Генетична інформація, її реплікація, транскрипція і трансляція. Генотоксичний вплив наноматеріалів

Національний  авіаційний університет

Інститут інформаційно-діагностичних систем

Кафедра прикладної фізики

 

 

 

 

 

 

 

ЗАТВЕРДЖУЮ:

Завідувач кафедри______________________

_____________________________

«____»_________________200__р.

 

 

Генетична інформація, її реплікація, транскрипція і трансляція. Генотоксичний вплив наноматеріалів

 

 

 

Виконали студенти:

Запорожець  Артур Олександрович

Фісенко Олексій Максимович

361 група

спеціальність „Прикладна фізика”

___________________________

підпис

 

Науковий керівник:

доктор біохімічних наук,

професор кафедри  прикладної фізики

Ульберг Зоя  Рудольфівна

__________________________

підпис

 

 

 

 

 

 

 

Київ-2009

 

Зміст

 

ВСТУП……………………………………………………………………………………..4

РОЗДІЛ 1. Генетична інформація

1.1.ДНК і РНК, їх функції………………………………………………...5-6

1.2.Генетичний код………………………………………………………...6-7

1.3. Розшифрування коду……………………………………………………7

Висновок……………………………………………………………………...7

РОЗДІЛ 2. Способи передачі генетичної інформації

2.1. Реплікація ДНК напівконсервним способом………………………..8-9

2.2. Реплікація кільцевої ДНК у двох напрямках………………………9-11

2.3. Багатоточковість початку реплікації  в еукаріотичних ДНК…….11-12

2.4. Реплікація ДНК по механізму " кільця, що котиться "…………..12-13

2.5. Вміст в бактеріальних екстрактах ДНК-полімерази……………..13-14

2.6. Дія ДНК-полімерази відбувається тільки за участю попередньої ДНК……………………………………………………………………………..14-15

2.7. Наявність багатьох ферментів і білкових факторів для реплікації ДНК……………………………………………………………………………

2.8. Наявність трьох ДНК-полімераз у клітинах E.coli……………....15-16

2.9. Одночасна реплікація обох ланцюгів ДНК створює проблеми…….16

2.10. Відкриття фрагментів  Оказакі…………………………………...16-17

2.11. Необхідність РНК-запалу для синтезу фрагментів Оказакі……….17

2.12. Фрагменти Оказакі з'єднуються один з одним за допомогою ДНК-легази………………………………………………………………………………18

2.13. Необхідність фізичного  поділу ланцюгів батьківської двухланцюгової ДНК для реплікації…………………………………………18-20

2.14. Протікання реплікації в еукаріотичних клітинах…………………..20

2.15. Транскрибування генів з утворенням РНК…………………………20

2.16. Синтез матричної РНК при допомозі ДНК-залежної РНК- полімерази…………………………………………………………………..…21-22

2.17. Проходження подальшого перетворення транскриптів РНК…….22

2.18. Слугування гетерогенних  ядерних РНК попередниками еукаріотичних матричних РНК………………………………………………22-23

2.19. Зчитування у РНК-утримуючих вірусів ДНК за допомогою зворотної транскриптази…………………………………………...…………23-24

Висновок……………………………………………………………………24

РОЗДІЛ 3. ГЕНОТОКСИЧНІСТЬ  НАНОМАТЕРІАЛІВ

3.1. Генотоксичні властивості наноматеріалів…………………………...25

3.2. Дослідження генотоксичності  наноматеріалів…………………...25-27

Висновок…………………………………………………………………….27

Список використаної літератури………………………………………….28

Додаток А

Додаток Б

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВСТУП

 

В 1953 р. Джеймс Уотсон і Френсис Лемент постулювали структуру подвійної спіралі ДНК. Їхня гіпотеза, правильність якої була підтверджена надалі в найрізноманітніших численних експериментах різного роду, представляла собою результат спільних зусиль генетичної теорії, що висунула концепцію кодування генетичної інформації за допомогою генів, фізики, яка дозволила визначити молекулярну структуру ДНК методом рентгеноструктурного аналізу, і біохімії, яка дозволила встановити хімічний склад ДНК і принцип спарювання комплементарних основ. Гіпотеза Уотсона- Лемента не тільки пояснила структуру молекули ДНК, але й показала, яким чином ця молекула може точно реплікуватися. Це, незабаром, привело до формування центральної догми молекулярної генетики, яка визначає три головні етапи в обробці генетичної інформації.

Перший етап – реплікація, тобто копіювання батьківської ДНК із утвором дочірніх молекул ДНК, нуклеотидна послідовність яких комплементарна нуклеотидній послідовності батьківської ДНК і однозначно нею визначається.

Другий етап – транскрипція, процес, у ході якого частина генетичної інформації переписується у формі рибонуклеїнової кислоти (РНК).

Третій етап – трансляція, у процесі якої генетична інформація, записана за допомогою чотирибуквеного коду в РНК, переводиться в рибосомах на двадцятибуквенний код білкової структури.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

РОЗДІЛ 1

ГЕНЕТИЧНА ІНФОРМАЦІЯ

1.1. ДНК і РНК, їх функції

ДНК – це надзвичайно довгі полімерні ланцюги, що складаються з багатьох тисяч з’єднаних один з одним мономерних одиниць – дезоксирибонуклеотидів чотирьох типів, що утворюють характерні для кожного організму специфічні послідовності. Молекули ДНК зазвичай складаються із двох ланцюгів. Хромосома прокаріотичних кліток представляє собою одну дуже довгу двухланцюгову молекулу ДНК, зібрану в компактне ядерне утворення- нуклеотид. До речі, у прокаріот генетичний матеріал не оточений мембраною.

Еукаріотичні клітки містять велику кількість молекул ДНК, кожна з яких, як правило, набагато довше єдиної молекули ДНК прокаріот. Молекули ДНК в эукаріот пов'язані з білками й організовані в хроматинові волокна усередині ядра, оточеного складною двухмембранной системою.

Функція ДНК полягає в тому, що вона зберігає запас генетичної інформації, необхідної для кодування структури усіх РНК кожного виду організму, регулює в часі й просторі біосинтез компонентів клітин і тканин, визначає діяльність організму з плином його життєвого циклу й забезпечує індивідуальність кожного організму.

Молекули рибонуклеїнових кислот представляють собою довгі полімерні ланцюги, що складаються із з'єднаних один з одним мономерних одиниць – рибонуклеотидів. За розміром молекули РНК набагато коротше, чим ДНК, однак їх загальна кількість в більшості клітин значно перевищує кількість ДНК. Як у прокаріотичних, так і в еукаріотичних клітинах міститься РНК трьох основних класів: матрична РНК (мРНК), рибосомна РНК(рРНК) і транспортна РНК (тРНК). Будь-яка РНК у відмінності від ДНК являє собою одноланцюговий полірибонуклеотид, для якого характерна строго певна біологічна функція (Дод.А, табл.А.1). Матричні РНК (мРНК) служать матрицями, які використовуються рибосомами при переводі генетичної інформації в амінокислотну послідовність білків. Нуклеотидна послідовність мРНК комплементарна генетичному повідомленню, що міститься в певній ділянці ланцюга, що кодує ДНК.

тРНК представляє собою ретро вірусами полірибонуклеотиди, що утворюють компактну, згорнуту певним чином структуру. Кожна з 20 амінокислот, що виявляється в білках, відповідає одній або декілька тРНК, які зв'язують її, переносять до рибосом і служать «адаптором» при перекладі закодованого в мРНК генетичного тексту в амінокислотну послідовність білків. Кожна тРНК містить особливий тринуклеотид (триплет), названий нею антикодом, який комплементарний тринуклеотидной послідовності (триплету) у мРНК – кодону, що кодує амінокислоту, яка відповідає даній тРНК.

Рибосомні РНК (рРНК) – основні компоненти рибосом; вони становлять до 65% їх ваги. У прокаріотичних рибосомах присутні три види рРНК (Дод.А, табл.А.1), а еукаріотичні рибосоми містять чотири види рРНК. рРНК відіграють важливу роль у структурі й біосинтетичній функції рибосом.

В еукаріотичних клітинах існує два додаткові класи РНК: гетерогенні РНК (гяРНК), що представляють собою ядерні попередники мРНК, і малі (низькомолекулярні) ядерні РНК (мяРНК), що беруть участь в процессінгу РНК.

 

1.2. Генетичний код

Припущення про загальну природу генетичного коду виникло  із самої структури ДНК. І ДНК, і білки являють собою лінійні  полімери. Звідси видалося цілком логічним припустити, що послідовність основ у ДНК кодує послідовність амінокислот. Але в ДНК міститься всього лише чотири типи основ, тоді як у білках (у момент їх синтезу) зустрічається двадцять різних амінокислот. Отже, кожна амінокислота повинна детермінуватися комбінацією декількох основ. Шістнадцяти можливих пар основ також недостатньо для кодування двадцяти різних амінокислот. Таким чином, очевидно, що одній амінокислоті повинен відповідати щонайменше триплет, тобто група, що утворюється із трьох нуклеотидів. Існує 64 (4³) таких триплетних кодона (Дод.А, табл.А.1, Дод.А, табл.А.2).

Простіше за все було представити, що послідовність амінокислот в білку однозначно визначається послідовністями, триплетами, що неперекриваються. Але оскільки даних на користь цього припущення не було, активно обговорювалися інші можливості. Однак проведені за декілька років генетичні експерименти доводять неперекриття коду.

 

1.3. Розшифрування коду

В 1961 р. Ніренберг і Маттеі провели важливий експеримент. Використовуючи звичайний біохімічний підхід, Ніренберг виділяв рибосоми з E. Coli і змішував їх з неочищеними екстрактами розчинних речовин з тих же клітин E. Соlі. Йому вдалося показати, що в цих умовах додавання РНК приводить до синтезу білка на рибосомах. Вирішальну роль зіграли, однак, досліди, у яких замість мРНК додавався синтетичний poly (U) (полінуклеотид). Цей полінуклеотид являв собою як би синтетичну мРНК, що складалася з багаторазово повторюваного кодону UUU. Рибосоми «прочитали» записану в ній інформацію й синтезували пептид, що складався тільки з феніланіну. Використовуючи цей же прийом, вдалося показати, що ССС служить кодоном для проліну, а ААА – для лізину. Вивчення змішаних співполімерів, що містять два різні нуклеотида, розташованих у випадковій послідовності, дозволило висловити припущення про значення інших кодонів.

В (Дод.А, табл.А.1) наведені відомі тепер кодони для кожної з 20 амінокислот. У (Дод.А, табл.А.2) ті ж 64 кодону розташовані по-іншому. Крім кодонів, детермінуючих специфічні амінокислоти, є три кодони, а саме UAA, UAG, UGA, що отримали назву термінуючих кодонів. Їх часто називають також nonsense- кодонами, тобто безглуздими кодонами. Було виявлено, що кодони AUG (метіонін) і значно рідше GUG (валін) відіграють роль ініціюючих кодонів у процесі синтезу білка у бактеріях.

 

Висновок

Отже, генетичний код — це набір правил розташування нуклеотидів в молекулах нуклеїнових кислот (ДНК і РНК), що надає всім живим організмам можливість кодування амінокислотної послідовності білків за допомогою послідовності нуклеотидів.

 

РОЗДІЛ 2

СПОСОБИ ПЕРЕДАЧІ ГЕНЕТИЧНОЇ ІНФОРМАЦІЇ

2.1. Реплікація ДНК напівконсервним способом

Згідно з гіпотезою  Уотсана- Лемента, кожна з ланцюгів подвійної спіралі ДНК служить матрицею для реплікації комплементарних дочірніх ланцюгів. При цьому утворюються дві дочірні двухланцюгові молекули ДНК ідентичні батьківськії ДНК, причому кожна із цих молекул містить один незмінний ланцюг батьківської ДНК. Гіпотеза Уотсона- Лемента була перевірена за допомогою дотепних дослідів, виконаних Метью Мезельсоном і Франкліном Сталем в 1957 році. Основна ідея цих дослідів ілюструється схемою (Дод.Б, схема Б.1). Клітину Е. соlі вирощували протягом ряду поколінь у середовищі, що містить у якості джерела азоту хлористий амоній (NH4Cl), у якім звичайний розповсюджений ізотоп [14 N] був замінений на «важкий» ізотоп [15N]. Внаслідок цього всі з’єднання клітин, що мають у своєму складі азот, у тому числі й основи ДНК виявилися збагаченими ізотопом [15N]. Щільність ДНК, виділеної із цих клітин, була приблизно на 1% вище щільності нормальної [14N] ДНК. Хоча ця відмінність невелика, проте суміш «важкої» [15N] і «легкої» [14N] ДНК вдалося розділити методом центрифугування в концентрованому розчині хлористого цезію. Хлористий цезій використовували тому, що щільність його водяного розчину може бути зроблена досить близькою до щільності ДНК.

Якщо такий розчин Сsсl довго  центрифугувати високошвидкісною ультрацентрифугою, то через якийсь час досягається стан рівноваги, при якім у пробірці утворюється безперервний градієнт щільності Сsсl і відповідно щільність розчину на дні пробірки виявляється більш високою, чим на поверхні. Препарат ДНК, розчинений у Сsсl, приходить у рівноважний стан у тому місці пробірки, у якім щільність ДНК дорівнює щільності розчину Сsсl. Оскільки [15N] ДНК трохи важче, чим [14N] ДНК, смуга, у якій вона досягає рівноваги в градієнті Сsсl, розташована ближче до дна пробірки, чим смуга з [14N] ДНК (Дод.Б, схема Б.2).

Мезельсон і Сталь перенесли  клітки I. Coli, що росли в середовищі з [15N], і утримуюче «важкі» ланцюги ДНК на свіже середовище, у якому перебував NH4Cl зі звичайним ізотопом [14N]. В цьому середовищі вони вирощували клітини протягом часу, необхідного для подвоєння клітин. Потім із цих клітин виділяли ДНК і аналізували її щільність за допомогою описаного вище методу седиментації. У градієнті Cscl була виявлене лише одна смуга ДНК, щільність якої виявилася середньою між щільністю нормальної «легкої» [14N] ДНК і щільністю «важкої» [15N] ДНК (Дод.Б, схема Б.2). Саме такого результату й слід було очікувати, якщо двухланцюгова ДНК дочірніх клітин містить один старий 15 N-ланцюг від батьківської ДНК, і новий 14 N-ланцюг (Дод.Б, схема Б.2).

Якщо виділити ДНК із клітин, які пройшли два цикли подвоєння на середовищі з [14N], то вона розділиться на дві смуги: одна із щільністю, відповідно до щільності нормальної легкої ДНК, а інша із щільністю гібридної ДНК, що спостерігалася після першого подвоєння клітин. На підставі цих даних Мезельсон і Сталь дійшли висновку, що в строгій відповідності з гіпотезою Уотсона- Лемента кожний дочірній дуплекс ДНК після двох циклів подвоєння клітин містив один батьківський і один новостворений ланцюг ДНК. Такий механізм реплікації назвали полуконсервативним, оскільки в кожній дочірній ДНК зберігається лише один батьківський ланцюг (Дод.Б, схема Б.1 та Дод.Б, схема Б.2 ) Отримані результати повністю виключили консервативний спосіб реплікації, при якім одна дочірня ДНК повинна була б містити обидві вихідні ланцюги, а інша складалася б із двох новосинтезованих ланцюгів. Досвід Мезельсона й Сталя дозволив також відкинути так званий дисперсивний механізм реплікації, при якім кожний дочірній ланцюг ДНК складається з коротких ділянок як батьківської так і новоствореної ДНК, з’єднаних між собою випадково.

 

2.2. Реплікація  кільцевої ДНК у двох напрямках

Ми вже бачили, що ДНК  бактерій і багатьох ДНК-утримуючих вірусів являє собою кільцеву подвійну спіраль. Як тільки було зроблене це відкриття, виникло запитання про те, як реплікується вірусам кільцева ДНК. Чи розщеплюється спочатку кільцева ДНК перед реплікацією, перетворюючись у лінійну молекулу, або ж вона здатна реплікуватися у вигляді кільця? Важливі експерименти, виконані Джоном Кернсом, показали, що ДНК у неушкоджених клітках E.coli реплікується вірусам, залишаючись у кільцевій формі. Кернс вирощував E.coli на середовищі, що містить тімидин, мічений радіоактивним ізотопом водню – тритієм (³H). При цьому ДНК у клітинах E.coli ставала радіоактивною. Коли її обережно виділяли в релаксованій формі й наносили на фотографічну пластинку, радіоактивні залишки тімидину викликали на експонуючій пластинці виникнення «треків» із зерен срібла, що створюють зображення молекул ДНК. На підставі цих зображень Кернс затвердив, що інтактна хромосома – це гігантське кільце; цей висновок узгодиться з отриманої раніше генетичними методами кільцевою картою ДНК E.coli. Однак у радіоактивній ДНК, виділеної із клітин у процесі реплікації була виявлена додаткова радіоактивна петля (Дод.Б, схема Б.3). Кернс припустив, що ця петля в ДНК виникає в результаті утворення двох радіоактивних дочірніх ланцюгів, що комплементарні батьківським ланцюгам, у міру того, як реплікативна вилка рухається по кільцю батьківської ДНК.