Учебно-методический комплекс по предмету Молекулярная биология, медицинская генетика тема Структурная организация нуклеиновых кислот. ДНК

Обеспечением энергией в животных клетках занимаются митохондрии, а в растительных - хлоропласты, в организмах - пищеварительная и дыхательная системы, в государстве же - организации типа Газпрома и АЭС. Обеспечение клетки веществами идет благодаря трансмембранным каналам, лизосомам, в организме - пищеварительной системе, а в государстве - сельскохозяйственной и др. промышленности.

Хранение и воспроизведение информации на клеточном уровне идет в ядре посредством ДНК, в организме эту функцию имеет мозг, центральная нервная система, в стране - школы, библиотеки, культура, искусство.

Транспортируются вещества в клетке благодаря эндоплазматической сети, в организме - желудочно-кишечному тракту, дыхательной системе, крови; в стране - нефте- и газопроводам, транспорту. Что же касается передачи информации, то в клетке этим занимается матричная РНК; в организме - нервы и гормоны (нервно-гуморальная система). Причем хочется отметить, что нервную систему можно сравнить с адресной доставкой (человек может получить письмо лично, и никто больше об этом не узнает), то есть по нервам можно доставить информацию очень точно к определенной мышце или определенному органу. А гормональную систему можно сравнить со СМИ, то есть она работает как система всеобщего оповещения. В государстве за информацию отвечают почта, телефонная сеть, Интернет и др.

Мы провели аналогию с хорошо известными вам системами (организм и государство), чтобы иметь более абстрактное представление о строении клетки.

В таблице добавлены индийские касты. Касты возникли, как структуры, фиксирующие функциональные особенности разных слоев населения. Кшатрии (воины) выполняют функции защиты; шудры (торговцы и ремесленники) - обеспечения питанием и энергией; брахманы (жрецы) - хранения и воспроизведения информации, вайшьи (торговцы) - транспорт вещества и информации.

Основные атомы, составляющие живую клетку - это углерод, водород, кислород, азот и фосфор. Конечно, в полимерах присутствуют и другие вещества (например, сера), но сейчас мы рассмотрим комбинации этих пяти элементов. Как вы знаете, образование биополимеров возможно благодаря тому, что углерод четырехвалентен, способен образовывать 4 связи, и атомы углерода, связываясь друг с другом, могут образовывать длинные цепочки, состоящие из десятков атомов. Мы расскажем о четырех видах биополимеров: белках, нуклеиновых кислотах, липидах и углеводах; как они устроены и чем занимаются.

Нуклеотиды

Остановимся подробнее на нуклеотидах. Известно, что нуклеотиды называются аденин, гуанин, тимин, цитозин и урацил - азотистые основания, они представлены на рисунке ниже.

Нуклеотиды - это мономеры нуклеиновых кислот. Нуклеиновые кислоты в эукариотических клетках находятся в ядре. Они есть у всех живых организмов (у тех, у кого нет ядра, нуклеиновые кислоты все равно есть - они находятся в центре клетки у бактерий и образуют нуклеоиды). Мономеры, из которых потом строятся нуклеиновые кислоты, состоят из азотистого основания, остатка сахара (дезоксирибоза или рибоза) и фосфата. Сахара вместе с азотистым основанием называются нуклеозидами (аденозин, гуанозин, тимидин, цитидин). Если к ним присоединены 1-, 2-, или 3-фосфорных остатка, то вся эта структура называется Соответственно, нуклеотизид монофосфатом, дифосфатом или трифосфатом или нуклеотидом (аденин, гуанин, тимин, цитозин).

Вот так модель АТФ выглядит в пространстве. Азотистое основание, входящее в состав ДНК делится на две группы - пиримидиновую и пуриновую. В состав ДНК входит аденин, тимин, цитозин и гуанин, в РНК вместо тимина урацил. Как известно, ДНК - это большой архив, в котором хранится информация, а РНК - это молекула, которая переносит информацию из ядра в цитоплазму для синтеза белков. С различием в функциях связаны различия в строении. РНК более химически активно из-за того, что ее сахар - рибоза - имеет в своем составе гидроксильную группу, а в дезоксирибозе кислорода нет. Из-за отсутствия кислорода ДНК более инертно, что важно для ее функции хранения информации, чтобы она не вступала ни в какие реакции.

Нуклеотиды способны взаимодействовать друг с другом, при этом «выбрасывается» два фосфора, и между соседними нуклеотидами образуется связь. В молекуле фуранозы молекулы углерода пронумерованы. С первым связано азотистое основание. Когда образуется цепочка нуклеотидов, связь осуществляется между пятым углеродом одной и третьим углеродом другой фосфорной кислоты. Поэтому в цепочке нуклеиновых кислот выделяют разные неравнозначные концы, относительно которых молекула не симметрична.

Комплементарные друг другу одноцепочечные молекулы нуклеиновой кислоты способны образовывать двуцепочечную структуру. Внутри этой спирали аденин образует пару с тимином, а гуанин - с цитозином. Встречается утверждение, что нуклеотиды подходят друг другу как осколки разбитого стекла, поэтому они и образуют пары. Но это утверждение неверно. Нуклеотиды способны образовывать пары как угодно. Единственная причина, по которой они соединяются так, и никак иначе, заключается в том, что угол между «хвостиками», которые идут к сахарам, совпадает только в этих парах, и, кроме того, совпадают их размеры. Никакая другая пара не образует такой конфигурации. А поскольку они совпадают, то их через сахаро-фосфатный остов можно связать друг с другом. Структуру двойной спирали открыли в 1953 году Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик.

При соединение друг с другом против 5'-конца одной нити находится 3'-конец другой нити. То есть нити идут в противоположных направлениях - говорят, что нити в ДНК антипараллельны.

На рисунке видна модель ДНК, видно, что аденин соединяется с тимином двумя водородными связями, а гуанин соединяется с цитозином тройной водородной связью. Если молекулу ДНК подогревать, то ясно, что две связи легче разорвать, чем три, это существенно для свойств ДНК.

В силу пространственного расположения сахаро-фосфатного остова и нуклеотидов, когда нуклеотиды накладывают один на другой и «сшивают» через сахаро-фосфатный остов, цепочка начинает заворачиваться, тем самым образуя знаменитую двойную спираль.

На рисунках представлены шариковые модели ДНК, где каждый атом обозначен шариком. Внутри спирали имеются бороздки: маленькая и большая. Через эти бороздки с ДНК взаимодействуют белки и распознают там последовательность нуклеотидов.

При нагревании ДНК водородные связи разрываются и нити в двойной спирали расплетаются. Процесс нагревания называется плавлением ДНК, при этом разрушаются связи между парами А-Т и Г-Ц .Чем больше в ДНК пар А-Т, тем менее прочно нити друг с другом связаны, тем легче ДНК расплавить. Переход из двухспиральной ДНК в одно-спиральную измеряется на спектрофотометрах по поглощению света при 260 нм. Температура плавления ДНК зависит от А-Т/Г-Ц состава и размера фрагмента молекулы. Ясно, что если фрагмент состоит из нескольких десятков нуклеотидов, то его гораздо легче расплавить, чем более длинные фрагменты.

У человека в гаплоидном геноме, то есть единичном наборе хромосом, 3 млрд. пар нуклеотидов, и их длина составляет 1,7 м, а клетка гораздо меньше, как вы догадываетесь. Для того, чтобы ДНК смогла в ней поместиться, она достаточно плотно свернута, и в эукариотической клетке свернуться ей помогают белки - гистоны. Гистоны имеют положительный заряд, а так как ДНК заряжена отрицательно, то гистоны обладают сродством к ДНК. Упакованная при помощи гистонов ДНК имеет вид бусин, называемых нуклеосомами. 200 пар нуклеотидов идет на одну нуклеосому, 146 пар накручиваются на гистоны, а остальные 54 висят в виде линкерных (связывающих нуклеосомы) ДНК. Это первый уровень компактизации ДНК. В хромосомах ДНК свернута еще несколько раз для того, чтобы образовались компактные структуры.

ГЕННЫЙ УРОВЕНЬ ОРГАНИЗАЦИИ ГЕНЕТИЧЕСКОГО АППАРАТА

Элементарной функциональной единицей генетического аппарата, определяющей возможность развития отдельного признака клетки или организма данного вида, является ген (наследственный задаток, по Г. Менделю). Передачей генов в ряду поколений клеток или организмов достигается материальная преемственность - наследование потомками признаков родителей.

Под признаком понимают единицу морфологической, физиологической, биохимической, иммунологической, клинической и любой другой дискретности организмов (клеток), т.е. отдельное качество или свойство, по которому они отличаются друг от друга.

Большинство перечисленных выше особенностей организмов или клеток относится к категории сложных признаков, формирование которых требует синтеза многих веществ, в первую очередь белков со специфическими свойствами - ферментов, иммунопротеинов, структурных, сократительных, транспортных и других белков. Свойства белковой молекулы определяются аминокислотной последовательностью ее полипептидной цепи, которая прямо задается последовательностью нуклеотидов в ДНК соответствующего гена и является элементарным, или простым, признаком.

Основные свойства гена как функциональной единицы генетического аппарата определяются его химической организацией.

Химическая организация гена

Исследования, направленные на выяснение химической природы наследственного материала, неопровержимо доказали, что материальным субстратом наследственности и изменчивости являются нуклеиновые кислоты, которые были обнаружены Ф. Мишером (1868) в ядрах клеток гноя. Нуклеиновые кислоты являются макромолекулами, т.е. отличаются большой молекулярной массой. Это полимеры, состоящие из мономеров - нуклеотидов, включающих три компонента: сахар (пентозу), фосфат и азотистое основание (пурин или пиримидин). К первому атому углерода в молекуле пентозы С-1' присоединяется азотистое основание (аденин, гуанин, цитозин, тимин или урацил), а к пятому атому углерода С-5' с помощью эфирной связи - фосфат; у третьего атома углерода С-3' всегда имеется гидроксильная группа - ОН (рис. 3.1).

Соединение нуклеотидов в макромолекулу нуклеиновой кислоты происходит путем взаимодействия фосфата одного нуклеотида с гидроксилом другого так, что между ними устанавливается фосфодиэфирная связь (рис. 3.2). В результате образуется полинуклеотидная цепь. Остов цепи состоит из чередующихся молекул фосфата и сахара. К молекулам пентозы в положении С-1' присоединено одно из перечисленных выше азотистых оснований (рис. 3.3).

Рис. 3.1. Схема строения нуклеотида

Объяснение см. в тексте; обозначения компонентов нуклеотида, использованные в этом рисунке, сохраняются во всех последующих схемах нуклеиновых кислот

Сборка полинуклеотидной цепи осуществляется при участии фермента полимеразы, который обеспечивает присоединение фосфатной группы следующего нуклеотида к гидроксильной группе, стоящей в положении 3', предыдущего нуклеотида (рис. 3.3). Благодаря отмеченной специфике действия названного фермента наращивание полинуклеотидной цепи происходит только на одном конце: там, где находится свободный гидроксил в положении 3'. Начало цепи всегда несет фосфатную группу в положении 5'. Это позволяет выделить в ней 5' и 3 '-концы.

Среди нуклеиновых кислот различают два вида соединений: дезоксирибонуклеиновую (ДНК) и рибонуклеиновую (РНК) кислоты. Изучение состава основных носителей наследственного материала - хромосом - обнаружило, что их наиболее химически устойчивым компонентом является ДНК, которая представляет собой субстрат наследственности и изменчивости.

Рис. 3.2. Схема соединения нуклеотидов в полинуклеотидную цепь

Рис. 3.3. Схема полинуклеотидной цепи (стрелкой указано направление роста цепи)

Присоединение очередного нуклеотида сопровождается образованием эфирной связи между ОН-группой на 3'-конце полинуклеотидной цепи и фосфатом свободного нуклеотида, остальные пояснения см. в тексте

Структура ДНК. Модель Дж. Уотсона и Ф. Крика

ДНК состоит из нуклеотидов, в состав которых входят сахар - дезоксирибоза, фосфат и одно из азотистых оснований - пурин (аденин или гуанин) либо пиримидин (тимин или цитозин).

Особенностью структурной организации ДНК является то, что ее молекулы включают две полинуклеотидные цепи, связанные между собой определенным образом. В соответствии с трехмерной моделью ДНК, предложенной в 1953 г. американским биофизиком Дж. Уотсоном и английским биофизиком и генетиком Ф. Криком, эти цепи соединяются друг с другом водородными связями между их азотистыми основаниями по принципу комплементарности. Аденин одной цепи соединяется двумя водородными связями с тимином другой цепи, а между гуанином и цитозином разных цепей образуются три водородные связи. Такое соединение азотистых оснований обеспечивает прочную связь двух цепей и сохранение равного расстояния между ними на всем протяжении.

Рис. 3.4. Схема строения молекулы ДНК

Стрелками обозначена антипараллельность целей

Другой важной особенностью объединения двух полинуклеотидных цепей в молекуле ДНК является их антипараллельность: 5'-конец одной цепи соединяется с 3'-концом другой, и наоборот (рис. 3.4).

Данные рентгеноструктурного анализа показали, что молекула ДНК, состоящая из двух цепей, образует спираль, закрученную вокруг собственной оси. Диаметр спирали составляет 2 нм, длина шага - 3, 4 нм. В каждый виток входит 10 пар нуклеотидов.

Чаще всего двойные спирали являются правозакрученными - при движении вверх вдоль оси спирали цепи поворачиваются вправо. Большинство молекул ДНК в растворе находится в правозакрученной - В-форме (В-ДНК). Однако встречаются также левозакрученные формы (Z-ДНК). Какое количество этой ДНК присутствует в клетках и каково ее биологическое значение, пока не установлено (рис. 3.5).

Рис. 3.5. Пространственные модели левозакрученной Z-формы (I)

и правозакрученной В-формы (II) ДНК

Таким образом, в структурной организации молекулы ДНК можно выделить первичную структуру - полинуклеотидную цепь, вторичную структуру-две комплементарные друг другу и антипараллельные полинуклеотидные цепи, соединенные водородными связями, и третичную структуру - трехмерную спираль с приведенными выше пространственными характеристиками.

Практическое занятие: Структурная организация нуклеиновых кислот. ДНК.

Цель: совершенствование знаний учащихся о строении и функциях ДНК, научить решать задачи по молекулярной биологии.

Задачи:

1. Образовательные:

- сформировать у учащихся знания о значении нуклеиновых кислот для медицины и здравоохранения;

- показать необходимость этих знаний для ранней диагностики болезней у человека;

- закрепить знания о строении, химическом составе и функциях ДНК;

- способствовать развитию понятия о клетке как единице живого.

2. Развивающие:

- развивать клиническое мышление через изучение особенностей строения ДНК;

- продолжить формирование умений сравнивать, анализировать, делать выводы;

- закрепить умение решать задачи по молекулярной биологии самостоятельно и осмысленно;

- способствовать профориентации.

3. Воспитательные:

- развивать коммуникативные навыки при работе в группах;

- развивать этическое отношение к пациентам и консультирующимся.

Оснащение:

1.инструктивные карты;

2. глоссарий;

3. раздаточный материал;

4. интерактивное оборудование для демонстрации слайдов (интерактивная доска, ПК, проектор).

Тип занятия: совершенствование знаний, умений и навыков (целевое применение усвоенного) (по М.И. Махмутову).

Вид занятия: самостоятельная работа (репродуктивного типа - письменных упражнений) (по М.И. Махмутову).

Технология: личностно-ориентированная с элементами интерактивного обучения.

Методы и методические приемы: ситуационная игра, творческое задание.

Межпредметные связи:

- терапия, пропедевтика «Наследственные заболевания»,

- патологическая физиология «Роль наследственности в патологии».

Внутрипредметные связи:

а) предшествующие: «Строение и биологическая роль РНК».

б) последующие: «Репликация», «Транскрипция», «Закономерности наследственности».

Время проведения: 90 минут.

Литература:

а) основная:

1. Медицинская биология и генетика / под ред. Куандыкова Е.У. - Алматы, 2004.

2. Мушкамбаров Н.Н., Кузнецов С.Н. Молекулярная биология. Учебное пособие для студентов медицинских вузов. - Москва: Наука, 2003, 544 с.

3. Ньюссбаум Р.И. и др. Медицинская генетика: учебное пособие / пер. с англ. под ред. Бочкова Н.П. - М., 2010, 624с.

4. Притчард Д.Дж., Корф Б.Р. Наглядная медицинская генетика / пер. с англ. под ред. Бочкова Н.П. - М., 2009, 200с.

б) дополнительная:

1. Введение в молекулярную медицину. / под ред. Пальцева М.А.- М., Медицина, 2004.

2. Генетика. Учебник. / под ред. Академика РАМН Иванова В.И. - М., ИКЦ «Академкнига», 2006.

3. Гинтер Е.К. Медицинская генетика. - М., Медицина, 2003.

4. Казымбет П.К., Мироедова Э.П. Биология. Учебное пособие. - Астана, 2006, 2007.

Структура занятия

1. Организационная часть.

2. Актуализация знаний.

3. Практическая часть.

1. Вводное слово преподавателя.

2. Самостоятельная работа: решение задач.

3. Обсуждение допущенных ошибок и их коррекция.

4. Самостоятельная работа с научной статьей.

4. Подведение итогов занятия.

5. Домашнее задание.

Таблица «Содержание занятия»

Тема: Структурная организация нуклеиновых кислот. ДНК

Цель: изучить особенности структурной организации ДНК.

Ход работы:

1. Ответить на контрольные вопросы.

2. Решить задачи.

Контрольные вопросы

1. Какова основная роль ДНК в клетке?

2. Кто и когда впервые открыл нуклеиновые кислоты?

3. Что такое «нуклеин»?

4. Какую роль приписывали ДНК в начале 20 в.?

5. Где в клетках эукариот располагается ДНК?

6. Где в клетках прокариот располагается ДНК?

7. Что такое нуклеоид?

8. Что представляет собой ДНК с химической точки зрения?

9. Что такое нуклеотид?

10. Перечислите азотистые основания, входящие в состав молекулы ДНК?

11. Какими связями соединяются азотистые основания двух цепей ДНК?

12. Назовите пуриновые азотистые основания.

13. Назовите пиримидиновые азотистые основания.

14. Что понимают под «антипараллельностью» молекул ДНК?

15. Каков диаметр молекулы ДНК?

16. Назовите длину одного нуклеотида.

17. Сколько пар оснований входит в один виток спирали молекулы ДНК?

18. Каков размер одного витка спирали молекулы ДНК?

19. Что представляет собой полиморфизм молекулы ДНК?

20. Охарактеризуйте А-форму ДНК.

21. Охарактеризуйте В-форму ДНК.

22. Охарактеризуйте Z-форму ДНК.

23. Охарактеризуйте Н-форму ДНК.

24. Что такое «комплементарность»?

Задачи

1. Фрагмент мРНК гена инсулина имеет следующее строение:

УУУ ГУУ ГАУ ЦАА ЦАЦ УУА УГУ ГГГ УЦА ЦАЦ

Определите соотношение (А+Т)/(Г+Ц) в молекуле ДНК, соответствующей данному фрагменту.

2. Ген Х имеет следующее строение:

АГТ ГАА ТТЦ ТЦТ ААА ТГГ ГТТ АТА АТТ ЦЦЦ ЦТТ

Определите последовательность нуклеотидов в мРНК, синтезированной на данном фрагменте ДНК.

3. Ген Y имеет следующее строение

ЦАЦ ЦАГ ГАГ АГЦ ТАЦ ТЦЦ ГГГ ТТГ ЦЦА ГГЦ ЦГЦ ЦЦА ЦАТ ААТ

А. Определите последовательность мРНК, синтезированную на данном фрагменте ДНК.

Б. Определите соотношение (А+Т)/(Г+Ц) в двухцепочечном фрагменте ДНК.

4. Молекула мРНК имеет следующее строение

АУУ АУЦ АЦУ АГГ УАГ ГАА ГГЦ ЦАА АГУ АУУ АЦЦ АЦА АУГ АЦГ

А. Определите последовательность нуклеотидов участка молекулы ДНК, с которого была синтезирована данная мРНК.

Б. Определите соотношение (А+Т)/(Г+Ц) данного фрагмента молекулы ДНК.

В. Определите количество двойных и тройных водородных связей в данном фрагменте молекулы ДНК.

5. Одна из цепей фрагмента молекулы ДНК имеет следующее строение

ЦЦГ ЦГА ЦТТ ТАЦ ГАА АТТ ТЦГ ТТА АТА АТГ ГГЦ ЦТТ ТАА ГТТ

А. Постройте комплементарную данной цепь ДНК.

Б. Определите количество витков в получившемся фрагменте ДНК.

В. Определите длину получившегося фрагмента молекулы ДНК в нм.

Задание для СРСП

1. Прочитайте статью «А-ДНК» В.И. Иванова (Соросовский образовательный журнал, №1, 1998 г., с. 2 - 7)

2. Ответьте на контрольные вопросы письменно в тетради.

Контрольные вопросы

1. Какой вклад внесла Розалинда Франклин в открытие А-формы ДНК?

2. Почему раньше биологи не были заинтересованы в изучении А-формы ДНК?

3. Чем А-ДНК отличается от В-ДНК?

4. Какая форма ДНК характерна для нормальных физиологических условий клетки?

5. При взгляде сверху А-ДНК выглядит как труба. Объясните это явление с точки зрения молекулярной механики.

6. Какое открытие привело ученых к выводу, что А-конформация - биологически значима?

7. В каких условиях ДНК принимает А-форму?

8. Почему РНК может принимать только А-форму?

9. Какую идею предложил ученый В.Б. Журкин?

10. Какое открытие доказало, что А-форма ДНК играет биологическую роль?

11. В каком биологическом объекте была обнаружена А-ДНК в 1991 г.?

12. Какую биологическую роль играет А-ДНК?

13. Какие ДНК называют А-любивыми?

14. Какие контакты в большей степени определяют способность ДНК превращаться в А-форму?

15. Назовите контакты, способные образовывать протяженные А-любивые и В-любивые участки.

16. Что представляет собой десятиричный код В-А - перехода?