Bazele biologiei moleculare

I. Proteina - Substratul vieții
Baza vieții organismelor vii sunt procesele de transformare a substanțelor (oxidare, reducere, divizare, sinteză). În timpul vieții, fiecare celulă absoarbe și produce diferite substanțe, construiește și actualizează structurile, îndeplinește anumite funcții. Principalul material de construcție din celulă este proteina (matricele citoplasmei, nucleele, mitocondriile, plastidele, membranele și organele non-membrane) sunt proteine structurale.

Un grup special de proteine structurale constituie proteinele contractile care formează elemente locomotoare ale celulelor (microtubuli, microfilamente, microfibrilelor) și determină mișcarea diviziunii celulelor, fagocitoză, etc. Astfel de proteine includ: .. actină, tubulină, miozină și alte substanțe de conversie în celulă se efectuează cu ajutorul enzimelor, a căror bază chimică sunt proteinele. Astfel, structural (plastic) și funcțiile catalitice (enzimatici) sunt funcții ale proteinei principale în orice celulă, se determină proteine și structura celulară și procesele vieții sale. În plus, proteinele efectuează numeroase funcții în celulă și în organism (Tabelul 2).

Proteinele sunt molecule universale și au o structură fundamental similară la animale, plante, bacterii și viruși. Fiecare proteină din structura sa primară este un lanț de aminoacizi legați prin legături peptidice (polipeptidă). Dar, în același timp, organismele de diferite specii diferă în proteinele lor; țesuturile diferite ale aceluiași organism sunt construite din diferite proteine (țesut conjunctiv - colagen, țesut muscular - actină, miozină, mioglobină, unghii, păr - keratină etc.); există diferențe individuale de organisme în structura proteinelor - prin urmare, proteinele au specificitate. Specificitatea proteinelor se datorează particularității structurii primare. Lanțurile de peptide diferă între ele printr-un set de aminoacizi, o secvență a locației și cantității lor. Varietatea de proteine este imensă.

II. Acide nucleice
Într-un organism multicelular celule diferențiază și, prin urmare, celulele de celule ale țesutului similare și diferite unul de țesuturi sunt diferite în morfologia și funcțiile. Atunci când se împarte, fiecare celulă formează celule fiice similare (celulele hepatice sunt formate din celulele hepatice, celulele pielii din celulele pielii). Pentru a sintetiza proteine care sunt tipice pentru acest tip de celule pentru a se reproduce - este necesar să se aibă informațiile conținute în orice material de substrat care: a) pot fi utilizate în procesul de viață și b) transferul la celulele fiice la diviziune. Aceasta asigură continuitatea structurii și funcției celulelor și organismelor în generații. Substratul material - purtătorul de informații genetice este ADN (în unele virusuri - ARN). Implementarea informației genetice are loc cu participarea diferitelor ARN (ARNm, ARNt, ARNr). Acizii nucleici sunt biopolimeri constând din nucleotide monomere. Orice nucleotidă constă din trei părți: un carbohidrat, un reziduu de acid fosforic și o bază azotată. Fiecare moleculă de acid nucleic este o secvență specifică de nucleotide. Când nucleotidele sunt legate într-un lanț, se formează legături între carbohidratul și restul de acid fosforic. Atomul de carbon din poziția 5 a riboză (dezoxiriboză) singur grup fosfat nucleotidă legat printr-un atom de carbon în poziția 3 a zahărului nucleotidice anterior.
Astfel, prima nucleotidă din lanț are un atom de carbon liber în poziția 5, iar ultimul în poziția 3 (Figura 9), astfel încât capetele

lanțurile polinucleotidice sunt desemnate ca 5 / și 3 /. În molecula ADN, două lanțuri de polinucleotide, ele sunt antiparalerale, adică unde un lanț are 5 / sfârșitul - al doilea - 3 / capăt și viceversa.
Practic structura ADN-ului și ARN-ului este similară, dar există diferențe: Molecula de ADN este format din două lanțuri polinucleotidice (ARN - o catenă) a ADN-ului au inclus dezoxiriboză carbohidrat (ARN - riboză) în ADN sunt bazele azotate - adenină, timină, guanină , citozina (în ARN în loc de timină intră în uracil). Nucleotidele unei catene ADN (ARN) diferă numai cu baza azotată. Două fire de nucleotide ADN sunt legate prin legături de hidrogen conform regulii de complementaritate: A-T; D-C.
ADN-ul este conținut în nucleul celulei, ARN în nucleu (în principal în nucleol) și în citoplasmă (hialoplasmă, ribozomi). În plus, unele organele au propriul ADN și toate tipurile de ARN (mitocondriile, plastidele).
ADN-ul a fost descoperit în 1869 (Mischer), dar numai în 1953 a fost descifrat structura acestei molecule (Watson și Creek).
Principalul rol biologic al ADN-ului este stocarea, transmiterea și auto-reproducerea informațiilor ereditare (genetice).
Structura ADN-ului este universală (fundamental aceeași pentru toate organismele vii), dar diferite molecule de ADN diferă între ele.
Specificitatea ADN depinde de compoziția nucleotidelor, de secvența de nucleotide, de numărul de nucleotide. Astfel, cantitatea de informații și semnificația ei depind de ce nucleotide sunt în moleculă, de modul în care sunt situate și de câte dintre ele.
Structura ADN conține informații despre structura proteinelor corporale și a acizilor ribonucleici (tRNA, rRNA).
Aparatul ereditar este organizat diferit în viruși, procariote și eucariote. În virusuri - poate fi o moleculă de ADN sau ARN (de organizare structurală diferită).
La procariote, conține aparatul genetic al moleculei dublu catenar circular ADN (nucleoid, genofor), care cuprinde specii de bază de informații genetice și plasmon - colectarea de elemente genetice autonome. Această mică moleculă circulară de ADN - plasmidic și epizomi conținând informații limitate privind anumite caracteristici ale acestui organism (plasmide R sunt gene de rezistență la antibiotice; F determina epizom abilitatea de a reproduce). Plasmidele și episomele sunt capabile să se reproducă și să se deplaseze de la celulă la celulă atunci când sunt conjugate.
În eucariote, aparatul genetic este reprezentat de structuri supramoleculare - cromozomi, baze chimice ale cărora este cromatina (ADN + proteine). Cromatina poate fi condensată, inactivă - heterochromatină sau deconcentrată, eucromatină activă (vezi pagina 24). Nu toate ADN-ul eucariot este informativ. Cea mai mare parte este reprezentată de secvențe de reglementare. Multe domenii se repetă în genom (repetări moderate și înalte).
Principalele diferențe în organizarea materialului genetic în pro și eucariote sunt prezentate în tabelul 3.

III. Codul genetic, caracteristicile sale
Semnificația informațiilor genetice este criptată în molecula ADN. Codul genetic este un sistem de înregistrare a informațiilor genetice, care este folosit de celulă în procesul activității vitale. Cu alte cuvinte, este vorba de un sistem de aranjament de nucleotide într-o moleculă de ADN,
determinarea secvenței aminoacizilor din molecula de proteină (regula colinearității). Unitatea codului genetic este un triplet de nucleotide din molecula ADN (codon), care corespunde unui aminoacid.
Codul genetic este caracterizat prin:
a) universalitatea (nu există altă modalitate de a înregistra informații genetice în natură)
b) triplet (o unitate a codului genetic - un triplet de nucleotide - un codon)
c) redundanță (degenerare)
d) unicitatea
e) prezența codonilor semantici, de terminare și de inițiere.

IV. Realizarea informațiilor genetice în celulă
Realizarea informațiilor genetice are loc pe tot parcursul vieții celulei în procesul de biosinteză a proteinelor, caracteristic pentru acest tip de organisme (celule).
Intensitatea biosintezei proteinelor este cea mai mare în interfază, scade până la începutul fisiunii, aproape zero în fisiune și crește imediat după fisiune. Biosinteza proteinei poate fi împărțită în două etape: transcripția (apare în nucleul ADN) și translația (apare în citoplasma pe ribozomi).
Unitatea funcțională care participă la transcriere este cistronul - o bucată de ADN compusă din trei părți:
a) un promotor (aproximativ 40 de perechi de secvențe) la care se leagă enzima ARN polimerază;
b) secvențe corespunzătoare genei structurale;
c) locul terminal (remorcă), unde se termină transcrierea.
Esența biologică a transcripției este "rescrierea" informațiilor genetice din molecula ADN la ARN, iar substanța chimică - sinteza moleculei mRNA. Esența biologică a traducerii este traducerea informațiilor de la limbajul nucleotidelor la limbajul aminoacizilor (decodarea codului genetic) și chimicale - sinteza lanțului polipeptidic.
Ambele procese se referă la matrice de reacții de sinteză, care sunt caracterizate prin: prezența moleculei de referință (șablon), energia unei enzime specifice, regulile de complementaritate și executarea avea loc în trei etape (inițiere, elongare, terminare). În prokaryotes, ARNm sintetizat poate servi imediat ca șablon pentru traducere.
În eucariote, secvențele informative ale genei structurale (exonii) sunt separate prin neinformații (introni). Transcriptul primar include atât exonii cât și intronii - acesta este imatur sau pro-mRNA. Apoi, începe prelucrarea (maturarea ARNm), ca urmare a îndepărtării intronilor și formării unui ARNm matur format numai din exoni. Procesarea constă în două etape: îmbinarea și modificarea (Figura 10).

Traducerea (Fig.10)
de asemenea, constă în inițiere, alungire și terminare.
Locul traducerii este ribozomii. În ribozomi există două centre active funcționale - peptidil și aminoacil. Ribozomul nefuncțional este disociat în două subunități: mici și mari.
inițierea translației începe cu legarea ARNm la subunitatea mică ribozom, în plus, este necesar ca, în inima ei sa transformat peptidil triplet august - este codonului de inițiere. Cu acest codon ARNt se leagă la-f-metionina, iar apoi subunitatea mică și mare ribozomale combinate. Ribozomul este gata de funcționare. Centrul aminoacil ribozom ARNm este un alt triplet de nucleotide, care poate fi contactat ARNt având un anticodon complementar. Când se întâmplă acest lucru, cei doi aminoacizi (una - în centrul aminoacil - f-metionina centru de peptidil a doua) legătură peptidică are loc - format dipeptide, inițierea a fost completă. Ribozomului se deplasează de-a lungul mARN de un triplet, care este aminoacil în centrul ei tRNA se deplasează în centrul de peptidil; este legată de o dipeptidă, iar primul tARN părăsește citoplasma. Centrul de aminoacil este liber, este un nou codon care poate fi contactat cu un anticodon ARNt complementar. Deci, se deplasează de-a lungul ARNm, ribozomului „citește“ informația, traduce în limba de aminoacizi și lanț polipeptidic este construit. Aceasta este o alungire. Elungarea are loc până când codonul terminator apare pe calea ribozomului din centrul A. Apoi lanț polipeptidic este detașat de ribozomului, ARNm a fost, de asemenea, separat de ribozomului, ribozomului este disociat în subunități, terminare are loc etapele de translație (Figura 10):
Inițierea 1-5. Începutul sintezei matricei (traducere) are loc în etape:
1 - legarea ARNm la o subunitate mică (30S) de ribozomi
2 - instalarea în centrul peptidil (P) al codonului inițial AUG (AUG)
3 - legarea tARN de aminoacizii formil-metioninei (tRNA-f-met) cu codonul ASC (formarea complexului inițial)
4 - atașarea unei subunități mari (50 S) de ribozomi
5.1 - Formarea complexului codon-anticodon în centrul aminoacilului (A)
5.2 - formarea unei legături peptidice între formil-metionină și un al doilea aminoacid (formarea unei dipeptide)
5.3 - transpunerea ribozom (deplasare) a ARNm de un triplet (primul ARNt paraseste ribozomului, ARNt al doilea, care este legată de dipeptide se mută de la A - F în centru, iar noul codonul apare în centrul A).
Elongație 6 - 9. Aprofundarea și accelerarea procesului de translație, având ca rezultat o creștere a lanțului de polipeptidă. Se compune din repetate etape:
6 - transportul aminoacizilor către ribozom prin intermediul tARN
7.1-formarea complexului codon-anticodon în centrul A
7.2 - formarea unei legături peptidice între aminoacizi
8 - transpunerea ribozomului peste ARNm pentru un singur triplet
Rezilierea 10-11. Sfârșitul emisiunii.
10 - apariția în centrul A după următoarea transpunere a ribozomului codonului de terminare (UAA, UAG, UGA)
11.1 - în centrul P destabilizează și se pierde legătura dintre tARN și mRNA
11.2 - polipeptida este scindată din tARN
11.3 - mRNA părăsește ribozomul
11.4 - disocierea ribozomului în subunități

Procesul începe cu o ruptură de legături de hidrogen între bazele azotate ale ADN-ului într-o porțiune care cuprinde aproximativ 300 de perechi de nucleotide - este un loc numit punctul de inițiere. Deoarece separarea toron ADN din punct de inițiere este la dreapta și la stânga, simultan, lanțul antiparalel ADN și o enzimă ADN polimerază poate funcționa numai într-o singură direcție (prin combinarea de nucleotide din 5 carbon ulterior 3 anterior carbon), sinteza lanțurilor copil este diferit la diferite site-uri ale aceluiași replicon. Un lanț - lider sintetizat în mod continuu, iar al doilea - rămase fragmente sintetizate (Figura 11b.).
In circuitul 3 / _5 / lângă punctul de inițiere au o anumită secvență de nucleotide - moleculă mică situs de inițiere la care ARN-ul este sintetizat (un primer ARN). In primer ARN liber 3 / - end la care prima nucleotidă este atașat ADN-ul pentru al doilea etc. Ca urmare, principalul lanț de filială sintetizat ... Pe contrar, lanțul antiparallel (5 / -3 /) al site-ului nu există nici o inițiere, iar timpul trece, în timp ce în

Rezultatul ruperii legăturilor de hidrogen este un astfel de amplasament; primer ARN este sintetizat și din ea în direcția opusă direcției de separare a fragmentului de ADN sintetizat de circuit filială mici. După separarea următoarei porțiuni a moleculei de ADN, o moleculă de ARN următorul primer gasirea site-ul său și lanțul sintetizat fragment filială ADN nou în 5 / -3 / etc. Astfel, acest circuit este sintetizat fragmente mici (fragmente Okazaki) și rămase în timp. Pe cealaltă jumătate a repliconului, în cazul în care există o separare a ADN-ului în cealaltă direcție, de asemenea, în același lanț de direcție filială sintetizată în mod continuu în celălalt - fragmentar. Apoi, o enzimă de restricție excizată ARN-primer (unul - din lanțul de conducere și de la fiecare fragment Okazaki pe catena lagging) ADN polimerază completează molecula ADN primeri ARN excizate local și ligaza alăturat fragmentelor într-un lanț continuu. Fiecare nouă moleculă de ADN cu lanț vechi (părinte), iar al doilea - noua (fiica). Această metodă de replicare se numește semiconservativă.

VI. Transcriere inversă
Ideea direcției fluxului de informații în celulă și secvența proceselor a devenit cunoscută sub numele de dogma centrală a biologiei moleculare. Transferul informațiilor genetice merge în direcția

Cu toate acestea, sa dovedit că uneori informațiile pot fi transferate de la ARN la ADN. Acest fenomen a fost studiat la viruși, aparatul genetic, care nu este reprezentat de ADN și ARN. Acest grup de retrovirusuri care includ virusul gripei aviare, SIDA și altele. Pentru a după introducerea virusului în celula gazdă de informații genetice ar putea fi utilizate pentru sinteza proteinelor virale necesare pentru ADN-ARN viral sintetizat, urmat prin introducerea acestuia în genomul celulei. Acest proces vine sub controlul transcriptazei enzimei revers (RT), și se numește transcriere inversă. Astfel, direcția fluxului de informații genetice în celulă în forma finală arată astfel:

Descoperirea fenomenului de transcriere inversă a jucat un rol important în dezvoltarea ingineriei genetice, a microbiologiei. Folosind inversul preparate transcriptases medicamente importante proteinice (interferon gamma, globuline, etc.) Introducerea într-o persoană ARNm celulă microbiană cu informații despre structura acestor proteine.

Articole similare

Pagina anterioară

Pagina următoare

Bazele biologiei moleculare

Bazele biologiei moleculare

Articole similare

Trimiteți-le prietenilor: