Molekulaarbioloogia ülesannete lahendamine. DNA: sidemed kahe ahela vahel

24.05.2020

Molekulaargeneetika – geneetika haru, mis tegeleb pärilikkuse uurimisega molekulaarsel tasandil.

Nukleiinhapped. DNA replikatsioon. Maatriksi sünteesi reaktsioonid

Nukleiinhapped (DNA, RNA) avastas 1868. aastal Šveitsi biokeemik I.F. Misher. Nukleiinhapped on lineaarsed biopolümeerid, mis koosnevad monomeeridest - nukleotiididest.

DNA - struktuur ja funktsioonid

DNA keemilise struktuuri dešifreerisid 1953. aastal Ameerika biokeemik J. Watson ja inglise füüsik F. Crick.

DNA üldine struktuur. DNA molekul koosneb 2 ahelast, mis on keerdunud spiraaliks (joonis 11), üks ümber teise ja ümber ühise telje. DNA molekulid võivad sisaldada 200 kuni 2x108 aluspaari. Mööda DNA molekuli spiraali paiknevad külgnevad nukleotiidid üksteisest 0,34 nm kaugusel. Heeliksi täielik pööre sisaldab 10 aluspaari. Selle pikkus on 3,4 nm.

Riis. 11 . DNA struktuuri diagramm (kaksikheeliks)

DNA molekuli polümerism. DNA molekul – bioploimeer – koosneb kompleksühenditest – nukleotiididest.

DNA nukleotiidi struktuur. DNA nukleotiid koosneb 3 lülist: üks lämmastiku alustest (adeniin, guaniin, tsütosiin, tümiin); desoksüsüriboos (monosahhariid); ülejäänud osa fosforhappe(joonis 12).

Lämmastikaluseid on 2 rühma:

puriin - adeniin (A), guaniin (G), mis sisaldab kahte benseenitsüklit;

pürimidiin - tümiin (T), tsütosiin (C), mis sisaldab ühte benseenitsüklit.

DNA koosneb järgmist tüüpi nukleotiididest: adeniin (A); guaniin (G); tsütosiin (C); tümiin (T). Nukleotiidide nimetused vastavad nende koostise moodustavate lämmastikualuste nimedele: adeniinnukleotiid lämmastikalus adeniin; guaniini nukleotiid lämmastikku sisaldav alus guaniin; tsütosiin nukleotiid lämmastikku sisaldav alus tsütosiin; tümiini nukleotiid lämmastikku sisaldav alus tümiin.

Kahe DNA ahela ühendamine üheks molekuliks

Ühe ahela nukleotiidid A, G, C ja T on ühendatud vastavalt teise ahela nukleotiididega T, C, G ja A vesiniksidemed. A ja T vahel moodustub kaks vesiniksidet ning G ja C vahel kolm vesiniksidet (A=T, G≡C).

Aluspaare (nukleotiide) A-T ja G-C nimetatakse komplementaarseteks, st vastastikku vastavateks. täiendavus on nukleotiidide keemiline ja morfoloogiline vastavus üksteist paaris DNA ahelates.

5 ’ 3 ’

1 2 3

3’ 5’

Riis. 12 DNA kaksikheeliksi osa. Nukleotiidi struktuur (1 - fosforhappe jääk; 2 - desoksüriboos; 3 - lämmastiku alus). Nukleotiidide ühendamine vesiniksidemete abil.

Ahelad DNA molekulis antiparalleelne, st suunatud vastassuundadesse, nii et ühe ahela 3' ots on teise ahela 5' otsa vastas. DNA geneetiline informatsioon on kirjutatud 5' otsast 3' otsani. Seda ahelat nimetatakse meele-DNA-ks,

sest seal on geenid. Teine niit - 3'–5' toimib geneetilise teabe salvestamise standardina.

Erinevate aluste arvu suhte DNA-s määras E. Chargaff 1949. aastal. Chargaff leidis, et erinevate liikide DNA-s on adeniini hulk võrdne tümiini kogusega ja guaniini kogus tsütosiin.

E. Chargaffi reegel:

DNA molekulis on A (adeniini) nukleotiidide arv alati võrdne T (tüümiin) nukleotiidide arvuga või suhtega ∑ A kuni ∑ T=1. G (guaniini) nukleotiidide summa on võrdne C (tsütosiini) nukleotiidide summaga või ∑ G ja ∑ C=1 suhtega;

puriini aluste summa (A + G) on võrdne pürimidiini aluste (T + C) summaga või ∑ (A + G) ja ∑ (T + C) suhtega \u003d 1;

DNA sünteesi meetod – replikatsioon. Replikatsioon on DNA molekuli kahekordistumise protsess, mis toimub tuumas ensüümide kontrolli all. Toimub DNA molekuli iseeneslik kahekordistumine põhinevad vastastikusel täiendavusel- nukleotiidide range vastavus üksteisele paaris DNA ahelates. Replikatsiooniprotsessi alguses kerib DNA molekul teatud piirkonnas lahti (despiraliseerub) (joonis 13), samal ajal vabanevad vesiniksidemed. Igal ahelal, mis tekkis pärast vesiniksidemete purunemist ensüümi osalusel DNA polümeraas, sünteesitakse DNA tütarahel. Sünteesi materjaliks on rakkude tsütoplasmas sisalduvad vabad nukleotiidid. Need nukleotiidid on komplementaarsed kahe algse DNA ahela nukleotiididega. DNA polümeraasi ensüüm seob komplementaarsed nukleotiidid DNA matriitsi ahelaga. Näiteks nukleotiidi jaoks A matriitsahela polümeraas lisab nukleotiidi T ja vastavalt G nukleotiidile C nukleotiidile (joonis 14). Komplementaarsete nukleotiidide ristsidumine toimub ensüümi abil DNA ligaasid. Seega sünteesitakse kaks DNA tütarahelat isesuplikatsiooni teel.

Ühest DNA molekulist saadud kaks DNA molekuli on poolkonservatiivne mudel, kuna need koosnevad vanast vanem- ja uuest tütarahelast ning on algmolekuli täpne koopia (joonis 14). Replikatsiooni bioloogiline tähendus seisneb päriliku teabe täpses ülekandmises vanemmolekulilt lapsele.

Riis. 13 . DNA molekuli despiraliseerimine ensüümi toimel

Riis. 14 . Replikatsioon - kahe DNA molekuli moodustumine ühest DNA molekulist: 1 - tütar-DNA molekul; 2 - ema (vanema) DNA molekul.

DNA polümeraasi ensüüm saab liikuda mööda DNA ahelat ainult 3' –> 5' suunas. Kuna komplementaarsed ahelad DNA molekulis on suunatud vastassuunas ja DNA polümeraasi ensüüm saab liikuda mööda DNA ahelat ainult 3'->5' suunas, siis uute ahelate süntees toimub antiparalleelselt ( antiparallelismi põhimõtte järgi).

DNA asukoht. DNA sisaldub raku tuumas, mitokondrite ja kloroplastide maatriksis.

DNA kogus rakus on konstantne ja on 6,6x10 -12 g.

DNA funktsioonid:

Geneetilise informatsiooni säilitamine ja edastamine mitme põlvkonna kaupa molekulidele ja - RNA-le;

Struktuurne. DNA on kromosoomide struktuurne alus (kromosoom koosneb 40% DNA-st).

DNA liigispetsiifilisus. DNA nukleotiidide koostis on liigikriteerium.

RNA, struktuur ja funktsioonid.

Üldine struktuur.

RNA on lineaarne biopolümeer, mis koosneb ühest polünukleotiidahelast. Eristage RNA primaarset ja sekundaarset struktuuri. RNA primaarstruktuur on üheahelaline molekul, sekundaarne struktuur on aga ristikujuline ja omane t-RNA-le.

RNA molekuli polümerism. RNA molekul võib olla 70 nukleotiidist 30 000 nukleotiidini. RNA moodustavad nukleotiidid on järgmised: adenüül (A), guanüül (G), tsütidüül (C), uratsiil (U). RNA-s asendatakse tümiini nukleotiid uratsiili nukleotiidiga (U).

RNA nukleotiidi struktuur.

RNA nukleotiid sisaldab 3 linki:

lämmastikalus (adeniin, guaniin, tsütosiin, uratsiil);

monosahhariid - riboos (riboosis on iga süsinikuaatomi juures hapnik);

fosforhappe jääk.

RNA sünteesi meetod - transkriptsioon. Transkriptsioon, nagu ka replikatsioon, on malli sünteesi reaktsioon. Maatriks on DNA molekul. Reaktsioon kulgeb vastavalt komplementaarsuse põhimõttele ühel DNA ahelal (joonis 15). Transkriptsiooniprotsess algab DNA molekuli despiraliseerimisega kindlas kohas. Transkribeeritud DNA ahelal on promootor - DNA nukleotiidide rühm, millest algab RNA molekuli süntees. Ensüüm seondub promootoriga RNA polümeraas. Ensüüm aktiveerib transkriptsiooniprotsessi. Komplementaarsuse põhimõtte kohaselt valmivad raku tsütoplasmast transkribeeritud DNA ahelasse tulevad nukleotiidid. RNA polümeraas aktiveerib nukleotiidide joondamise ühes ahelas ja RNA molekuli moodustumise.

Transkriptsiooniprotsessis on neli etappi: 1) RNA polümeraasi seondumine promootoriga; 2) sünteesi algus (initsiatsioon); 3) elongatsioon - RNA ahela kasv, s.t toimub nukleotiidide järjestikune kinnitumine üksteise külge; 4) terminatsioon – mRNA sünteesi lõpetamine.

Riis. 15 . Transkriptsiooniskeem

1 - DNA molekul (kaheahelaline); 2 – RNA molekul; 3-koodonid; 4- promootor.

1972. aastal avaldasid Ameerika teadlased - viroloog H.M. Temin ja molekulaarbioloog D. Baltimore avastasid kasvajarakkudes viiruste pöördtranskriptsiooni. pöördtranskriptsioon geneetilise teabe ümberkirjutamine RNA-st DNA-sse. Protsess viiakse läbi ensüümi abil. pöördtranskriptaas.

RNA tüübid funktsiooni järgi

Messenger ehk messenger RNA (i-RNA ehk mRNA) kannab geneetilise informatsiooni DNA molekulist valgusünteesi kohta – ribosoomi. Sünteesitakse tuumas ensüümi RNA polümeraasi osalusel. See moodustab 5% kõigist raku RNA tüüpidest. mRNA sisaldab 300 nukleotiidi kuni 30 000 nukleotiidi (pikim ahel RNA hulgas).

Transfer RNA (t-RNA) transpordib aminohapped valgusünteesi kohta, ribosoomi. See on ristikujuline (joonis 16) ja koosneb 70–85 nukleotiidist. Selle kogus rakus moodustab 10-15% raku RNA-st.

Riis. kuusteist. t-RNA struktuuri skeem: A-D - vesiniksidemetega ühendatud nukleotiidide paarid; E - aminohappe kinnituskoht (aktseptorkoht); E - antikoodon.

3. Ribosomaalne RNA (r-RNA) sünteesitakse tuumas ja on osa ribosoomidest. Sisaldab umbes 3000 nukleotiidi. See moodustab 85% raku RNA-st. Seda tüüpi RNA-d leidub tuumas, ribosoomides, endoplasmaatilisel retikulumil, kromosoomides, mitokondriaalses maatriksis ja ka plastiidides.

Tsütoloogia alused. Tüüpiliste ülesannete lahendamine

1. ülesanne

Kui palju tümiini ja adeniini nukleotiide sisaldab DNA, kui selles leidub 50 tsütosiini nukleotiidi, mis on 10% kõigist nukleotiididest.

Lahendus. Vastavalt DNA kaheahelalise komplementaarsuse reeglile on tsütosiin alati guaniiniga komplementaarne. 50 tsütosiini nukleotiidi moodustavad 10%, seega Chargaffi reegli järgi moodustavad 50 guaniini nukleotiidi ka 10% või (kui ∑C = 10%, siis ∑G = 10%).

Nukleotiidide paari C + G summa on 20%

Nukleotiidide paari summa T + A \u003d 100% - 20% (C + G) \u003d 80%

Et teada saada, kui palju tümiini ja adeniini nukleotiide DNA-s on, peate tegema järgmise proportsiooni:

50 tsütosiini nukleotiidi → 10%

X (T + A) → 80%

X \u003d 50x80: 10 = 400 tükki

Chargaffi reegli järgi ∑A= ∑T, seega ∑A=200 ja ∑T=200.

Vastus: tümiini, aga ka adeniini nukleotiidide arv DNA-s on 200.

2. ülesanne

DNA tümiini nukleotiidid moodustavad 18% nukleotiidide koguarvust. Määrake DNA-s sisalduvate muud tüüpi nukleotiidide protsent.

Lahendus.∑T=18%. Chargaffi reegli järgi on ∑T=∑A, seega moodustavad adeniini nukleotiidid samuti 18% (∑A=18%).

T + A aluspaari summa on 36% (18% + 18% = 36%). Nukleotiidipaari puhul moodustab Gi C: G + C \u003d 100% -36% \u003d 64%. Kuna guaniin on alati tsütosiiniga komplementaarne, on nende sisaldus DNA-s võrdne,

st ∑ G= ∑C=32%.

Vastus: guaniini, nagu ka tsütosiini, sisaldus on 32%.

3. ülesanne

20 tsütosiini DNA nukleotiidi moodustavad 10% nukleotiidide koguarvust. Mitu adeniini nukleotiidi on DNA molekulis?

Lahendus. DNA kaheahelalises ahelas on tsütosiini kogus võrdne guaniini kogusega, seega on nende summa: C+G=40 nukleotiidi. Leidke nukleotiidide koguarv:

20 tsütosiini nukleotiidi → 10%

X (nukleotiidide koguarv) → 100%

X = 20x100:10 = 200 tükki

A + T \u003d 200 - 40 \u003d 160 tükki

Kuna adeniin on tümiiniga komplementaarne, on nende sisaldus võrdne,

st 160 tükki: 2=80 tükki või ∑A=∑T=80.

Vastus: DNA molekulis on 80 adeniini nukleotiidi.

4. ülesanne

Lisage parempoolse DNA ahela nukleotiidid, kui selle vasaku ahela nukleotiidid on teada: AGA - TAT - GTG - TCT

Lahendus. Parema DNA ahela konstrueerimine vastavalt antud vasakpoolsele ahelale toimub vastavalt komplementaarsuse põhimõttele - nukleotiidide rangele vastavusele üksteisele: adenoon - tümiin (A-T), guaniin - tsütosiin (G-C). Seetõttu peaksid õige DNA ahela nukleotiidid olema järgmised: TCT - ATA - CAC - AGA.

Vastus: parempoolse DNA ahela nukleotiidid: TCT - ATA - CAC - AGA.

5. ülesanne

Kirjutage transkriptsioon üles, kui transkribeeritud DNA ahelas on järgmine nukleotiidide järjestus: AGA - TAT - THT - TCT.

Lahendus. i-RNA molekul sünteesitakse vastavalt komplementaarsuse põhimõttele DNA molekuli ühel ahelal. Me teame nukleotiidide järjekorda transkribeeritud DNA ahelas. Seetõttu on vaja ehitada komplementaarne mRNA ahel. Tuleb meeles pidada, et tümiini asemel sisaldab RNA molekul uratsiili. Seega:

DNA ahel: AGA - TAT - TGT - TCT

i-RNA ahel: UCU - AUA - ACA - AGA.

Vastus: i-RNA nukleotiidjärjestus on järgmine: UCU - AUA - ACA -AGA.

6. ülesanne

Kirjutage üles pöördtranskriptsioon, st koostage kaheahelalise DNA molekuli fragment vastavalt pakutud mRNA fragmendile, kui mRNA ahelal on järgmine nukleotiidjärjestus:

GCG – ACA – UUU – UCG – CSU – ASU – AGA

Lahendus. Pöördtranskriptsioon on DNA molekuli süntees, mis põhineb mRNA geneetilisel koodil. DNA molekuli kodeeriva i-RNA nukleotiidide järjestus on järgmine: GCG - ACA - UUU - UCG - CGU - AGU - AGA. Sellele komplementaarne DNA ahel: CHC - TGT - AAA - AGC - HCA - TCA - TCT. Teine DNA ahel: GCH-ACA-TTT-TCG-CGT-AGT-AGA.

Vastus: pöördtranskriptsiooni tulemusena sünteesiti DNA molekuli kaks ahelat: CHC - TGT - AAA - AGC - HCA - TCA ja GCH - ACA - TTT - TCH - CHT - AGT - AGA.

Geneetiline kood. valkude biosüntees.

Gene- DNA molekuli osa, mis sisaldab geneetilist teavet ühe konkreetse valgu primaarstruktuuri kohta.

Geeni ekson-introni struktuureukarüoot

promootor- DNA osa (kuni 100 nukleotiidi pikkune), millele ensüüm kinnitub RNA polümeraas vajalik transkriptsiooniks;

2) reguleeriv valdkond– geenide aktiivsust mõjutav tsoon;

3) geeni struktuurne osa- geneetiline teave valgu esmase struktuuri kohta.

DNA nukleotiidide järjestus, mis kannab geneetilist teavet valgu primaarse struktuuri kohta - ekson. Need on ka osa mRNA-st. DNA nukleotiidide järjestus, mis ei kanna geneetilist teavet valgu primaarstruktuuri kohta - intron. Nad ei ole osa mRNA-st. Transkriptsiooni käigus lõigatakse mRNA-st spetsiaalsete ensüümide abil välja intronite koopiad ja mRNA molekuli moodustumisel liidetakse eksonite koopiad (joonis 20). Seda protsessi nimetatakse splaissimine.

Riis. 20 . Splaissimise skeem (küpse mRNA moodustumine eukarüootides)

geneetiline kood - nukleotiidjärjestuste süsteem DNA molekulis ehk mRNA, mis vastab polüpeptiidahela aminohapete järjestusele.

Geneetilise koodi omadused:

Kolmilisus(ACA – GTG – GCG…)

Geneetiline kood on kolmik, kuna iga 20 aminohapet on kodeeritud kolmest nukleotiidist koosneva järjestusega ( kolmik, koodon).

Nukleotiidi kolmikuid on 64 tüüpi (4 3 = 64).

Ühemõttelisus (spetsiifilisus)

Geneetiline kood on üheselt mõistetav, sest iga nukleotiidide kolmik (koodon) kodeerib ainult ühte aminohapet või üks koodon vastab alati ühele aminohappele (tabel 3).

Paljusus (liigsus või degeneratsioon)

Sama aminohapet võivad kodeerida mitmed kolmikud (2 kuni 6), kuna valke moodustavaid aminohappeid on 20 ja kolmikut 64.

Järjepidevus

Geneetilise teabe lugemine toimub ühes suunas, vasakult paremale. Kui üks nukleotiid kukub välja, siis selle lugemisel tuleb asemele lähim nukleotiid naaberkolmikult, mis toob kaasa geneetilise informatsiooni muutumise.

Mitmekülgsus

Geneetiline kood on omane kõigile elusorganismidele ja samad kolmikud kodeerivad sama aminohapet kõigis elusorganismides.

Sellel on alguse ja lõpu kolmikud(alguskolmik - AUG, lõppkolmikud UAA, UGA, UAG). Seda tüüpi kolmikud ei kodeeri aminohappeid.

Mittekattuvus (diskreetsus)

Geneetiline kood ei kattu, kuna sama nukleotiid ei saa olla samaaegselt kahe kõrvuti asetseva kolmiku osa. Nukleotiidid võivad kuuluda ainult ühele kolmikule ja kui need ümber paigutada teise tripleti, siis geneetiline informatsioon muutub.

Tabel 3 – geneetilise koodi tabel

		Koodoni alused

Märkus. Aminohapete lühendatud nimetused on antud kooskõlas rahvusvahelise terminoloogiaga.

Valkude biosüntees

Valkude biosüntees - plastivahetuse tüüp rakus olevad ained, mis esinevad elusorganismides ensüümide toimel. Valkude biosünteesile eelnevad maatriksisünteesi reaktsioonid (replikatsioon – DNA süntees; transkriptsioon – RNA süntees; translatsioon – valgumolekulide kokkupanek ribosoomidele). Valkude biosünteesi protsessis eristatakse 2 etappi:

transkriptsioon

saade

Transkriptsiooni käigus kantakse tuuma kromosoomides paiknevas DNA-s sisalduv geneetiline informatsioon RNA molekuli. Transkriptsiooniprotsessi lõppedes siseneb mRNA tuumamembraanis olevate pooride kaudu raku tsütoplasmasse, paikneb ribosoomi 2 subühiku vahel ja osaleb valkude biosünteesis.

Tõlkimine on geneetilise koodi tõlkimine aminohapete järjestusse. Translatsioon viiakse läbi raku tsütoplasmas ribosoomidel, mis asuvad EPS-i (endoplasmaatilise retikulumi) pinnal. Ribosoomid on sfäärilised graanulid keskmise läbimõõduga 20 nm, mis koosnevad suurtest ja väikestest subühikutest. MRNA molekul asub ribosoomi kahe alaühiku vahel. Translatsiooniprotsessis osalevad aminohapped, ATP, i-RNA, t-RNA, ensüüm amino-atsüül-t-RNA süntetaas.

koodon- DNA molekuli ehk i-RNA osa, mis koosneb kolmest järjestikusest nukleotiidist, mis kodeerib ühte aminohapet.

Antikoodon- t-RNA molekuli osa, mis koosneb kolmest järjestikusest nukleotiidist ja on komplementaarne m-RNA molekuli koodoniga. Koodonid on komplementaarsed vastavate antikoodonitega ja on nendega ühendatud vesiniksidemete kaudu (joonis 21).

Valkude süntees algab alguskoodon AUG. Temalt ribosoom

liigub mööda RNA molekuli kolmik-tripleti haaval. Aminohapped pärinevad geneetilisest koodist. Nende integreerimine ribosoomi polüpeptiidahelasse toimub t-RNA abil. T-RNA primaarstruktuur (ahel) läheb üle sekundaarstruktuuri, mis meenutab kujuga risti ja samal ajal säilib selles nukleotiidide komplementaarsus. t-RNA alumises osas on aktseptorsait, mille külge on kinnitatud aminohape (joonis 16). Aminohapete aktiveerimine toimub ensüümi abil aminoatsüül-tRNA süntetaas. Selle protsessi olemus seisneb selles, et see ensüüm interakteerub aminohapete ja ATP-ga. Sel juhul moodustub kolmekordne kompleks, mida esindavad see ensüüm, aminohape ja ATP. Aminohape rikastatakse energiaga, aktiveeritakse, omandab võime moodustada peptiidsidemeid naaberaminohappega. Ilma aminohapete aktiveerimise protsessita ei saa aminohapetest moodustada polüpeptiidahelat.

tRNA molekuli vastas, ülemine osa sisaldab nukleotiidide kolmikut antikoodon, mille abil t-RNA kinnitub selle komplementaarse koodoni külge (joonis 22).

Esimene t-RNA molekul, mille külge on kinnitatud aktiveeritud aminohape, seob oma antikoodoni mRNA koodoniga ja üks aminohape ilmub ribosoomi. Seejärel kinnitatakse teine t-RNA koos oma antikoodoniga mRNA vastava koodoniga. Samal ajal on ribosoomis juba 2 aminohapet, mille vahel tekib peptiidside. Esimene tRNA lahkub ribosoomist niipea, kui see annetab aminohappe ribosoomi polüpeptiidahelale. Seejärel kinnitub dipeptiidile 3. aminohape, selle toob kaasa kolmas t-RNA jne. Valkude süntees peatub ühel terminaalsel koodonil - UAA, UAG, UGA (joonis 23).

1 – mRNA koodon; koodonidUCG-UCG; CUA-CUA; CGU-CGU;

2 – t-RNA antikoodon; antikoodon GAT – GAT

Riis. 21 . Translatsioonifaas: mRNA koodon tõmbab tRNA antikoodoni külge vastavate komplementaarsete nukleotiidide (alustega)

1. Ühel DNA ahelal on nukleotiidjärjestus: AGT JA GAT ACT CGA TTT ACH... Mis on sama molekuli teise ahela nukleotiidjärjestus?

Lahendus.Komplementaarsuse põhimõtte kohaselt lõpetame teise ahela (A-T, G-C). See näeb välja selline: TCA TGG CTA TGA GCT AAA THC...

2. Kahest insuliini valguahelast suurem (nimetatakse B-ahelaks) algab järgmiste aminohapetega: fenüülalaniin-valiin-asparagiin-glutamiinhape-histidiin-leutsiin. Kirjutage nukleotiidide järjestus selle DNA molekuli osa algusesse, mis salvestab selle valgu kohta teavet.

Lahendus.Kuna ühte aminohapet võib kodeerida mitu kolmikut, on võimatu mRNA ja DNA piirkonna täpset struktuuri määrata ning struktuur võib varieeruda. Nukleotiidide komplementaarsuse põhimõtet ja geneetilise koodi tabelit kasutades saame ühe järgmistest võimalustest:

3. Geenisektsioonil on järgmine struktuur, mis koosneb nukleotiidjärjestusest: CHG CHC TCA AAA TCG... Määrake valgu vastava piirkonna struktuur, mille kohta teave selles geenis sisaldub. Kuidas mõjutab neljanda nukleotiidi eemaldamine geenist valgu struktuuri?

Lahendus.Kasutades vesiniksidemetega aluste ühendamise komplementaarsuse põhimõtet ja geneetilise koodi tabelit, teeme kõik nagu eelmises ülesandes:

DNA ahel	CHG	CGC	TCA		TCG
IRNA	SC	GCH	ATU	uuu	AGC
Valguahela aminohapped	Ala - Ala - Ser - Fen - Ser

Kui geenist eemaldatakse neljas nukleotiid - C, tekivad märgatavad muutused - valgu aminohapete arv ja koostis väheneb:

DNA ahel	CHG	Hzt	CAA	AAT	CG
IRNA	SC	CGA	SUMMA	UUA	HZ
Valguahela aminohapped	Ala - aprill - Val - Lei -

4. Fanconi sündroomi (luude moodustumise häire) korral erituvad patsiendi uriiniga aminohapped, mis vastavad mRNA-s olevatele koodonitele: AUA, HUC, AUG, UCA, UUG, GUU, AUU. Tehke kindlaks, milliste aminohapete eritumine uriiniga on iseloomulik Fanconi sündroomile, kui terve inimese uriin sisaldab aminohappeid alaniini, seriini, glutamiinhapet ja glütsiini.

Lahendus.Geneetilise koodi tabeli abil määrame aminohapped, mida kodeerivad näidatud kolmikud. Need on isoleutsiin, valiin, metioniin, seeria, leutsiin, türosiin, valiin, isoleutsiin. Seega on patsiendi uriinis ainult üks aminohape (seeria) sama mis tervel inimesel, ülejäänud kuus on uued ja kolm tervele inimesele iseloomulikku puuduvad.

5. Uuringud on näidanud, et mRNA sisaldab 84% guaniini, 18% uratsiili, 28% tsütosiini, 20% adeniini. Määrake lämmastikualuste protsent DNA piirkonnas, mis on selle mRNA matriitsiks.

Lahendus.Ilmselgelt on mRNA mõttes (loetavas) DNA ahelas 34% guaniinist vastavalt 34% tsütosiini, 18% uratsiili - 18% adeniini, 28% tsütosiini - 28% guaniini, 20% adeniini - 20% tümiini (vastavalt nukleotiidsete aluste komplementaarsuse põhimõte). Kokku on semantilises ahelas A + T ja G + C: A + T = 18% + 20% = 38%, G + C = 28% + 34% = 62%. Antisenss- (kodeerimata) ahelas (DNA on kaheahelaline molekul) on kogunäitajad samad, ainult üksikute aluste protsent on vastupidine: A + T \u003d 20% + 18% - 38% , G + C - 34 % + 28% = 62%. Mõlemas ahelas jagunevad komplementaarsete aluste paarid võrdselt, st adeniin ja tümiin - kumbki 19%, guaniin ja tsütosiin kumbki 31%.

6. Veiseinsuliini ahel A sisaldab 8. lülis alaniini, hobustel treoniini ja 9. lülis; seeria ja glütsiin vastavalt. Mida saab öelda insuliinide päritolu kohta?

Lahendus.Vaatame, millised kolmikud mRNA-s kodeerivad probleemi tingimuses mainitud aminohappeid ja võrdlemise mugavuse huvides koostame väikese tabeli:

	Bull	Hobune
8. valgu ühik	KÕIK	TRE
IRNA	HCU	ACU
9. valgulink	SER	GLI
IRNA	ASU	GSU

Kuna aminohappeid kodeerivad erinevad kolmikud, võetakse kolmikud, mis erinevad üksteisest minimaalselt. Sel juhul muutusid mRNA kolmikute esimeste nukleotiidide asendamise tulemusena aminohapped hobuse ja pulli 8. ja 9. lülis: guaniin asendati adeniiniga (või vastupidi). Kaheahelalise DNA puhul oleks see samaväärne asendamisega paarid C-G T-A-le (või vastupidi). Seetõttu on veise- ja hobuseinsuliini A-ahelate erinevused tingitud üleminekutest veise- ja hobuseinsuliini A-ahela 8. ja 9. lüli kodeeriva DNA-molekuli piirkonnas.

Loeng number 2. DNA replikatsioon

J. Watsoni ja F. Cricki hüpoteesi kohaselt toimib iga DNA kaksikheeliksi ahel matriitsina komplementaarsete tütarahelate replikatsioonil. Sel juhul moodustuvad kaks kaheahelalist tütarmolekuli, mis on identsed algse DNA molekuliga ja igaüks neist molekulidest sisaldab üht muutumatut lähte-DNA ahelat. Seda DNA replikatsiooni mehhanismi, mida nimetatakse poolkonservatiivseks, kinnitasid M. Meselson ja F. Stahl 1957. aastal E. coli rakkudega tehtud katsetes. Konservatiivne replikatsioonimeetod, mille puhul üks tütar-DNA peab sisaldama mõlemat algset ahelat ja teine kahest äsja sünteesitud ahelast ning dispergatiivne replikatsioonimehhanism, mille puhul iga tütar-DNA ahel koosneb algse ja äsja moodustunud DNA lõikudest. , 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 eraldi fragmendi) pikenemine toimub alati 5'-otsast 3'-otsa suunas. See tähendab, et järgmine uus nukleotiid lisatakse kasvava ahela 3'-otsa. Lisaks, kuna mis tahes DNA molekulis on komplementaarsed ahelad antiparalleelsed, on kasvav ahel ka matriitsi ahelaga antiparalleelne. Seetõttu loetakse viimast suunas 3'→5' (slaid 2 ja 3).

5. paaritu DNA ahel, mis toimib matriitsina, ja iduahel, millele on kinnitatud uued nukleotiidid;

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

Ensüümikompleks töötab nii, et üks kahest selle sünteesitavast ahelast kasvab teise ahelaga võrreldes pliiga. Sellest lähtuvalt nimetatakse esimest ahelat juhtivaks ja teist mahajäävaks. Juhtahela moodustab ensüümikompleks pideva väga pika fragmendi kujul. 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 selline võime; 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 moodustamiseks 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 tekkiva tühimiku ülesehitamises, replikatsioonivigade korrigeerimises ja ka DNA parandamises. . E. coli rakkudes on umbes 400 selle ensüümi molekuli. Pol III viib läbi reparatiivse 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, omab korrigeerivat funktsiooni. 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. Siiski ilmuvad normaalses DNA-s lühikeseks ajaks kõigi nelja aluse haruldased tautomeersed vormid. Need vormid moodustavad ebakorrapärased paarid. Näiteks tsütosiini tautomeerne vorm paardub guaniini asemel adeniiniga, mille tulemuseks on mutatsioon (slaid). See tähendab, et replikatsiooni kõrge täpsuse määrab mehhanism, mis teostab parandust, st selliste vigade kõrvaldamist. Siin tuleb mängu DNA polümeraasi III 3¢→5¢-eksonukleaasi aktiivsus. Olles kokku puutunud DNA molekuliga, millel on paaritu tsütosiin adeniiniga, lõikab DNA polümeraas III (hüdrolüüsi teel) ära kõik paaritumata nukleotiidid.

On tõendeid, et DNA polümeraas III katalüüsib replikatsiooni ajal juhtivate (juhtivate) ja mahajäänud DNA ahelate seotud sünteesi. DNA polümeraasid vajavad praimerit, kuna nad suudavad 3'-OH rühma külge kinnitada 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 kohas, mis asub esimesest teatud kaugusel (slaid).

Iga lühikese fragmendi jaoks vajab DNA polümeraas paaritud 3¢ otsaga praimerit (praimerit). Praimereid sünteesib DNA primaasensüüm, mis moodustab ribonukleosiidtrifosfaatidest lühikesed RNA praimerid (praimerid), mis koosnevad eukarüootides umbes 10 nukleotiidist (slaid). Praimerid sünteesitakse teatud ajavahemike järel mahajäänud ahela matriitsil, seejärel ehitab need üles DNA polümeraasi poolt, käivitades iga kord uue Okazaki fragmendi. DNA polümeraasi molekul jätkab kasvu, kuni jõuab seemneni (praimer). Tagamaks paljude selliste fragmentide DNA ahela järjepidevust, tuleb mängu DNA parandamise süsteem, mis eemaldab RNA praimeri ja asendab selle DNA-ga. Ligaas viib protsessi lõpule, ühendades uue fragmendi 3¢-otsa eelmise fragmendi 5¢-otsaga.

DNA kahekordne ahel peab replikatsioonikahvli edenedes lahti rulluma, et sissetulevad desoksüribonukleosiidtrifosfaadid saaksid paarituda algmatriitsi ahelaga. Siiski sisse normaalsetes tingimustes DNA kaksikheeliks on stabiilne; paaritud alused on nii tugevalt seotud, 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 replikatsiooniks ette vanemliku DNA

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

Protsess algab sellest, et iga selline järjestus seob mitut erituvastusvalkude molekuli. Bakterite puhul nimetatakse selliseid valke DnaA-ks (esimeste replikatsiooni käivitavate valkudena). (Seetõttu on joonisel äratundmisvalk märgistatud A-ga.)

Võib ette kujutada erinevaid põhjuseid, miks äratundmisvalgud saavad replikatsiooni alguspunktidega suhelda. Nende põhjuste hulgas:

- valkude äratundmise või nende spetsiifilise modifikatsiooni ilmumine tuumas;

- replikatsiooni alguspunktide vabastamine teatud blokeerivatest elementidest;

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

Olemasolevad andmed toetavad esimest võimalust. Kuid igal juhul on selge, et siin on üks peamisi linke, mis kontrollivad replikatsiooni algust.

Tunnustavad valgud, olles taganud DNA-d replitseeruva kompleksi seondumise, ei liigu ilmselt sellega mööda DNA-d edasi.

b) Üks "pioneere" on ensüüm helikaas (joonisel tähistab seda D-täht). See tagab lähte-DNA topeltheeliksi replikatsioonikahvli piirkonnas lahtikeeramise: viimane on lahti ühendatud üheahelalisteks osadeks.

See kulutab ATP hüdrolüüsi energiat – 2 ATP molekuli 1 paari nukleotiidide jagunemise kohta.

Ilmselt toimub samal ajal ka selle DNA segmendi nihkumine ühendusest histoonide ja teiste kromosomaalsete valkudega.

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

Fakt on see, et iga DNA molekul on fikseeritud tuumamaatriksil mitmesse kohta. Seetõttu ei saa see mõne sektsiooni lahtikudumisel vabalt pöörata. See põhjustab ülikerimist ja koos sellega struktuurse pinge teket, mis blokeerib topeltspiraali edasise lahtikerimise.

Probleem lahendatakse topoisomeraasi ensüümide abil (ja joonisel). Ilmselt toimivad nad DNA veel keerutamata osas, st seal, kus toimub ülikerimine. Topoisomeraasid osaleb replikatsioonikahvli kaksikheeliksi lahtikerimises. 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, põhjustades topeltheeliksi otsaosa pöördumise ümber terve ahela ja seejärel ühendades uuesti 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 keerata. Samuti on olemas topoisomeraas II (bakteriaalset topoisomeraas II nimetatakse güraasiks). See ensüüm lõhub mõlemad DNA ahelad korraga, kandes vastavad otsad jällegi endale. See muudab superspiraalide probleemi lahendamise DNA lahtikerimisel veelgi tõhusamaks.

Topoisomeraas I katkestab ühe DNA ahela, kandes selle proksimaalse otsa enda külge (joonis). See võimaldab DNA distaalsel osal (alates lahtikerimise punktist kuni katkemiseni) pöörata ümber kogu ahela vastava lüli, mis takistab superspiraalide teket. Seejärel sulguvad katkenud ahela otsad uuesti: üks neist kandub ensüümilt teise otsa. Seega on topoisomeraasi ahela katkemise protsess kergesti pöörduv.

Helikaasid(alates lat. helix- heeliks, valk dnaB), teostada replikatsioonikahvli - molekuli hargnemata ahelatega lõigu - moodustumist ja liikumist mööda DNA spiraali. Need ahelat lahti keeravad ensüümid kasutavad ATP hüdrolüüsil vabanevat energiat. Helikaasid toimivad koos ssb-valgud, mis seonduvad molekuli üheahelaliste piirkondadega ja stabiliseerivad seeläbi keerdumata dupleksi.

d) Niisiis kerib helikaasensüüm topoisomeraaside toel DNA kaksikheeliksi lokaalselt lahti kaheks eraldi ahelaks.

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

Pange tähele, et sel viisil erinevad need valgud histoonidest, mis seonduvad peamiselt kaheahelaliste DNA piirkondadega.

polümerisatsiooni ensüümid

a) Spetsiaalne valk toimib primaasi aktivaatorina (joonisel AP). Pärast seda 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 mitokondriaalses DNA replikatsioonis ning α- ja δ-polümeraasid tuuma DNA replikatsioonis.

Samal ajal on α-polümeraas teatud eelduste kohaselt seotud nii primaasi kui δ-polümeraasiga ning viimane omakorda PCNA valguga (joonisel P).

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

On selge, et DNA polümeraasid sisestavad ehitatavasse DNA ahelasse järjestikku desoksüribonukleotiide – komplementaarselt 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 esitame teavet sarnaste bakteriaalsete ensüümide kohta.

Bakterites teeb põhilise "töö" DNA replikatsiooniks DNA polümeraas III, millel on dimeerne struktuur. Sellega on seotud PCNA valgutüübi "klamber".

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

Seega toimub pidev kontroll süsteemi üle oma tegevuse tulemuse üle.

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

Kui piki lähteahelat liikuv ensüümikompleks jõuab eelmise fragmendi RNA praimerini, avaneb DNA polümeraasi III DNA algahelaga siduv "klamber" ja see ensüüm lakkab töötamast. Mängu tuleb DNA polümeraas I (räägime ikka bakteriaalsetest ensüümidest). See kinnitub kasvava fragmendi 3"-otsa (joonis 1.14). Sel juhul ei ole ensüümil enam stabiilset sidet selle fragmendi ja lähteahelaga, vaid sellel 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.

"Oma" fragmendi lõpp (DNA polümeraasi aktiivsus).

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

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

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

DNA polümeraasi 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 (hoone " lüngad") - DNA polümeraas β (see, mis osaleb ka parandamises).

d) Rääkides polümerisatsiooniensüümidest, ei saa mainimata jätta nendega seotud probleemidest kõige raskemat. See on umbes DNA hilinenud ahela sünteesi kohta: nagu me teame, on selle sünteesi suund vastupidine üldine suund replikatsioonikahvli levik.

Seda vastuolu selgitavad vähemalt kaks hüpoteesi.

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

Teise versiooni kohaselt (joon. 1.15, B) moodustub replikatsiooni käigus vanemliku DNA teisele ahelale (matriitsi mahajäänud ahelale) silmus. Seetõttu hakkab Okazaki fragmendi moodustumise suund silmuse siseosas ühtima polümeraasi kompleksi liikumissuunaga. Siis võivad viimased peaaegu samaaegselt moodustada mõlemad DNA ahelad korraga – 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 on lihtne näha, et viivitatud ahelat ei saa moodustada pidevalt, vaid ainult fragmentide kujul.

Ensüümid, mis lõpetavad DNA replikatsiooni

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

Külgnevate fragmentide "õmblemine" 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 terminaalsed dNMP (desoksüribonukleosiidmonofosfaadid) "ristseotud" fragmentide osana.

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, välja arvatud juhul, kui toimub selle otste või telomeersete piirkondade spetsiaalne replikatsiooniprotsess.

Ensüüm telomeraas mängib selles protsessis võtmerolli.

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

Joonis 29.3 näitab, et primaas koosneb kolmest domeenist:

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

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

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

E. coli primaasi poolt sünteesitud praimerid algavad pppAG järjestusega 5'-otsast ja on ligikaudu 10-12 nukleotiidi pikad. 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 makroergiliste sidemete energiat.

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

Bakterites algab DNA replikatsiooni initsiatsioon kromosoomi unikaalsest kohast, replikatsioonipunktist oriC, kust replikatsioon kulgeb kahesuunaliselt lõpp-punkti (otsa). Selle tulemusena moodustuvad kaks replikatsioonikahvlit, mis liiguvad vastassuundades, st mõlemad ahelad replitseerivad samaaegselt.

initsiaatorvalk dnaA seondub korduvate sidumissaitidega oriC, moodustades spetsiaalse nukleoproteiini struktuuri. See viib AT-rikka järjestuse lokaalse lahknemiseni oriC, mis toimib replikatiivse helikaasi sidumissaidina (dnaB) ja valku DNAC/

Edasi dnaB aktiveeritakse eemaldamisega dnaC, liigub teatud vahemaa suunas 5_→3_ ja interakteerub primaasiga dnaG. Primaas sünteesib DNA polümeraas III holoensüümi 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 ja toimib ka signaalina primaasi aktiveerimiseks (joonis 29.5).

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

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 tekivad 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 replitseerub pidevalt replikatsioonihargiga samas suunas. Mahajäävat ahelat loetakse replikatsioonikahvlile vastupidises suunas. DNA ahelate antiparalleelsuse ületamine replikatsiooni ajal saavutatakse tõenäoliselt silmusstruktuuri moodustamisega (joonis 29.7).

Esiteks sünteesitakse mahajäänud ahelal uue DNA ahela lühikesed fragmendid, nn Okazaki fragmendid, mis on nimetatud nende avastaja järgi. Iga fragment algab lühikese RNA praimeriga (praimeriga), mis on vajalik DNA polümeraasi toimimiseks. DNA polümeraas III lõpetab selle praimeri DNA fragmendiks, mille pikkus on 1000–2000 desoksünukleotiidi ühikut.

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

Bioloogiatunnid loodusainete tundides

Täpsem planeerimine, 10. klass

3. Nukleotiidide ühendus ahelas

Nukleotiidid on omavahel seotud kondensatsioonireaktsioonis. Sel juhul tekib esterside ühe nukleotiidi suhkrujäägi 3" süsinikuaatomi ja teise fosforhappejäägi vahel. Selle tulemusena tekivad hargnemata polünukleotiidahelad. Polünukleotiidahela üks ots (nn 5) " ots) lõpeb fosforhappe molekuliga, mis on seotud 5" -süsiniku aatomiga, teine (seda nimetatakse 3 "otsaks) - vesinikiooniga, mis on seotud 3" süsinikuaatomiga. Järjestikuste nukleotiidide ahel moodustab põhistruktuuri DNA.

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 "lagunemise" riski.

Kui nelja tüüpi nukleotiididest moodustatud polünukleotiid sisaldab 1000 linki, on selle koostise võimalike variantide arv 4 1000 (see on 6 tuhande nulliga arv). Seetõttu võivad ainult nelja tüüpi nukleotiidid pakkuda tohutul hulgal nukleiinhappeid ja nendes sisalduvat teavet.

4. Kaheahelalise DNA molekuli moodustumine

1950. aastal tegi inglise füüsik Maurice Wilkins DNA röntgenpildi. Ta näitas, et DNA molekulil on teatud struktuur, mille dekodeerimine aitaks mõista selle toimimise mehhanismi. Kõrgelt puhastatud DNA-lt saadud röntgenikiirgus võimaldas 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 neid kahte kiudu 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 suhkru-fosfaadi karkass paikneb DNA perifeerias. DNA molekul ning puriini ja pürimidiini alused on keskel.

D. Watson ja F. Crick leidsid, et kaks DNA polünukleotiidahelat on keerdunud üksteise ümber ja ümber ühise telje. DNA ahelad on antiparalleelsed (mitmesuunalised), st. 3 "ühe keti otsa vastas on teise 5" ots (kujutage ette kahte spiraaliks keerdunud madu – ühe pea teise saba külge). Spiraal on tavaliselt keeratud paremale, kuid on ka vasakpoolse spiraali moodustumise juhtumeid.

5. Chargaffi reeglid. Komplementaarsuse põhimõtte olemus

Juba enne Watsoni ja Cricki avastamist tegi Austraalia biokeemik Edwin Chargaff 1950. aastal kindlaks, et mis tahes organismi DNA-s on adenüülnukleotiidide arv võrdne tümidüüli arvuga ja guanüülnukleotiidide arv on võrdne tsütosüülnukleotiidide arvuga (A \u003d T, G \u003d C) või koguarvuga puriini lämmastikku sisaldavate aluste koguarv on võrdne pürimidiini lämmastikaluste koguarvuga (A + G \u003d C + T) . Neid mustreid nimetatakse "Chargaffi reegliteks".

Fakt on see, et topeltheeliksi moodustumisel on adeniini lämmastikalus ühes ahelas alati vastupidine teise ahela adeniini lämmastikalusele ja guaniini vastas on tsütosiin, st DNA ahelad näivad olevat täiendavad üksteist. 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 keemiline olemus lämmastikku sisaldavad heterotsüklilised alused. Adeniin ja guaniin kuuluvad puriinide hulka ning tsütosiin ja tümiin kuuluvad pürimidiinide hulka, see tähendab, et sidemeid sama laadi lämmastikualuste vahel ei teki. Lisaks vastavad teineteisele geomeetriliselt täiendavad alused, st. suuruse ja kuju poolest.

Sellel viisil, Nukleotiidide komplementaarsus on nende molekulide struktuuride keemiline ja geomeetriline vastavus üksteisele..

Lämmastikalused sisaldavad tugevalt elektronegatiivseid hapniku- ja lämmastikuaatomeid, mis kannavad osalist negatiivset laengut, samuti vesinikuaatomeid, millel tekib osaline positiivne laeng. 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 vesiniksidet (G=C). Selline nukleotiidide ühendus tagab esiteks maksimaalse arvu vesiniksidemete moodustumise ja teiseks sama kauguse ahelate vahel kogu spiraali pikkuses.

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

Vestluse üldistamine uue materjali õppimise käigus; 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 nukleotiidide järjestuse: 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 on umbes 0,34 nm?
3. Mitu (%) nukleotiidi sisaldab see DNA molekuli fragment?

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%
4D - x%, seega x \u003d 16,7% (G);
sest Chargaffi reegli järgi G=C, mis tähendab, et C sisaldus=16,6%.

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%, siis teises ahelas C = 18%;
sest esimeses ahelas A=30%, seega teises ahelas T=30%;
sest esimeses ahelas T=20%, seega teises ahelas A=20%;

2. Määrake tsütosiini sisaldus esimeses ahelas (%).

määrata tsütosiini osakaal esimeses DNA 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 alates koguarv nukleotiidid. Määrake tümidüül- ja tsütosüülnukleotiidide hulk.

1. Chargaffi reegli järgi leiame tümidüülnukleotiidide sisalduse antud DNA molekulis: A=T=23%.
2. Leia adenüül- ja tümidüülnukleotiidide sisalduse summa (%) antud DNA molekulis: 23% + 23% = 46%.
3. Leidke selle DNA molekuli guanüül- ja tsütosüülnukleotiidide sisalduse summa (%): 100% - 46% = 54%.
4. Chargaffi reegli järgi 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 nukleotiidi on selles DNA-s üksikult? Mis on selle molekuli pikkus?

1. Tehke kindlaks, mitu adenüülnukleotiide on antud DNA molekulis: 8625: 345 = 25.
2. Chargaffi reegli järgi on A=G, s.o. selles 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 aluspaari on ühe raku DNA-s (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 aluspaaride 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 (nukleiinhapete sisaldus, molekulmass, nukleotiidide struktuur, Chargaffi reegel, komplementaarsuse põhimõte, kaheahelalise DNA molekuli moodustumine), lahendage ülesandeid pärast teksti teksti. lõik.

Tund 16-17. Rakulise RNA 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 test

Kaarditöö

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 olevad lüngad: “DNA molekuli kaks ahelat on vastamisi .... Ahelad on ühendatud... ja adeniini sisaldava nukleotiidi vastu on alati... sisaldav nukleotiid ja tsütosiini sisaldava vastu - sisaldav.... Seda põhimõtet nimetatakse põhimõtteks ... . Järjestus... molekulis... iga organismi jaoks... määrab järjestuse... sisse... . Nii et DNA on... DNA lokaliseerub eukarüootidel peamiselt ... rakkudes ja prokarüootidel ... rakkudes.

Suuliste teadmiste test küsimuste kohta

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

Valideerimine probleemi lahendamine antud õpikus.

II. Uue materjali õppimine
1. RNA ja selle tähendus

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

Kell kõrgemad organismid valgud sünteesitakse 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 moodustub ühest polünukleotiidahelast ja kuigi selles sisalduvad komplementaarsed nukleotiidid on samuti võimelised moodustama omavahel vesiniksidemeid, tekivad need sidemed ühe 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 ajal.

RNA kuulub peamist rolli päriliku teabe edastamisel ja rakendamisel. Vastavalt funktsioonile ja struktuurilistele tunnustele eristatakse mitut raku RNA klassi.

2. Rakulise RNA klassid ja nende funktsioonid

Rakuline RNA on kolm peamist klassi.

1. Informatiivne (mRNA) või maatriks (mRNA). Selle molekulid on suuruse, molekulmassi (0,05x106 kuni 4x106) ja stabiilsuse poolest kõige mitmekesisemad. 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 peamine tähtsus seisneb selles, et see tagab mRNA ja ribosoomi esialgse sidumise ning moodustab ribosoomi aktiivse tsentri, milles polüpeptiidahela sünteesi käigus tekivad aminohapete vahel peptiidsidemed.

3. RNA-de ülekandmine(T RNA). tRNA molekulid sisaldavad tavaliselt 75-86 nukleotiidi. Molekulmass tRNA molekule 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 oma 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

Tabeli täitmine õpilaste poolt koos hilisema kontrolliga.

Võrdlusmärgid
Asukoht puuris	Tuum, mitokondrid, kloroplastid	Tuum, ribosoomid, tsentrioolid, tsütoplasma, mitokondrid ja kloroplastid
Makromolekuli struktuur	Kahekordne hargnemata lineaarne polümeer keritud	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 hoidja	Vahendaja geneetilise teabe rakendamisel

4. DNA replikatsioon

DNA molekuli üks unikaalseid omadusi on selle võime isepaljuneda – reprodutseerida originaalmolekuli täpseid koopiaid. Tänu sellele toimub päriliku informatsiooni ülekandmine emarakust tütarrakkudesse jagunemise käigus. DNA molekuli isereplikatsiooni protsessi nimetatakse replikatsioon (reduplikatsioon).

Replikatsioon on keeruline protsess, mis hõlmab ensüüme (DNA polümeraasid). Replikatsiooniks tuleb DNA kaksikheeliks esmalt lahti keerata. Seda teevad ka spetsiaalsed ensüümid - helikaasid vesiniksidemete purustamine aluste vahel. Kuid keerdumata alad on kahjustavate tegurite suhtes väga tundlikud. Et hoida neid kaitsmata olekus võimalikult vähe aega, 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 DNA polümeraasi ensüüm saab "liikuda" ainult ühes suunas - alates ahelast. 3'-otsa malli ahela 5'-otsa. Seetõttu lülitatakse lähtemolekuli ühe poole replikatsioon, alustades 3'-nukleotiidist, pärast topeltheeliksi lahti keeramist ja arvatakse olevat pidev. Molekuli teise poole replikatsioon algab veidi hiljem ja mitte algusest (kus asub 5'-nukleotiid, mis takistab reaktsiooni toimumist), vaid sellest mingil kaugusel. Samal ajal liigub DNA polümeraas vastupidises suunas, sünteesides suhteliselt lühikese fragmendi. Sel hetkel ilmuvat struktuuri nimetatakse replikatsioonikahvel. Kui kaksikheeliks on lahti keeratud, nihkub replikatsioonikahvel: teisel ahelal algab järgmise segmendi süntees, mis läheb eelmise, juba sünteesitud fragmendi alguse poole. Siis need eraldi fragmendid teises maatriksiahelas (neid nimetatakse Okazaki killud) on ensüümi DNA ligaasiga ühendatud üheks ahelaks.

DNA replikatsioonikahvli struktuuri skeem

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

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

5. RNA süntees rakus

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

Transkriptsioon on ka näide matriitsi sünteesi reaktsioonist. RNA ahel on väga sarnane DNA ahelaga: see koosneb ka nukleotiididest (ribonukleotiidid, väga sarnased desoksüribonukleotiididele). RNA-d loetakse sellest DNA piirkonnast, milles see on kodeeritud, kooskõlas komplementaarsuse põhimõttega: uratsiil-RNA muutub vastandlikuks DNA adeniiniks, tsütosiin vastupidiseks guaniiniks, adeniin vastupidiseks tümiiniks ja guaniin tsütosiiniks.

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

Vastavalt aktsepteeritud tavadele on geeni algus diagrammidel kujutatud vasakul. DNA molekuli mittetöötaval (mittekodeerival) ahelal on sel juhul 5" ots, töötaval (kodeerival) ahelal aga vastupidine. RNA polümeraasi ensüüm kinnitub promootor(spetsiifiline DNA nukleotiidide järjestus, mille ensüüm "ära tunneb" keemilise afiinsuse tõttu ja mis asub matriitsi DNA ahela vastava lõigu 3" otsas.) Ainult promootori külge kinnitumisel saab RNA polümeraas käivituda. RNA süntees rakus leiduvatest vabadest ribonukleosiidtrifosfaatidest Energia RNA sünteesiks sisaldub ribonukleosiidtrifosfaatide makroenergeetilistes sidemetes.

III. Teadmiste kinnistamine

Üldistav vestlus uue materjali õppimise käigus. 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 järjekorra piki töötavat DNA ahelat sünteesitavas mRNA-s: G-C-G-A-C-U-A-U-C.

Vastus: G-Ts-G-A-Ts-U-A-U-Ts

IV. Kodutöö

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

18. õppetund

Varustus: üldbioloogia tabelid, nukleotiidide struktuuri diagramm, DNA struktuuri mudel, diagrammid ja joonised, mis illustreerivad RNA struktuuri, replikatsiooni ja transkriptsiooni protsesse.

I. Teadmiste test
Suuline teadmiste test küsimustel.

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 lõputöid numbrite alla, õpilased kirjutavad vihikusse nende lõputööde numbrid, mis oma versioonile sisult sobivad.

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. Riboos on nukleotiidide osa.
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 edastamisel.

Variant 1 - 2; 4; 6; kaheksa; 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 (%) DNA tööahelas:

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

mRNA ahelas A \u003d 28%, mis tähendab, et töötavas DNA ahelas T \u003d 28%;

mRNA ahelas Y \u003d 40%, mis tähendab, et töötavas DNA ahelas A \u003d 40%;

2. Määrake tsütosiini mRNA ahela sisaldus (%).

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 põhimõttel 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 selles DNA ahelas:

13 nukleotiidi - 100%
5 A - x%, x \u003d 38% (A).
2 G - x%, x \u003d 15,5% (G).
4 T – x%, x=31% (T).
2 C - x%, x \u003d 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 läbiviimine

valik 1

1. DNA molekuli ühe ahela fragmendid on antud: 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. DNA molekulist leiti 880 guanüülnukleotiidi, mis moodustavad 22% selle DNA nukleotiidide koguarvust? Määrake, kui palju teisi nukleotiide selles DNA molekulis (individuaalselt) sisaldab. Mis on selle DNA pikkus?

2. variant

1. DNA molekuli ühe ahela fragmendid on antud: 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 selles DNA molekulis (individuaalselt) sisaldab. Mis on selle DNA pikkus?

IV. Kodutöö

Korrake põhiklasside materjali orgaaniline aine leidub elusaines.

Jätkub

DNA (parem ahel): GTA - ACC - TAT - CCG

DNA (vasak ahel): CAT - TGG - ATA - GHZ

mRNA: GUA - ACC - UAU - CCG

Transkriptsioon

47. Mitu molekuli pentoosi - desoksüriboosi DNA segmendil, kui sellele geenisegmendile on kodeeritud info 10 000 daltonit kaaluva valgu kohta. Mg (nukleotiid) = 340; Mr (aminohapped) = 100)

Aminohapete arv valgus = 10000/100 = 100

Nukleotiidide arv küpses mRNA-s = 100 * 3 = 300 (kuna iga aminohapet kodeerib nukleotiidide kolmik)

Nukleotiidide arv DNA geenis = 300 * 2 = 600 (kuna DNA on kaheahelaline)

Desoksüriboosi jääkide arv DNA geenis = nukleotiidide arv DNA geenis = 600.

DNA nukleotiidide arv ja vastavalt ka desoksüriboosi jääkide arv, mis määrati valgu molekulis olevate aminohapete arvu põhjal, saadi ilma introneid (mittekodeerivaid fragmente) arvesse võtmata, vaid ainult kodeerivaid piirkondi. (eksonid)

Vastus: 600 desoksüriboosi jääki.

Drosophila kärbsel domineerib hall kehavärv musta üle. Hallkärbeste ristamisel tekkis järglastel 1390 hallkärbest ja 460 mustkärbest. Koostage pärimise skeem ja märkige vanemate ja järglaste genotüübid

A - hall kehavärv, a - must kehavärv

F 1 1390 A_, 460 aa

hall must

Kuna järglaste lõhenemine hallide (domineeriva tunnusega) isendite ristamisel on ligilähedane 3:1, siis vastavalt Mendeli teisele seadusele (tunnuse jagunemise seadus) on vanemad heterosügootid.

Seetõttu on pärimismuster, vanemate ja järglaste genotüübid:

F 1 1AA, 2Aa, 1aa

hall must

Vanemad on kehavärvi määrava geeni (Aa) suhtes heterosügootsed, järglastel toimub lõhenemine genotüübi 1 (AA) järgi: 2 (Aa): 1 (aa) ja fenotüübi 3 järgi (A_, hall): 1 (aa, must).

Redis võib juurvili olla pikk, ümar ja ovaalne. Taimede ristamisel ovaalsete juurtega saadi 121 pikkade juurtega taime, 119 ümarate, 243 ovaalsete juurtega taime. Millised võivad olla järglased isetolmlemisel taimedel, millel on 1) pikk juurvili; 2) ümmargune juurvili

Tulenevalt asjaolust, et järglastes fenotüüpselt identsete taimede (ovaalse juurviljaga) ristamisel saadi lõhenemine 1-le (pikk juurvili): 2 (ovaalne juurvili): 1 (ümarjuur), siis esiteks on ristatud vanemtaimed vastavalt Mendeli teisele seadusele (tunnuste lõhenemise seadus), nad on heterosügootsed ja teiseks ei domineeri juurvilja piklik vorm ümara üle täielikult (juurvilja mittetäielik domineerimine). tunnus või pärilikkuse vahepealne olemus), kuna fenotüübi järgi jagunemine vastab genotüübi järgi jagunemisele. Kuna 50% järglastest isenditest oli ovaalne juurvili, iseloomustab heterosügootseid isendeid ovaalne juurvili.

Olgu AA piklik juurvili, Aa ovaalne juurvili ja aa ümarjuur.

Siis on ovaalse juurviljaga isendite ristamisel pärimismuster järgmine:

ovaalne ovaalne

F 1 1AA, 2Aa, 1aa

piklik ovaalne ümmargune

1) Pika juurviljaga (AA) taimede isetolmlemisel saame ainult pika juurviljaga taimi:

pikk pikk

2) ümarjuureviljaga (aa) isetolmlevate taimede puhul saame ainult ümara juurviljaga taimi:

ümmargune ring

50. Millist mereala pindala (m 2) on vaja ühe 300 kg kaaluva hülge toitmiseks (vesi moodustab 60%) toiduahelas: plankton - kala - hüljes. Planktoni bioproduktiivsus on 600 g/m2

% kuivjääk haugi kehas = 100-60 = 40%

m kuivjääk haugi kehas = 300*40/100 = 120 kg

plankton ® fish ® hüljes

12000 kg 1200 kg 120 kg

Planktoni tootlikkuse (0,6 kg / m 2) alusel määrame hülge toitmiseks vajaliku mereala pindala:

0,6 kg ® 1 m 2

120 kg ® x m 2

Põllu pindala \u003d 12000 / 0,6 \u003d 20000 m 2

Seega on haugi toitmiseks mereala pindala 20 000 m 2

MRNA molekuli fragmendil on järgmine nukleotiidjärjestus: UGC-AAG-CUG-UUU-AUA. Määrake aminohapete järjestus valgu molekulis. Selleks kasutage geneetilise koodi tabelit

mRNA: UGC-AAG-CUG-UUU-AUA

peptiid: tsüsteiin - lüsiin - leutsiin - fenüülalaniin - isoleutsiin

Saade

Vastus: tsüsteiin - lüsiin - leutsiin - fenüülalaniin - isoleutsiin.

52. Küps mRNA molekul koosneb 240 nukleotiidist. Kui palju nukleotiide on DNA-s, mis oli selle mRNA molekuli sünteesi matriitsiks, kui intronid moodustavad 20%?

Eksoni nukleotiidide % ebaküpses mRNA-s = 100-20 = 80%

Nukleotiidide arv ebaküpses mRNA-s = 240 * 100/80 = 300

Nukleotiidide arv DNA sektsioonis, millest see mRNA kopeeriti = 300 * 2 = 600 (kuna DNA on kaheahelaline)

Eksonid on geenide kodeerivad piirkonnad, intronid on geenides mittekodeerivad polünukleotiidjärjestused, need võivad olla eksonitest pikemad ja eeldatavasti täita regulatoorseid ja struktuurseid funktsioone. RNA küpsemise käigus lõigatakse sellest välja intronitest kopeeritud (töötlemine) mittekodeerivad piirkonnad ning eksonitest kopeeritud kodeerivad piirkonnad kombineeritakse soovitud järjestuses (splaising).

Vastus: nukleotiidide arv DNA-s = 600.

Heterosügootsete punaseviljaliste tomatite ristamisel kollaseviljalistega saadi 352 punase viljaga taime. Ülejäänud taimed olid kollaste viljadega. Tehke kindlaks, kui paljudel taimedel oli kollane värv? (vilja punane värvus on domineeriv omadus)

Tomatites on puuviljade punane värvus domineeriv. Olgu A vilja punane värv ja A puuvilja kollane värvus.

punane kollane

Kui heterosügootne isend ristatakse retsessiivse homosügootiga (analüüsi rist), on F 1 jaotus 1: 1 (50% heterosügoote, millel on domineeriv tunnus ja 50% retsessiivseid homosügoote, millel on retsessiivne tunnus). Järelikult on kollaseõielisi taimi umbes sama palju kui punaseviljalisi (s.o 352 taime).

Vastus: umbes 352 taimel oli kollane värv.

Emaili hüpoplaasia on päritud X-seotud domineeriva tunnusena ja kuuesõrmelisus autosomaalse domineeriva tunnusena. Perre, kus ema on kuuesõrmeline ja isal on hambaemaili hüpoplaasia, sündis viiesõrmeline terve poiss. Märkige kõigi pereliikmete genotüübid ja koostage pärimisskeem

Olgu X A - hambaemaili hüpoplaasia, X a - normaalne email, B - kuue sõrmega, b - viie sõrmega (normaalne)

Vanemate ja lapse genotüübid: ema - X - X - Bb (kuue sõrmega), isa - X A Y_ _ (emaili hüpoplaasia), poeg - X a Ubb

P X - X - Bb x X A Y_ _

Kuue varba emaili hüpoplaasia

viiesõrmeline, tavaline email

Tulenevalt asjaolust, et nendele vanematele sündis viie sõrmega terve poiss, on ema ja isa genotüübid järgmised: X - X a Bb (ema), X A Y_ b (isa).

Kuna probleemi seisund ei ütle midagi ema emaili seisundi ja isa sõrmede arvu kohta, on vanemate genotüüpide 2 varianti ja vastavalt 2 pärilikkusmustrit. :

1) P X a X a Bb x X A Ubb 2) P X A X a Bb x X A UVb

….. normaalne email, emaili hüpoplaasia emaili hüpoplaasia emaili hüpoplaasia

…….kuue-sõrmeline viiesõrmeline kuuesõrmeline……. kuue sõrmega

F 1 X a Ubb F 1 X a Ubb

tavaline email normaalne email

viiesõrmeline viiesõrmeline

55. Määrata jõe pindala, mis on vajalik 1 kg (40% kuivainet) kaaluva koha söötmiseks. Toiduahelas: fütoplankton - taimtoidulised kalad - sang. Fütoplanktoni tootlikkus on 500 g/m2

% kuivaine jääk koha kehas = 100-60 = 40%

m kuivjääk koha kehas = 1*40/100 = 0,4 kg

Charles Eltoni ökoloogilise püramiidi reegli kohaselt väheneb organismide kogubiomass, selles sisalduv energia ja isendite arv tõustes madalaimalt troofilisele tasemele; samal ajal läheb igal järgmisel tasandil ligikaudu 10% biomassist ja sellega seotud energiast. Sellega seoses on toiduahela erinevate lülide biomass:

fütoplankton ® taimtoiduline kala ® kull

40 kg 4 kg 0,4 kg

Fütoplanktoni tootlikkuse (0,5 kg / m 2) alusel määrame kindlaks haugi toitmiseks vajaliku mereala pindala:

0,5 kg ® 1 m 2

40 kg ® x m 2

Põllu pindala \u003d 40 / 0,5 \u003d 80 m 2

Seega on haugi söötmiseks mereala pindala 80 m 2

56. Valgumolekuli lõigul on järgmine aminohappejärjestus: asparagiin-isoleutsiin-proliin-trüptofaan-lüsiin. Määrake DNA molekulis üks võimalikest nukleotiidide järjestustest (kasutage geneetilise koodi tabelit)

peptiid: asparagiin-isoleutsiin-proliin-trüptofaan-lüsiin

mRNA: AAU - AUU - CCU - UGG - AAA

DNA (inf.lõng): TTA - TAA - GGA - ACC - TTT

DNA (2. ahel): AAT - ATT - CCT - TGG - AAA

Transkriptsioon- mRNA sünteesi protsess DNA maatriksil viiakse läbi vastavalt nukleiinsete polüpeptiidide komplementaarsuse põhimõte: nukleotiidadeniin on komplementaarne (moodustab vesiniksidemeid) nukleotiidi tümiiniga DNA-s või nukleotiidi uratsiiliga RNA-s, nukleotiidtsütosiin on komplementaarne nukleotiidguaniiniga DNA-s või RNA-s.

Saade- valgusünteesi protsess mRNA maatriksil viiakse läbi ribosoomidel tRNA osalusel, millest igaüks tarnib valgusünteesiks teatud aminohapet. tRNA on nukleotiidide kolmik (antikoodon), mis komplementaarsuse põhimõtte kohaselt interakteerub mRNA teatud tripleti (koodoniga).

Peptiidi baasil taasloodud DNA molekuli fragment ja vastavalt ka küps mRNA molekul ei kajasta intronite (mittekodeerivate fragmentide) olemasolu, vaid sisaldab ainult kodeerivaid piirkondi (eksoneid).

DNA molekul koosneb 3600 nukleotiidist. Määrake täielike spiraalsete pöörete arv antud molekulis. Määrake t-RNA kogus, mis osaleb selles geenis kodeeritud valgu biosünteesis

Aluspaaride arv DNA molekulis = 3600/2 = 1800

Täielike spiraalsete keerdude arv antud DNA fragmendis = 1800/10 = 180 (kuna DNA topeltheeliksi iga pööre sisaldab 10 aluspaari)

Nukleotiidide arv ühes DNA ahelas = 3600/2 = 1800 (kuna DNA on kaheahelaline)

Selles DNA fragmendis kodeeritud aminohapete arv (välja arvatud võimalikud intronid selles) = 1800/3 = 600 (kuna iga aminohapet kodeerib nukleotiidide kolmik)

Selle valgu biosünteesis osalevate tRNA molekulide arv = 600, kuna iga aminohapet tarnib spetsiifiline tRNA molekul.

Selle probleemi lahendamisel ei olnud võimalik arvestada võimaliku introni (mittekodeerivate) piirkondade esinemisega DNA molekulis, mille tulemusena saadakse selles DNA fragmendis kodeeritud valgu aminohapete kogus ning Seetõttu võib selle valgu sünteesiks vajaliku tRNA kogust üle hinnata.

Vastus: täielike pöörete arv DNA molekulis = 180; tRNA kogus = 600.

Kahe lainelise karvaga looma ristamise tulemusena saadi 20 järglast, neist 15 lainelise kuue ja 5 sileda karvaga. Kui paljud järglastest on heterosügootid? Kirjutage pärimisskeem

Tulenevalt asjaolust, et F1-s fenotüüpiliselt identsete loomade ristamisel saadi lõhenemine 3:1 (15 lainelise karvaga ja 5 sileda karvaga looma), siis Mendeli teise seaduse (ehk lõhestumise seaduse) järgi. märgid), ristatud vanemad olid heterosügootsed ja laineline vill domineerib sileda üle. Olgu A laineline villane ja A sile vill.

Pärimisskeem:

laineline laineline

G A, a ....... A, a

F 1 AA, 2Aa, aa

laineline, sile

% heterosügootsetest järglastest = 50% järglaste koguarvust või 2/3 lainelise karvaga isenditest, heterosügootsete järglaste arv = 15 * 2/3 = 10.

Liblikate puhul määravad naissoo XY kromosoomid ja isassoo XX kromosoomid. Tunnus "kookonivärv" on seotud sooga. valge värv kookon on domineeriv omadus. Millised on järglased, kui ristatakse valgekarvaline emane tumeda karvaga isasega?

Olgu X A valge kookon, siis X a on tume kookon

P X A Y x X a X a

valge kookon tume kookon

emane isane

G X A, Y X a

F 1 X A X a, X a Y

valge kookon tume kookon

mees naine

Kõigil F1 meestel on valge kookon ja kõigil emastel tume kookon. Üldiselt on jagamine ilma soo arvestamata 1:1.

60. Ökoloogilise püramiidi reegli alusel määrake, milline biotsenoosi piirkond teravilja-hiire-öökulli toiduahelas toidab 2 kg kaaluvat öökulli. Hiirte arv ja öökullide arv. Taimede biotsenoosi tootlikkus 400 g/m 2

m kuivjääk öökulli kehas = 2 kg

grain ® hiired ® öökull

200 kg 20 kg 2 kg

Biotsenoosi produktiivsuse (0,4 kg / m 2) põhjal määrame öökulli toitmiseks vajaliku biotsenoosi ala:

0,4 kg ® 1 m 2

200 kg ® x m 2

Põllu pindala \u003d 200 / 0,4 \u003d 500 m 2

Seega on öökulli toitmiseks biotsenoosi pindala 500 m 2