Определение предмета молекулярная биология

Определение предмета молекулярная биология

Термин "молекулярная биология" принадлежит Фрэнсису Крику, которому надоело в ответ на вопрос о  его профессии объявлять себя смесью кристаллографа, биохимика, биофизика  и генетика. После атомной бомбежки Хиросимы и Нагасаки в 1945г. началось бегство ученых из физики, а в 1947г. Нобелевский лауреат физик Эрвин Шредингер написал книгу "Что такое жизнь с точки зрения физика?", которая привлекла в биологию многих физиков и математиков.

Определение: Mолекулярная биология - это наука о механизмах хранения, воспроизведения, передачи и реализации генетической информации, о структуре и функциях нерегулярных биополимеров - нуклеиновых кислот и белков.

Начав с изучения биологических процессов  на молекулярно-атомном уровне, молекулярная биология перешла к сложным надмолекулярным клеточным структурам, а в настоящее время успешно решает проблемы генетики, физиологии, эволюции и экологии.

Основные  этапы развития молекулярной биологии

1. Романтический период 1935-1944гг.

Макс  Дельбрюк и Сальвадор Лурия занимались изучением репродукции фагов и вирусов, представляющих собой комплексы нуклеиновых кислот с белками

В 1940г. Джордж Бидл и Эдуард Татум сформулировали гипотезу  - "Один ген - один фермент". Однако, что такое ген в физико-химическом плане тогда еще не знали.

2. Второй романтический период 1944-1953гг.

Была  доказана генетическая роль ДНК. В 1953 г. появилась модель двойной спирали ДНК, за которую ее создатели Джеймс Уотсон, Френсис Крик и Морис Уилкинс были удостоены Нобелевской премии.

3. Догматический период 1953-1962гг.

Сформулирована  центральная догма молекулярной биологии:

 Перенос генетической информации идет в направлении  ДНКàРНКàбелок

 В 1962 г. был расшифрован генетический код.

4. Академический период с 1962г. по настоящее время, в котором с 1974 года выделяют генно-инженерный подпериод.

Основные  открытия

1944г. Доказательство генетической роли ДНК. Освальд Эйвери, Колин Мак-Леод, Маклин Мак-Карти

1953г. Установление структуры ДНК. Джеймс Уотсон, Френсис Крик

1961г.  Открытие генетической регуляции синтеза ферментов. Андре Львов, Франсуа Жакоб, Жак Моно

1962г. Расшифровка генетического кода. Маршалл Нирнберг, Генрих Маттеи, Северо 

            Очоа

1967г. Синтез in vitro биологически активной ДНК. Артур Корнберг (неформальный 

             лидер молекулярной биологии)

1970г. Химический синтез гена. Гобинд Корана

1970г. Открытие фермента обратной транскриптазы и явления обратной  

            транскрипции. Говард Темин, Дэвид Балтимор, Ренато Дульбеко

1974г. Открытие рестриктаз. Гамильтон Смит, Даниэль Натанс, Вернер Арбер

1978г. Открытие сплайсинга. Филипп Шарп

1982г. Открытие автосплайсинга. Томас Чек

 

Доказательства  генетической роли нуклеиновых кислот

1. 1928г. Опыты Фредерика  Гриффита.

Гриффит работал с пневмококками - бактериями, вызывающими пневмонию. Он брал два штамма пневмококков: капсульный и бескапсульный. Капсульный - патогенный (вирулентный), при инфицировании таким штаммом мыши погибают, бескапсульный - непатогенный. При введении мышам смеси убитых нагреванием (и, следовательно, потерявших вирулентность) капсульных пневмококков и живых бескапсульных невирулентных бактерий, животные погибали в результате размножения капсульных вирулентных форм. Обнаруженное явление Гриффит интерпретировал как трансформацию.

 

Определение: Трансформация - это приобретение одним организмом некоторых признаков другого организма за счет захвата части его генетической информации.

 

В 1944г. этот эксперимент был повторен Освальдом Эйвери, Колином Мак-Леодом и Маклином Мак-Карти в варианте смешивания бескапсульных пневмококков с взятыми от капсульных белками, полисахаридами или ДНК. В результате этого эксперимента была выявлена природа трансформирующего фактора.

Трансформирующим  фактором оказалась ДНК.

2. 1952г. Эксперимент  Альфреда Херши и Марты Чейз.

Фаги (бактериофаги) - это вирусы, размножающиеся в бактериях.

E. сoli - кишечная палочка (эубактерия).

Суть опыта: фаги, у которых белковая оболочка была мечена радиоактивной серой (S³⁵), а ДНК - радиоактивным фосфором (Р³²), инкубировали с бактериями. Затем бактерии отмывали. В смывных водах не обнаруживали Р³², а в бактериях - S³⁵ Следовательно, внутрь попала только ДНК. Через несколько минут из бактерии выходили десятки полноценных фагов, содержащих и белковую оболочку, и ДНК.

 

Отсюда следовал однозначный вывод  о том, что именно ДНК выполняет генетическую функцию - несет информацию как о создании новых копий ДНК, так и о синтезе фаговых белков.

 

3. 1957г. Опыты Френкеля - Конрата 

Френкель-Конрат работал с вирусом  табачной мозаики (ВТМ). В этом вирусе содержится РНК, а не ДНК. Было известно, что разные штаммы вируса вызывают разную картину поражения листьев  табака. После смены белковой оболочки "переодетые" вирусы вызывали картину поражения, характерную для того штамма, чья РНК была покрыта чужим белком. Следовательно, не только ДНК, но и РНК может служить носителем генетической информации. На сегодняшний день существуют сотни тысяч доказательств генетической роли нуклеиновых кислот. Приведенные три являются классическими.

 

Хронология  открытий, подготовивших создание Уотсоном и Криком модели двойной спирали  ДНК 

1868г. Обнаружен нуклеин. Современное название - хроматин. Фридрих Мишер

1889г.Нуклеин разделен на нуклеиновую кислоту и белок. Появился термин "нуклеиновая кислота". Рихард Альтман

1900г.Все азотистые основания были описаны химиками.

1909г.В нуклеиновых кислотах обнаружены фосфорная кислота и рибоза. Левин

1930г.Найдена дезоксирибоза. Левин

1938г.Рентгеноструктурный анализ показал, что расстояние между нуклеотидами в ДНК 3,4 Å. При этом азотистые основания уложены стопками. Уильям Астбюри, Флорин Белл

1947г. С помощью прямого и обратного титрования установлено, что в ДНК есть водородные связи между группами N-H и C=O. Гулланд

1953г. С помощью кислотного гидролиза ДНК с последующей хроматографией и количественным анализом установлены закономерности: А/Т=1; Г/Ц=1; (Г+Ц)/(А+Т)=К - коэффициент специфичности, постоянен для каждого вида. Эрвин Чаргафф

 

Правила Чаргаффа. В ДНК всегда А/Т=1; Г/Ц=1; (Г+Ц)/(А+Т)=К - коэффициент специфичности, постоянен  для каждого вида.

 

 

Принципы  строения ДНК

1.Нерегулярность. Существует регулярный сахарофосфатный остов, к которому присоединены азотистые основания. Их чередование нерегулярно.

2.Антипараллельность. ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей, ориентированных антипараллельно. 3`-конец одной расположен напротив 5`-конца другой.

3.Комплементарность(дополнительность). Каждому азотистому основанию одной цепи соответствует строго определенное азотистое основание другой цепи. Соответствие задается химией. Пурин и пиримидин в паре образуют водородные связи. В паре A-Т две водородные связи, в паре Г-Ц - три.

4. Наличие регулярной вторичной структуры. Две комплементарные, антипараллельно расположенные полинуклеотидные цепи образуют правые спирали с общей осью.

Формы двойной  спирали ДНК

Существуют несколько форм двойной  спирали ДНК.

В основной - В-форме на виток приходится 10 комплементарных пар. Плоскости азотистых оснований перпендикулярны оси спирали. Соседние комплементарные пары повернуты друг относительно друга на 36°. Диаметр спирали 20Å, причем пуриновый нуклеотид занимает 12Å, а пиримидиновый - 8Å. А-форма - 11 пар азотистых оснований на виток. Плоскости азотистых оснований отклонены от нормали к оси спирали на 20°. Отсюда следует наличие внутренней пустоты диаметром 5Å. Высота витка 28Å. Такие же параметры у гибрида из одной цепи ДНК и одной цепи РНК.

С-форма - шаг спирали 31Å, 9.3 пар оснований на виток, угол наклона к перпендикуляру 6°.

Все три формы - правозакрученные спирали.

Есть  еще несколько форм правых спиралей и всего одна левая спираль (Z -форма). Высота витка в Z-форме -44.5 Å, на виток приходится 12 пар нуклеотидов. Ни А-, ни Z- формы не могут существовать в водном растворе без дополнительных воздействий (белки или суперспирализация).

 

Отличия между  ДНК и РНК

	ДНК	РНК
Сахар	Дезоксирибоза	Рибоза
Азотистые основания	А, Т, Г, Ц	А, У, Г, Ц
Количество  цепей в молекуле	99.99% двойная спираль  0.01% одноцепочечная.	99.99% одноцепочечная   0.01% двухцепочечная
Форма молекулы	Все одноцепочечные- кольцевые.  Большинство двухцепочечных - линейные, часть- кольцевые.	Линейные молекулы

Виды РНК

Виды РНК	Размер в нуклеотидах
gРНК - геномные  РНК	10000-100000
mРНК - информационные (матричные) РНК	100-100000
tPHK - транспортные  РНК	70-90
rРНК - рибосомные  РНК	несколько дискретных классов от 100 до 500000
sРНК - малые  РНК	100-300

 

Функции ДНК

1. ДНК является носителем генетической информации.  
Функция обеспечивается фактом существования генетического кода.

2. Воспроизведение и передача генетической информации в поколениях клеток и организмов.  
Функция обеспечивается процессом репликации.

3. Реализация генетической информации в виде белков, а также любых других соединений, образующихся с помощью белков-ферментов.  
Функция обеспечивается процессами транскрипции и трансляции.

 

 

Определение: белки - это нерегулярные полимеры, мономерами которых являются αL-аминокислоты.

 

Аминокислоты

В природе существуют две формы  стереоизомеров: L (левовращающие) и D (правовращающие). Помимо L - аминокислот, входящих в белки, в организме есть и D-аминокислоты, которые в белки не включаются.

Общая формула аминокислоты показана на рисунке.

Она верна для 19 из 20 аминокислот, встречающихся  в белках. В состав белков, кроме этих 19 аминокислот, входит одна иминокислота - пролин.

Во всех аминокислотах  имеется α-аминогруппа. Отсюда и  название - "α- аминокислоты". В  пролине  α- иминогруппа.

 

Классификация аминокислот, входящих в состав белков, по принципу полярности (неполярности) радикала

1. Неполярные или гидрофобные  радикалы.

Алифатические - аланин, валин, лейцин, изолейцин.  
Серусодержащий метионин.  
Ароматические - фенилаланин, триптофан.  
Иминокислота пролин.

2. Полярные, но незаряженные радикалы.

Глицин. 
Оксиаминокислоты - серин, треонин, тирозин. 
Содержащий сульфгидрильную группу цистеин. 
Содержащие амидную группу: аспарагин, глутамин.

3. Отрицательно заряженные  радикалы.

Аспарагиновая кислота, глутаминовая кислота.

4. Положительно заряженные радикалы.

Лизин, аргинин, гистидин.

 

 

Первичная структура белка

 

Определение: первичная структура белка - это последовательность расположения аминокислотных остатков в полипептидной цепи.

 

Аминокислоты соединяются  в полипептид с помощью ковалентных пептидных (амидных) связей.

У трипептида, состоящего из трех разных аминокислот, возможно 3! = 6 различных  первичных структур.

У олигопептида, состоящего из двадцати разных аминокислот, разнообразие первичных  структур 20!, это ≈ 2х10¹⁸.

Разнообразие первичных структур среднего по размеру белка (примерно 500 аминокислот) составляет уже ≈ 20⁵⁰⁰ вариантов (если все аминокислоты представлены в эквимолярных соотношениях).  

На Земле не было, нет и не будет двух людей  с полностью одинаковым набором  белков.

Третичная структура белка 

 

Определение: третичная структура белка - это пространственная конформация полипептида, имеющего вторичную структуру, и обусловленная взаимодействиями между радикалами.

 

Существует четыре типа взаимодействий между радикалами:

1. Ковалентные связи между остатками двух цистеинов(дисульфидные мостики).

 

2. Ионные (электростатические) взаимодействия между противоположно заряженными аминокислотными остатками (три радикала со знаком "+" и два со знаком "-").  
Например, положительно заряженная ε-аминогруппа лизина (-NH₃+ ) притягивается отрицательно заряженной карбоксильной группой - (СОО-) глутаминовой или аспарагиновой кислоты.

3. Водородные связи.  
Участвуют все аминокислоты, имеющие гидроксильные, амидные или карбоксильные группы.

4. Гидрофобные  взаимодействия . 
Образуются между неполярными радикалами в водной среде. Участвуют 8 аминокислот (первый класс).

 

Третичная структура  полностью задается первичной.

 

Определяющими являются гидрофобные  взаимодействия в силу неизбирательности (неспецифичности) и многочисленности.

Гидрофобное ядро существует у большинства белков.

Четвертичная  структура белка

Определение: четвертичная структура белка - это агрегация двух или большего числа полипептидных цепей, имеющих третичную структуру, в олигомерную функционально значимую композицию.

Связи, образующие и поддерживающие четвертичную структуру, те же самые, что  и при образовании третичной  структуры, кроме гидрофобных.

Четвертичной структурой обладает около 5% белков, в том числе гемоглобин, иммуноглобулин, инсулин. Почти все ДНК- и РНК- полимеразы имеют четвертичную структуру.  

Серповидно-клеточная  анемия, как пример влияния первичной  структуры на третичную и четвертичную.