesc drept matrice, unde are loc reacția. Dacă astfel de reacții ar apărea ca urmare a unei coliziuni aleatorii de molecule, acestea ar continua infinit încet. Sinteza moleculelor complexe bazată pe principiul matricei se realizează rapid și precis folosind enzime. Sinteza matricială stă la baza celor mai importante reacții în sinteza acizilor nucleici și a proteinelor. Rolul matricei în celulă este jucat de moleculele de acid nucleic ADN sau ARN. Moleculele monomerice din care se sintetizează polimerul - nucleotide sau aminoacizi - sunt aranjate și fixate pe matrice într-o ordine strict definită în conformitate cu principiul complementarității. Apoi unitățile monomerice sunt conectate într-un lanț polimeric, iar polimerul finit părăsește matricea. După aceea, matricea este gata să asambleze o nouă, exact aceeași moleculă de polimer.

Reacțiile de tip matrice sunt o caracteristică specifică a unei celule vii. Ele stau la baza proprietății fundamentale a tuturor viețuitoarelor - capacitatea de a-și reproduce propriul tip.

Funcțiile acidului nucleic - stocarea și transmiterea informațiilor ereditare. Moleculele ADN conțin informații despre structura primară a proteinei. Sinteza moleculelor de i-ARN are loc pe matricea ADN. Acest proces se numește „transcriere”. I-ARN în procesul de „traducere” implementează informații sub forma unei secvențe de aminoacizi dintr-o moleculă proteică.

ADN-ul fiecărei celule conține informații nu numai despre proteinele structurale care determină forma celulei, ci și despre toate proteinele-enzime, proteinele-hormoni și alte proteine, precum și structura tuturor tipurilor de ARN.

Eventual, acizii nucleici furnizează diferite tipuri de memorie biologică - imunologică, neurologică etc. și joacă, de asemenea, un rol esențial în reglarea proceselor biosintetice.

Informații similare.

Compoziția chimică a ADN-ului și organizarea sa macromoleculară. Tipuri de helice ADN. Mecanisme moleculare de recombinare, replicare și reparare a ADN-ului. Conceptul de nucleaze și polimeraze. Replicarea ADN ca o condiție pentru transmiterea informațiilor genetice descendenților. Caracteristicile generale ale procesului de replicare. Acțiuni care au loc într-o furcă de replicare. Replicarea telomerilor, telomeraza. Semnificația subreplicării fragmentelor cromozomiale terminale în mecanismul de îmbătrânire. Sisteme de corectare a erorilor de replicare. Proprietăți corective ale ADN polimerazelor. Mecanisme de reparare a ADN-ului deteriorat. Conceptul de boli de reparare a ADN-ului. Mecanisme moleculare ale recombinării genetice generale. Recombinare specifică site-ului. Conversia genelor.

În 1865. Gregor Mendel a descoperit gene, iar contemporanul său Friedrich Mischer în 1869. au descoperit acizi nucleici (în nucleele celulelor spermei de puroi și somon). Cu toate acestea, pentru o lungă perioadă de timp aceste descoperiri nu au fost legate între ele, pentru o lungă perioadă de timp structura și natura substanței eredității nu au fost cunoscute. Rolul genetic al NC a fost stabilit după descoperirea și explicarea fenomenelor de transformare (1928, F. Griffiths; 1944, O. Avery), transducție (1951, Lederberg, Zinder) și reproducerea bacteriofagilor (1951, A. Hershey, M. Chase).

Transformarea, transducția și reproducerea bacteriofagilor au dovedit în mod convingător rolul genetic al ADN-ului. În virusurile care conțin ARN (SIDA, hepatita B, gripa, TMV, leucemie de șoarece etc.), acest rol îl joacă ARN-ul.

Structura acidului nucleic... NK - biopolimeri implicați în stocarea și transmiterea informațiilor genetice. Monomerii NA sunt nucleotide constând dintr-o bază azotată, o monozaharidă și una sau mai multe grupări fosfat. Toate nucleotidele din NA sunt monofosfați. O nucleotidă fără o grupare fosfat se numește nucleozidă. Zaharul, care face parte din NA, este izomerul D și β-anomerul ribozei sau 2-dezoxiribozei. Nucleotidele care conțin riboză se numesc ribonucleotide și sunt monomeri ai ARN-ului, iar nucleotidele derivate din dezoxiriboză sunt dezoxiribonucleotide, iar ADN-ul este format din ele. Bazele azotate sunt de două tipuri: purine - adenină, guanină și pirimidine - citozină, timină, uracil. ARN și ADN conțin adenină, guanină, citozină; uracilul se găsește numai în ARN, iar timina numai în ADN.

În unele cazuri, NC conține nucleotide minore rare, cum ar fi dihidruridina, 4-tiouridina, inozina etc. Diversitatea lor este deosebit de mare în ARNt. Nucleotidele minore se formează ca urmare a transformărilor chimice ale bazelor NC care au loc după formarea lanțului polimeric. Diversi derivați metilați sunt extrem de frecvenți în ARN și ADN: 5-metiluridină, 5-metilcitidină, l-N-metiladenozină, 2-I-metilguanozină. În ARN, obiectul metilării poate fi, de asemenea, grupări 2 "-hidroxi ale reziduurilor de riboză, ceea ce duce la formarea 2" -O-metilcitidinei sau 2 "-O-metilguanozinei.

Unitățile ribonucleotidice și dezoxiribonucleotidice sunt conectate între ele folosind punți fosfodiester care leagă gruparea 5 "hidroxil a unui nucleotid cu gruparea hidroxil 3" a următorului. Astfel, coloana vertebrală obișnuită este formată din resturi de fosfat și riboză, iar bazele sunt atașate la zaharuri în același mod în care sunt atașate grupurile laterale din proteine. Ordinea bazelor de-a lungul lanțului se numește structura primară a NC. Secvența bazelor este de obicei citită în direcția de la 5 "- la 3" - atomul de carbon al pentozei.

Structura ADN-ului.Modelul structurii ADN-ului sub forma unei spirale duble a fost propus de Watson și Crick în 1953 (Fig. 7).

Conform acestui model tridimensional, o moleculă de ADN este formată din două lanțuri polinucleotidice direcționate opus, care formează o helică dreaptă în jurul aceleiași axe. Bazele azotate sunt situate în interiorul dublei spirale, iar planurile lor sunt perpendiculare pe axa principală, iar resturile de zahăr-fosfat sunt expuse în exterior. Legături H specifice se formează între baze: adenină - timină (sau uracil), guanină - citozină, care se numesc împerechere Watson-Crick. Ca rezultat, purinele mai voluminoase interacționează întotdeauna cu pirimidinele mai mici, ceea ce asigură geometria miezului optim. Lanțurile antiparalele ale helixului dublu nu sunt identice nici în secvența bazelor, nici în compoziția nucleotidică, dar sunt complementare unele cu altele tocmai datorită prezenței unei legături specifice de hidrogen între bazele de mai sus.

Complementaritatea este foarte importantă pentru copierea (replicarea) ADN-ului. Relația dintre numărul de baze diferite din ADN, identificat

Fig. 7. B - forma ADN-ului

Chargraff și colab. în anii 50, au avut o mare importanță pentru stabilirea structurii ADN-ului: s-a arătat că numărul reziduurilor de adenină din bazele lanțului ADN, indiferent de organism, este egal cu numărul de reziduuri de timină, iar numărul reziduurilor de guanină este egal cu numărul de reziduuri de citozină. Aceste egalități sunt o consecință a împerecherii selective de baze (Fig. 8).

Geometria spiralei duble este de așa natură încât perechile de baze adiacente se află la o distanță de 0,34 nm una de cealaltă și sunt rotite cu 36 ° în jurul axei spiralei. Prin urmare, există 10 perechi de baze pe rotație a helixului, iar pasul helixului este de 3,4 nm. Diametrul helixului dublu este de 20 nm și în el se formează două caneluri - una mare și una mică. Acest lucru se datorează faptului că coloana vertebrală zahăr-fosfat este situată mai departe de axa spirală decât bazele azotate.

Stabilitatea structurii ADN se datorează diferitelor tipuri de interacțiuni, printre care principalele sunt legăturile H dintre baze și interacțiunea interplanară (stivuire). Datorită acestuia din urmă, nu numai că sunt oferite contacte favorabile van der Waals între atomi, ci și

Fig. 8. Principiul complementarității și antiparalelismului firelor de ADN

stabilizare suplimentară datorită suprapunerii orbitalilor p ai atomilor în baze paralele. Stabilizarea este facilitată și de un efect hidrofob favorabil, manifestat în protecția bazelor cu polaritate scăzută de contactul direct cu un mediu apos. Dimpotrivă, coloana vertebrală zahăr-fosfat cu grupările sale polare și ionizate este expusă, ceea ce stabilizează și structura.

Pentru ADN, sunt cunoscute patru forme polimorfe: A, B, C și Z. Structura obișnuită este ADN-B, în care planurile perechilor de baze sunt perpendiculare pe axa helixului dublu (Fig. 7.). În ADN-A, planurile perechii de baze sunt rotite cu aproximativ 20 ° de la normal la axa dublei spirale drepte; există 11 perechi de baze pe rotație a spiralei. În ADN-C, există 9 perechi de baze pe helix. Z-ADN este o helix stânga cu 12 perechi de baze pe tură; planurile bazelor sunt aproximativ perpendiculare pe axa spiralei. ADN-ul dintr-o celulă este de obicei sub formă de B, dar unele dintre secțiunile sale pot fi în A, Z sau chiar într-o altă conformație.

Dubla helix ADN nu este o formațiune înghețată, este în mișcare constantă:

· Legăturile din lanțuri sunt deformate;

· Deschideți și închideți perechi de baze complementare;

· ADN-ul interacționează cu proteinele;

• dacă tensiunea din moleculă este ridicată, atunci se desfășoară local;

· Spirala dreaptă se transformă în cea stângă.

Există 3 fracții de ADN:

1. Repetat frecvent (satelit) - până la 106 copii de gene (10% la șoareci). Ea nu este implicată în sinteza proteinelor; împărtășește gene; asigură trecerea; conține transpozoni.

2. Repetabilitate redusă - până la 102 - 103 copii ale genelor (15% la șoareci). Conține gene pentru sinteza ARN-t, gene pentru sinteza proteinelor ribozomice și a proteinelor cromatinei.

3. Unic (nerepetabil) - 75% la șoareci (56% la om). Constă din gene structurale.

Localizarea ADN-ului: 95% din ADN este localizat în nucleu în cromozomi (ADN liniar) și 5% în mitocondrii, plastide și centrul celular sub formă de ADN circular.

Funcțiile ADN: stocarea și transmiterea informațiilor; reparație; replicare.

Două fire ADN din regiunea genică sunt fundamental diferite în rolul lor funcțional: una dintre ele este codificatoare sau semantică, cealaltă este matricială.

Aceasta înseamnă că în procesul de „citire” a unei gene (transcrierea sau sinteza pre-ARNm), lanțul ADN șablon acționează ca un șablon. Produsul acestui proces, pre-ARNm, coincide în secvența nucleotidică cu catena ADN codificatoare (cu înlocuirea bazelor timinei cu cele uracil).

Astfel, se dovedește că, cu ajutorul șablonului ADN în timpul transcripției, informațiile genetice ale ADN-ului codificator sunt reproduse în structura ARN.

Principalele procese matriciale inerente tuturor organismelor vii sunt replicarea, transcrierea și translația ADN-ului.

Replicare - procesul prin care informațiile codificate în secvența de bază a moleculei ADN părinte sunt transmise cu precizie maximă la ADN-ul fiică. În replicarea semi-conservată, celulele fiice din prima generație primesc o catenă de ADN de la părinți, iar a doua catenă este sintetizată recent. Procesul se desfășoară cu participarea ADN polimerazelor, care aparțin clasei transferazelor. Rolul matricei este jucat de lanțurile separate ale ADN-ului matern dublu catenar, iar substraturile sunt deoxiribonucleozid-5 "-trifosfați.

Transcriere - procesul de transfer al informațiilor genetice de la ADN la ARN. Toate tipurile de ARN - ARNm, ARNr și ARNt - sunt sintetizate în funcție de secvența bazelor din ADN, care servește drept șablon. Doar una, așa-numita „+” - catenă ADN este transcrisă. Procesul are loc cu participarea ARN polimerazelor. Substraturile sunt ribonucleozid-5 "-trifosfați.

Procesele de replicare și transcriere la procariote și eucariote diferă semnificativ în ceea ce privește rata lor de apariție și în mecanismele individuale.

Transmisie - procesul de decodare a ARNm, în urma căruia informațiile din limbajul secvenței de bază ARNm sunt traduse în limbajul secvenței de aminoacizi a proteinei. Traducerea se efectuează pe ribozomi, substraturile sunt aminoacil-ARNt.

Sinteza ADN-ului matricial, catalizată de polimerazele ADN, îndeplinește două funcții principale: replicarea ADN-ului - sinteza unor noi fire fiice și repararea ADN-ului cu dublă catenă cu pauze într-una dintre fire rezultând din excizia părților deteriorate ale acestui lanț prin nucleaze. În procariote și eucariote, există trei tipuri de ADN polimeraze. La procariote, polimerazele de tipul I, II și III, desemnate ca pol l, pol ll și pol III, au fost izolate. Acesta din urmă catalizează sinteza lanțului în creștere, polul joacă un rol important în procesul de maturare a ADN-ului, iar funcțiile pol ll nu sunt pe deplin înțelese. În celulele eucariote, ADN polimeraza ά este implicată în replicarea cromozomilor, ADN polimeraza β este implicată în reparare, iar varietatea γ este o enzimă care reproduce ADN-ul mitocondrial. Aceste enzime, indiferent de tipul de celule în care apare replicarea, atașează o nucleotidă la gruparea OH la capătul de 3 "al uneia dintre catenele ADN, care crește în direcția 5" → 3. Prin urmare, se spune că acești F au activitate de 5 "→ 3" -polimerază. În plus, toate prezintă capacitatea de a degrada ADN-ul, scindând nucleotidele în direcția 3 "→ 5", adică sunt 3 "→ 5" exonucleaze.

În 1957, Meselson și Stahl, studiind E. coli, au descoperit că pe fiecare lanț liber, enzima ADN polimerază construiește un lanț nou, complementar. Acesta este un mod semi-conservator de replicare: un lanț este vechi, celălalt este nou!

De obicei, replicarea începe de la site-uri strict definite, numite site-uri ori (de la originea replicării) și se răspândește de la aceste site-uri în ambele direcții. Siturile ori sunt precedate de puncte de ramificare ale catenei de ADN matern. Zona adiacentă punctului de ramificare se numește furcă replicativă (Fig. 9). În timpul sintezei, furca replicativă se mișcă de-a lungul moleculei, în timp ce toate secțiunile noi ale ADN-ului parental sunt derulate până când furca atinge punctul de terminare. Separarea lanțurilor se realizează folosind F - helicaze speciale (topoizomeraze). Energia necesară pentru aceasta este eliberată prin hidroliza ATP. Helicazele se deplasează de-a lungul lanțurilor polinucleotidice în două direcții.

Pentru a începe sinteza ADN-ului, este nevoie de un primer. Un ARN scurt (10-60 nucleotide) acționează ca primer. Este sintetizat într-o manieră complementară unei anumite regiuni a ADN-ului cu participarea primazei. După formarea primerului, ADN polimeraza este activată. Spre deosebire de helicaze, ADN polimerazele se pot deplasa doar de la capătul 3 "la 5" al șablonului. Prin urmare, alungirea catenei în creștere pe măsură ce ADN-ul matern cu catenă dublă se poate desfășura numai de-a lungul unei catene a șablonului, cea relativă la care furca de replicare se deplasează de la capătul 3 "la capătul 5". Lanțul sintetizat continuu a fost numit cel de conducere. Sinteza pe firul întârziat începe, de asemenea, cu formarea unui primer și se desfășoară în direcția opusă firului principal - de la furca de replicare. Strandul întârziat este sintetizat fragmentar (sub formă de fragmente Okazaki), deoarece grundul se formează numai atunci când furca de replicare eliberează acea parte a șablonului care are afinitate pentru primază. Ligarea (cusătura) fragmentelor Okazaki pentru a forma un singur lanț se numește procesul de maturare.

În timpul maturării lanțului, primerul ARN este îndepărtat atât de la capătul de 5 "al firului principal, cât și de la capetele de 5" ale fragmentelor Okazaki, iar aceste fragmente sunt ligate între ele. Îndepărtarea amorsării se efectuează cu participarea exonucleazei de 3 "→ 5". Același F, în loc de ARN eliminat, atașează deoxinucleotide folosind activitatea sa de 5 "→ 3" polimerază. În acest caz, în cazul atașării nucleotidei „greșite”, se efectuează „corectura” - îndepărtarea bazelor care formează perechi non-complementare. Acest proces oferă o fidelitate de replicare extrem de ridicată de 1 eroare în 109 bp.

Fig. 9. Replicarea ADN-ului:

1 - furcă replicativă, 2 - ADN polimerază (pol I - maturare);

3 - ADN polimerază (pol III - "corectură"); 4-helicază;

5-girază (topoizomerază); 6-proteine \u200b\u200bcare destabilizează dubla helix.

Corecția se efectuează în cazurile în care nucleotida „greșită” este atașată la capătul de 3 "al lanțului de creștere, care nu este capabil să formeze legăturile de hidrogen necesare cu matricea. Când pol III atașează greșit baza greșită, activitatea sa de exonuclează 3" - "5" este "activată", iar această bază este îndepărtată imediat, după care se restabilește activitatea polimerazei. Acest mecanism simplu funcționează datorită faptului că pol III este capabil să funcționeze ca polimerază numai pe o dublă helix perfectă de ADN cu o pereche de baze absolut corectă.

Un alt mecanism pentru îndepărtarea fragmentelor de ARN se bazează pe prezența unei ribonucleaze speciale în celule, numită RNaza H. Acest F este specific structurilor cu dublu catenă construite dintr-un lanț ribonucleotidic și unul dezoxiribonucleotidic și hidrolizează primul dintre ele.

RNaza H este, de asemenea, capabilă să îndepărteze un primer ARN și apoi să construiască decalajul cu ADN polimeraza. În etapele finale ale asamblării fragmentelor, ADN ligaza acționează în ordinea dorită, catalizând formarea unei legături fosfodiester.

Derularea unei părți a dublei spirale ADN în cromozomii eucariotici de către heliceze duce la supraînfășurarea restului structurii, ceea ce afectează inevitabil rata procesului de replicare. Supraîncărcarea este prevenită de topoizomerazele ADN.

Astfel, în plus față de ADN polimeraza, un set mare de P este implicat în replicarea ADN: helicază, primază, RNază H, ADN ligază și topoizomerază. Aceasta nu epuizează lista F și a proteinelor implicate în biosinteza ADN-ului matricial. Cu toate acestea, mulți dintre participanții la acest proces sunt încă puțin înțelese.

În procesul de replicare, are loc „corectura” - îndepărtarea bazelor incorecte (formând perechi non-complementare) incluse în ADN-ul nou sintetizat. Acest proces oferă o fidelitate de replicare extrem de ridicată de 1 eroare în 109 bp.

Telomeri. În 1938. clasici genetici B. McClinton și G. Möller au dovedit că există structuri speciale la capetele cromozomilor, pe care le-au numit telomeri (telos-end, meros-part).

Oamenii de știință au descoperit că numai telomerii prezintă rezistență atunci când sunt expuși la raze X. Dimpotrivă, lipsite de regiuni finale, cromozomii încep să se contopească, ducând la anomalii genetice severe. Astfel, telomerii oferă identitate cromozomială. Telomerele sunt strâns ambalate (heterocromatină) și sunt inaccesibile pentru enzime (telomerază, metilază, endonuclează etc.)

Funcții telomere.

1. Mecanică: a) conexiunea capetelor cromatidelor surori după faza S; b) fixarea cromozomilor la membrana nucleară, care asigură conjugarea omologilor.

2. Stabilizare: a) protecție împotriva subreplicării secțiunilor de ADN semnificative genetic (telomerii nu sunt transcriși); b) stabilizarea capetelor cromozomilor rupți. La pacienții cu α-talasemie, cromozomul 16d se rupe în genele α-globinei și se repetă telomere (TTAGGG) la capătul deteriorat.

3. Influența asupra expresiei genetice. Activitatea genelor situate în apropierea telomerilor este redusă. Această manifestare a tăcerii este tăcere transcripțională.

4. „Funcția de numărare”. Telomerii acționează ca un dispozitiv de ceas care numără numărul de diviziuni celulare. Fiecare divizie scurtează telomerii cu 50-65 pb. În total, lungimea lor în celulele embrionului uman este de 10-15 mii pb.

ADN-ul telomeric a intrat recent în atenția biologilor. Primele obiecte de cercetare sunt protozoare unicelulare - infuzorii ciliare (tetrachimene), care conține câteva zeci de mii de cromozomi foarte mici și, prin urmare, mulți telomeri într-o singură celulă (eucariotele superioare au mai puțin de 100 de telomeri pe celulă).

În ADN-ul telomeric al ciliaților, blocuri de 6 reziduuri de nucleotide sunt repetate de multe ori. O catenă ADN conține un bloc 2 timină - 4 guanină (TSGGGG - lanț G), iar catenă complementară - 2 adenină - 4 citozină (AACTSTSC - lanț C).

Imaginați-vă surpriza oamenilor de știință atunci când au descoperit că ADN-ul telomeric uman diferă de cel al ciliaților printr-o singură literă și formează blocurile 2 timină - adenină - 3 guanină (TTAGGG). Mai mult, sa dovedit că telomerii (lanțul G) al tuturor mamiferelor, reptilelor, amfibienilor, păsărilor și peștilor au fost construiți din blocuri TTAGGG.

Cu toate acestea, nu este nimic de mirat, deoarece nu există proteine \u200b\u200bcodificate în ADN telomeric (nu conține gene). În toate organismele, telomerii îndeplinesc funcții universale, despre care am discutat mai sus. O caracteristică foarte importantă a ADN-ului telomeric este lungimea lor. La om, aceasta variază de la 2 la 20 de mii de perechi de baze, iar la unele specii de șoareci poate ajunge la sute de mii de bp. Se știe că există proteine \u200b\u200bspeciale lângă telomeri care le asigură munca și participă la construirea telomerilor.

S-a dovedit că, pentru funcționarea normală, fiecare ADN liniar trebuie să aibă doi telomeri: un telomer la fiecare capăt.

Procariotele nu au telomeri - ADN-ul lor este închis într-un inel.

Unitățile monomerice ale cărora sunt nucliatide.

Ce este ADN-ul?

Toate informațiile despre structura și funcționarea oricărui organism viu sunt conținute într-o formă codificată în materialul său genetic. Baza materialului genetic al corpului este acid dezoxiribonucleic (ADN).

ADN în majoritatea organismelor, este o moleculă lungă de polimer bicatenar. Secvenţă unități monomerice (dezoxiribonucleotide) într-unul din lanțurile sale corespunde ( complementar) secvența dezoxiribonucleotidelor în alta. Principiul complementarității asigură sinteza de noi molecule de ADN identice cu cele originale atunci când sunt dublate ( replicare).

O secțiune a unei molecule de ADN care codifică o anumită trăsătură - genă.

Genele Sunt elemente genetice individuale care au o secvență de nucleotide strict specifică și codifică anumite caracteristici ale organismului. Unele dintre ele codifică proteine, altele doar molecule de ARN.

Informațiile conținute în genele care codifică proteinele (gene structurale) sunt decodificate în două procese secvențiale:

• sinteza ARN (transcriere): într-o anumită zonă a ADN-ului, ca pe o matrice, aRN mesager (ARNm).
• sinteza proteinelor (traducere): În timpul activității coordonate a unui sistem multicomponent cu participarea aRN de transport (aRNt), aRNm, enzime și diverse factorii proteici executat sinteza proteinei.

Toate aceste procese asigură traducerea corectă a informațiilor genetice codificate în ADN din limbajul nucleotidelor în limbajul aminoacizilor. Secvența de aminoacizi a unei molecule proteice definește structura și funcțiile sale.

Structura ADN-ului

ADN- aceasta este polimer organic linear... El - nucleotidecare, la rândul lor, constau din:

În acest caz, grupul fosfat este atașat la 5'-carbon reziduuri de monozaharide și baza organică - la 1'-atom.

Există două tipuri de baze în ADN:

Structura nucleotidelor din molecula ADN

ÎN ADN monozaharid prezentat 2'-dezoxiribozăconținând numai 1 grupare hidroxil (OH)si in ARN - ribozăavând 2 grupări hidroxil (OH).

Nucleotidele sunt legate între ele legături fosfodiester, în timp ce grupul fosfat 5'-atom de carbon o nucleotidă legată de Grupa 3'-OH a dezoxiribozei nucleotidă adiacentă (Figura 1). La un capăt al lanțului polinucleotidic se află Grupul Z'-OH (capătul Z'), iar pe de altă parte - Grupa 5'-fosfat (capătul 5').

Nivelurile structurii ADN-ului

Se obișnuiește să se distingă 3 niveluri ale structurii ADN:

• primar;
• secundar;
• terţiar.

Structura ADN-ului primar Este secvența aranjamentului nucleotidelor în lanțul polinucleotidic al ADN-ului.

Structura secundară a ADN-ului se stabilizează între perechi de baze complementare și este o dublă spirală a două lanțuri antiparalele răsucite spre dreapta în jurul unei axe.

Întoarcerea generală a spiralei 3,4nm, distanta intre lanturi 2nm.

Structura terțiară a ADN-ului este supersperalizarea ADN-ului.Helica dublă a ADN-ului în unele regiuni poate suferi o spiralizare suplimentară cu formarea unei super-bobine sau a unei forme circulare deschise, care este adesea cauzată de conexiunea covalentă a capetelor lor deschise. Structura ADN supraînfășurată permite împachetarea economică a unei molecule de ADN foarte lungi în cromozom. Deci, într-o formă alungită, lungimea unei molecule de ADN este 8 cm, și sub forma unei super-spirale se potrivește 5 nm.

Regula lui Chargaff

Regula lui E. Chargaff Este regularitatea conținutului cantitativ al bazelor azotate din molecula ADN:

1. ADN fracții molare bazele de purină și pirimidină sunt egale: A +G = C + T sau (A +G)/(C + T) \u003d 1.
2. În ADN numărul de baze cu grupe amino (A +C) la fel de numărul de baze cu grupuri ceto (G + T):A +C= G + T sau (A +C)/(G + T) \u003d 1
3. Regula echivalenței, adică: A \u003d T, G \u003d C; A / T \u003d 1; G / C \u003d 1.
4. Compoziția nucleotidică a ADN-ului în organismele din diferite grupuri este specific și caracterizat coeficientul de specificitate: (G + C) / (A + T). La plantele și animalele superioare coeficientul de specificitate mai puțin de 1 și fluctuează ușor: de la 0,54 inainte de 0,98 , în microorganisme este mai mult de 1.

Modelul ADN-ului Watson-Crick

1953 James Watsonși Francisc Ţipăt, pe baza datelor analizei structurale cu raze X a cristalelor de ADN, a ajuns la concluzia că aDN nativ constă din două lanțuri polimerice care formează o helică dublă (Figura 3).

Lanțurile polinucleotidice înfășurate sunt ținute împreună legături de hidrogenformat între baze complementare ale lanțurilor opuse (Figura 3). Unde adenină perechi numai cu timina, și guanină - din citozină... O pereche de baze LA se stabilizează două legături de hidrogenși un cuplu G-C - trei.

Lungimea ADN-ului dublu catenar este de obicei măsurată prin numărul de perechi de nucleotide complementare ( p.n.). Pentru molecule de ADN formate din mii sau milioane de perechi de baze, unități curând și m.p.n. respectiv. De exemplu, ADN-ul cromozomului 1 uman are o lungime cu dublă helix 263 m.p.n.

Coloana vertebrală a fosfatului de zahăr al moleculei, care constă din grupări fosfat și reziduuri de dezoxiriboză conectate Legături 5'-3'-fosfodiester, formează „pereții laterali ai unei scări în spirală” și perechi de baze LA și G-C - pașii săi (Figura 3).

Figura 3: Modelul ADN-ului Watson-Crick

Lanțuri moleculare ADN antiparalel: unul dintre ei are o direcție 3 ’→ 5 ′, un alt 5 '→ 3'... In conformitate cu principiul complementaritățiidacă una dintre catene conține o secvență de nucleotide 5-TAGGCAT-3 ′, atunci în lanțul complementar din acest loc trebuie să existe o secvență 3′-ATCCGTA-5 ′... În acest caz, forma dublu-catenară va arăta astfel:

• 5′-TAGGCAT-3 ′
• 3-ATCCGTA-5 '.

Într-o astfel de înregistrare Capătul 5 'al lanțului superior sunt întotdeauna așezate în stânga și 3'-end- pe dreapta.

Purtătorul de informații genetice trebuie să îndeplinească două cerințe de bază: reproduceți (reproduceți) cu o precizie ridicată și determina (codifica) sinteza moleculelor de proteine.

Modelul ADN-ului Watson-Crick îndeplinește pe deplin aceste cerințe, deoarece:

• conform principiului complementarității, fiecare catenă ADN poate servi ca șablon pentru formarea unei noi catenă complementară. Prin urmare, după o rundă, se formează două molecule fiice, fiecare dintre ele având aceeași secvență de nucleotide ca molecula ADN originală.
• secvența nucleotidică a genei structurale definește în mod unic secvența de aminoacizi a proteinei pe care o codifică.

1. O moleculă de ADN uman conține aproximativ 1,5 gigaocteți de informații... În același timp, ADN-ul tuturor celulelor corpului uman ocupă 60 de miliarde de terabiți, care este stocat în 150-160 de grame de ADN.
2. Ziua internațională a ADN-ului sărbătorit pe 25 aprilie. A fost în această zi din 1953 James Watson și Francis Creekpublicat în revistă Natură articolul meu intitulat „Structura moleculară a acizilor nucleici” , care a descris dubla helix a moleculei de ADN.

Lista de referinte: Biotehnologie moleculară: principii și aplicații, B. Glick, J. Pasternak, 2002