Правило Чаргаффа для ДНК и РНК

Правило Чаргаффа Статьи

Типы репликации геномов. Инициация репликации генома

Репликация начинается с того, что в определенной точке происходит разъединение двойной спирали и образование одноцепочечных участков ДНК, которые служат матрицей для синтеза новой цепи.

Участок, в котором в данный момент времени происходит синтез ДНК, называют вилкой репликации. Описано три типа репликации геномов.

1. Репликация бактериальных и вирусных кольцевых геномов начинается с определенной точки и идет в противоположных направлениях, т.е. у бактерий и вирусов существует одна точка начала репликации и две репликационные вилки. Реплицирующаяся хромосома напоминает по структуре греческую букву сигма.

По завершении репликации сигма-типа образуются две кольцевые молекулы.

2. У некоторых вирусов (например, у бактериофага X) и при амплификации ДНК генов рРН К в оогенезе у амфибий в одной цепи их кольцевой хромосомы происходит разрыв фосфодиэфирной связи. Затем к свободному 3′-концу разорванной цепи начинают присоединяться нуклеотиды, эта цепь растет, а кольцевая цепь служит матрицей.

По мере роста разорванной цепи ее 5′-конец постепенно смещается, и начинается построение цепочки, комплементарной этому участку. Образующаяся структура похожа на греческую букву сигма.

Такой тип репликации называют «катящимся кольцом» или типом. Вновь синтезированный «хвост» в определенных точках разрезается, и по завершении оштого цикла репликации образуется одна кольцевая молекула и одна линейная.

Длина образующегося «хвоста» иногда может в несколько раз превышать длину окружности кольцевой молекулы.

3. Линейные хромосомы (у некоторых вирусов и эукариот) начинают реплицироваться в одной или нескольких точках, две вилки репликации движутся в противоположных направлениях. По завершении репликации образуются две линейные молекулы.

Участок генома в пределах которого репликация начинается и заканчивается, называется репликоном. Геномы прокариот удваиваются целиком, водном цикле репликации, следовательно, их геномы представляют собой один репликон. В геномах эукариот точек начала репликации множество (несколько сотен или тысяч). Репликация ДНК начинается одновременно во многих точках, следовательно, геном представлен множеством репликонов.

Правило Чаргаффа для ДНК и РНК: что это?

Правило Чаргаффа для ДНК и РНК
Правило Чаргаффа

Правила Чаргаффа гласят, что ДНК любого вида любого организма должна иметь стехиометрическое соотношение пуриновых и пиримидиновых оснований 1:1 (т. Е. A+G=T+C) и, более конкретно, что количество гуанина должно быть равно цитозину, а количество аденина-тимину. Этот паттерн обнаруживается в обеих нитях ДНК.

Как в любом матричном процессе, в репликации можно выделить три этапа: инициацию, элонгацию и терминацию.

Инициация репликации генома

Инициация репликации включает формирование репликационной вилки и синтез РНК-праймера. В этом процессе участвует большое число белков и ферментов.

Инициирующие белки должны выполнить, по крайней мере, три основные функции:

  • 1) облегчить раскручивание молекул ДНК и ее локальную денатурацию в области начала репликации;
  • 2) обеспечить связь белков и ферментов, участвующих в репликации, с точками начала репликации;
  • 3) обеспечить координацию клеточного цикла и процессов репликации.

Для инициации репликации у эука-риот, в отличие от прокариот, связывания инициирующих белков с точками начала репликации недостаточно.

Достижение компетентности в данном случае -сложный многоэтапный процесс.

Инициация репликации происходит в строго определенных участках. Выделены и определены последовательности нуклеотидов в точках начала репликации у кишечной палочки Е. coii, многих фагов и плазмид, у дрожжей, млекопитающих и некоторых вирусов эукариот.

У Е. coli этот сайт представляет собой участок ДНК размером 245 нуклеотидов, состоящий из серии 9- и 13- нуклеотидных повторов. Область oriC у бактерий очень консервативна, хотя есть виды, у которых она не обнаружена. Процесс инициации начинается с присоединения к хромосоме белка DnaA.

Это приводит к разделению цепей и способствует работе основного расплетающего белка — геликазы (DnaB). В решении топологических проблем, связанных с разделением цепей двойной спирали, участвует и фермент гираза.

С образовавшейся одноцепочечной ДНК связываются белки SSB (от англ. single strand binding), которые стабилизируют вилку репликации. Фермент праймаза синтезирует РНК-праймеры на лидирующей и отстающей цепях,

Размер и структура элементов, обеспечивающих начало репликации у эукариот и прокариот, различны.

Общим для всех сайтов начала репликации является их обогащенность АТ-парами. По-видимому, это необходимо для обеспечения локальной денатурации, поскольку АТ-пары образуют только две водородные связи.

События, происходящие при инициации репликации у эукариот и связи ее с клеточным циклом, лучше всего изучены у дрожжей. Рассмотрим инициацию репликации и клеточный цикл у дрожжей Saccharomyces cerevisiae. На стадии G1, когда активность циклин-зависимой киназы Cdkl низка, формируется пре-репликационный комплекс, в состав которого входят шесть белков комплекса ORC (ORC1-6) и белки Cdc6 и Mem.

Высоко консервативные белки, составляющие комплекс ORC специфически связываются с точками начала репликации и служат основой для присоединения других инициирующих белков Cdc6 и Mem.

При переходе от стадии G1 к стадии S активность Cdkl возрастает и Cdc6p покидает комплекс. На его место «встает» белок Cdc45. В этой перестройке комплекса, необходимой для активации точки начала репликации в течение стадии S, принимает участие белок Cdc7-Dbf4-киназа.

После инициации репликации пререпликационный комплекс превращается в пост-репликационный, он состоит только из белков ORC, связанных с хроматином.

Этот комплекс сохраняется до конца митоза, когда активность Cdk l падает. Образование нового пре-репликационного комплекса становится возможным только в следующей стадии GI. Таким образом, в течение одного клеточного цикла происходит лишь один цикл репликации. Белки ORC остаются связанными с точкой начала репликации, другие компоненты пре-репликационного комплекса или покидают его, или становятся частью вилки репликации.

Например, белки Mcm2p-Mcm7p, по-видимому, функционируют как репликативная геликаза. У всех изученных эука-риот схема событий и белки, участвующие в инициации, сходны. Однако есть и некоторые отличия. Так, у некоторых организмов (другой вид дрожжей, дрозофила, ксенопус)для присоединения Мсm2р-Мсm7р к хроматину необходим дополнительный белок Cdt 1.

У дрожжей белки ORC остаются связанными с хроматином на всех стадиях клеточного цикла, а у позвоночных во время митоза они отделяются от хроматина и вновь соединяются с ним только в стадии G1.

До сих пор не ясно, как репликационная машина (ДНК-полимераза-праймаза и репликационный белок А) связывается с точкой начала репликации, как части инициирующего комплекса (Mcm2p-Mcm7p и Cdc45p) преобразуются в компоненты вилки репликации. Гены, кодирующие основные белки, участвующие в инициации репликации ДНК у человека, приведены в таблице.

Разделение двойной спирали происходите помощью ДНК-геликазы и реплика-ционного белка RPA (от англ. — replication protein А). Репликационный белок А, состоящий из трех полипептидов, связывается с одноцепочечный ДНК, таким образом он выполняет ту же функцию, что и SSB-белки у кишечной палочки. Затем а-ДНК-полимераза-праймаза синтезирует короткие (длиной примерно 30 п.н.) РНК-праймеры на лидирующей и отстающей цепях.

После этого происходит замена альфа-полимеразного комплекса на комплекс 5-ДНК- полимеразы — основного фермента репликации ДНК у эукариот.

Задачи по теме «Принцип комплементарности, правило Чаргаффа»

Правила решения и критерии оценивания задач по молекулярной биологии

Для решения задач данного типа необходимы знания о строении и свойствах ДНК и РНК, принципе комплементарности, коде ДНК и его свойствах, механизме биосинтеза белка, этапах диссимиляции глюкозы, роли АТФ в клеточном метаболизме.

Основные биологические понятия

ген – участок ДНК, в матричной цепи которого зашифрована информация о первичной структуре одной полипептидной цепи; матрица для синтеза всех видов РНК;

генетический код – система записи информации о порядке аминокислот в белковой молекуле в виде последовательности нуклеотидов ДНК или РНК;

триплет (кодон) – три последовательно соединенных нуклеотида ДНК или РНК, несущих информацию об определенной аминокислоте;

антикодон – кодовый триплет т-РНК, комплементарный кодону и-РНК и определяющий аминокислоту, которую переносит данная т-РНК;

комплементарность – свойство азотистых оснований избирательно соединяться друг с другом (А-Т (У), Ц-Г);

репликация – процесс удвоения ДНК в соответствии с принципом комплементарности;

транскрипция («переписывание») – процесс синтеза и-РНК на кодирующей цепи гена в соответствии с принципом комплементарности;

трансляция – процесс синтеза белковой молекулы на рибосоме в соответствии с последовательностью кодонов и-РНК;

правило Чаргаффа – правило соответствия количества пуриновых (А+Г) нуклеотидов в молекуле ДНК количеству пиримидиновых (Т+Ц) нуклеотидов.

Следствие: в любой двуцепочной структуре нуклеиновых кислот количество адениловых нуклеотидов равно количеству тимидиловых (уридиловых), а количество гуаниловых нуклеотидов равно количеству цитидиловых, т. е. А = Т(У); Г = Ц;

экзон – фрагмент гена эукариот, несущий информацию о структуре белковой молекулы;

интрон – фрагмент гена эукариот, не несущий информации о структуре белковой молекулы;

зрелая и-РНК (матричная) – и-РНК эукариот, образовавшаяся в результате рестрикции и сплайсинга и состоящая только из экзонов;

диссимиляция глюкозы – процесс ферментативного расщепления и окисления глюкозы;

фосфорилирование – процесс образования АТФ из АДФ и остатка фосфорной кислоты;

гликолиз – процесс ферментативного расщепления глюкозы без участия кислорода до c образованием 2 молекул АТФ;

аэробный гликолиз – процесс ферментативного расщепления и окисления органических веществ (в том числе, глюкозы) до конечных продуктов с участием кислорода как акцептора электронов в ходе окислительного фосфорилирования;

дыхание – процесс окисления сложных органических веществ до более простых с целью аккумуляции энергии в АТФ.

Задачи по теме «Принцип комплементарности, правило Чаргаффа»

Для решения задач этого типа необходимо знание принципа комплементарности, строения и свойств ДНК и РНК, правило Чаргаффа.

Задача 1

Достроить вторую цепочку молекулы ДНК, имеющую следующую последовательность нуклеотидов в одной цепи: АТТЦГАЦГГЦТАТАГ. Определить ее длину, если один нуклеотид имеет длину 0,34 нм по длине цепи ДНК.

Решение:

Вторая цепочка ДНК строится по принципу комплементарности (А-Т, Г-Ц):

1-ая цепь ДНК – А Т Т Ц Г А Ц Г Г Ц Т А Т А Г

2-ая цепь ДНК – Т А А Г Ц Т Г Ц Ц Г А Т А Т Ц

L ДНК = L НУКЛ × n НУКЛ .

в одной цепи ДНК = 0,34нм × 15 = 5,1 нм

Ответ: вторая цепь ДНК имеет состав нуклеотидов

ТААГЦТГЦЦГАТАТЦ, длина ДНК составляет 5,1 нм.

При оформлении задач такого типа краткую запись того, что в задаче дано можно не записывать. При написании нуклеотидов в комплементарных цепях следует аккуратно комплементарные нуклеотиды размещать друг напротив друга.

Задача 2

В молекуле ДНК тимидиловых нуклеотидов 30, что составляет 15% от общего количества нуклеотидов.

Определите количество других видов нуклеотидов в данной молекуле ДНК.

Решение:

1. По правилу Чаргаффа количество Т в ДНК = А; следовательно А будет 15%.

2. В сумме А+Т = 30%, что составляет 60 нуклеотидов.

3.Находим общее количество нуклеотидов в молекуле ДНК: х=3000/20=150

4. Г + Ц = 100%-30%=70%, значит Г=35%,Ц=35%

Г+Ц=90, значит Г=45, Ц=45.

Ответ: А=30(15%), Т=30(15%), Г=45(35%), Ц=45(35%).

При решении задач такого типа строгих регламентирующих правил оформления нет.

Однако учитывайте, что в записи решения задачи по молекулярной биологии должен прослеживаться ход рассуждений и должна быть записана четкая последовательность действий.

Задача 3

Химический анализ показал, что 28% от общего числа нуклеотидов данной и-РНК приходится на адениловые, 6% — на гуаниловые, 40% — на урациловые нуклеотиды.

Каков должен быть нуклеотидный состав соответствующего участка одной цепи гена, информация с которого «переписана» на данную и-РНК?

Решение:

1. Подсчитываем процентное содержание цитидиловых нуклеотидов в молекуле и-РНК: Ц = 100% -28% — 6% — 40% = 26%.

Зная, что и-РНК синтезируется с кодирующей цепи гена по принципу комплементарности (причем Т заменяется на У), подсчитываем процентный состав

нуклеотидов в одной цепочке гена:

Ц и-РНК = Г гена = 26%,

Г и-РНК = Ц гена = 6%,

А и-РНК = Т гена = 28%,

У и-РНК = А гена = 40%.

Ответ: нуклеотидный состав одной из цепей гена следующий: гуаниловых нуклеотидов – 26%, цитидиловых- 6%, тимидиловых — 28%, адениловых — 40%.

Задача 4

Химический анализ показал, что в составе и-РНК 20% адениловых нуклеотидов, 16% урациловых, 30% цитидиловых.

Определите качественный состав нуклеотидов в ДНК, с которой была считана информация на и-РНК.

Решение:

1.Определяем в процентах содержание гуаниловых нуклеотидов в и-РНК:

Г (и-РНК)= 100%-(А+У+Ц)= 100%-(20%+16%+30%)= 34%

2.Определяем качественный состав цепи РНК и ДНК, с которой проходила транскрипция:

и-РНК А(20%) У(16%) Ц(30%) Г(34%)
ДНК(1 цепь) Т(20%) А(16%) Г(30%) Ц(34%)
ДНК(2 цепь) А(20%) Т(16%) Ц(30%) Г(34%)

3.Состав ДНК:

А=(20%+16%):2=18%

Т=(20%+16%):2=18%

Ц=(34%+30%):2=32%

Г=(34%+30%):2=32%

Ответ: А,Т=18%; Ц,Г =32%.

Раздел 2.

Задачи по теме «Свойства генетического кода»

Для решения этих задач необходимо знание свойств кода ДНК, умение пользоваться таблицей генетического кода.

Задача 5

В белке содержится 51 аминокислота.

Сколько нуклеотидов будет в цепи гена, кодирующей этот белок, и сколько — в соответствующем фрагменте молекулы ДНК?

Решение:

1)Поскольку генетический код триплетен, т. е. одна аминокислота кодируется тремя нуклеотидами, то количество нуклеотидов в кодирующей цепи гена будет 51

51× 3 = 153.

2) а в двухцепочечной ДНК количество нуклеотидов будет вдвое больше, т. е. 153 × 2 = 306.

Ответ: в кодирующей цепи гена будет содержаться 153 нуклеотида, во фрагменте ДНК-306.

Обратите внимание, что транскрипция проходит только на одной цепи ДНК!

Задача 6

В кодирующей цепи гена содержится 600 нуклеотидов.

Сколько аминокислот содержится в молекуле белка, информация о которой закодирована в этом гене,

если в конце гена имеются два стоп — кодона?

Решение:

1. Поскольку в конце гена имеются два стоп -кодона, то 6 нуклеотидов (2×3) не несут информации о структуре белка.

Значит, информация о данном белке закодирована в цепочке из 594 (600 – 6) нуклеотидов.

2. Основываясь на триплетности кода, подсчитаем количество аминокислот: 594 : 3 = 198.

Ответ: в молекуле белка содержится 198 аминокислот.

Структура ДНК

Молекулы нуклеиновых кислот всех ти­пов живых организмов — это длинные неразветвленные полимеры мононуклеотидов.

Роль мостика между нуклеотидами выпол­няет 3′,5′-фосфодиэфирная связь, соединяю­щая 5′-фосфат одного нуклеотида и 3′-гидроксильный остаток рибозы (или дезоксирибозы) следующего.

В связи с этим полинуклеотидная цепь оказывается полярной. На одном ее конце остается свободной 5′-фосфатная группа, на другом 3′-ОН-группа.

ДНК, подобно белкам, имеет первич­ную, вторичную и третичную структуры.

Первичная структура ДНК

Данная структура определяет закодированную в ней информацию, представляя собой последова­тельность чередования дезоксирибонуклеотидов в полинуклеотидной цепи.

Молекула ДНК состоит из двух спиралей, имеющих одну и ту же ось, и противоположные направления. Сахарофосфатный остов располагается по периферии двойной спирали, а азотистые основания находятся внутри.

Остов содержит ковалентные фосфодиэфирные связи, а обе спирали между основаниями соединены водородными связями и гидрофобными взаимодействиями.

Эти связи впервые были открыты и изучены Э.Чаргаффом в 1945 г. и получили название принципа комплементарности, а особенности образования водородных свзей между основаниями называются правилами Чаргаффа:

  • пуриновое основание всегда связывается с пиримидиновым: аденин — с тимином (А®Т), гуанин – с цитозином (Г®Ц);
  • молярное соотношение аденина к тимину и гуанина к цитозину равно 1 (А=Т, или А/Т=1 и Г=Ц, или Г/Ц=1);
  • сумма остатков А и Г равно сумме остатков Т и Ц, т.е. А+Г=Т+Ц;
  • в ДНК, выделенных из разных источников, отношение (Г+Ц)/(А+Т), называемое коэффициентом специфичности, неодинаково.

Правила Чаргаффа основаны на том, что аденин образует две связи с тимином, а гуанин образует три связи с цитозином:

Вторичная структура ДНК

В соответствии с моделью, предложенной в 1953 г. Дж. Уотсоном и Ф. Криком, вторичная структура ДНК представляет собой двухцепочечную правозакрученную спираль из комплементарных друг другу антипараллельных полинуклеотидных цепей.

Для вторичной структуры ДНК решающим являются две особенности строения азотистых оснований нуклеотидов.

Первая заключается в наличии групп, способных образовывать водородные связи. Вторая особенность заключается в том, что пары комплементарных оснований А—Т и Г—Ц оказываются одинаковы­ми не только по размеру, но и по форме.

Благодаря способности нуклеотидов к спариванию, образуется жесткая, хорошо стабилизированная двухцепочечная структура. Основные элементы и параметрические характеристики такой структуры наглядно изображены на рисунке.

На основе тщательного анализа рентгенограмм выделенных ДНК установ­лено, что двойная спираль ДНК может существовать в виде нескольких форм (А, В, С, Z и др.).

Указанные формы ДНК различаются диаметром и шагом спирали, числом пар оснований в витке, углом наклона плоскости оснований по отношению к оси молекулы.

Третичная структура ДНК

У всех живых организмов двухспиральные молекулы ДНК плотно упакованы с образованием сложных трехмерных структур.

Двухцепочечные ДНК прокариот, имеющие кольцевую ковалентно-замкнутую форму, образуют левые (—) суперспирали.

Третичная структура ДНК эукариотических клеток также образуется пу­тем суперспирализации, но не свободной ДНК, а ее комплексов с белками хромосом (белки-гистоны классов Н1, Н2, Н3, Н4 и Н5).

В пространственной организации хромосом можно выделить несколько уровней.

Первый уровень – нуклеосомный. В результате нуклеосомной организации хроматина двойная спираль ДНК диаметром 2 нм приобретает диаметр 10—11 нм и укорачивается примерно в 7 раз.

Вторым уровнем пространственной организации хромосом является обра­зование из нуклеосомной нити хроматиновой фибриллы диаметром 20— 30 нм (уменьшение линейных размеров ДНК еще в 6—7 раз).

Третичный уровень организации хромосом обусловлен укладкой хромати­новой фибриллы в петли.

В образовании петель принимают участие негистоновые белки. Участок ДНК, со­ответствующий одной петле, содержит от 20 000 до 80 000 пар нуклеотидов. В результате такой упаковки линейные размеры ДНК уменьшаются при­мерно в 200 раз.

Петлеобразная доменная организация ДНК, называемая ин­терфазной хромонемой, может подвергаться дальнейшей компактизации, сте­пень которой меняется в зависимости от фазы клеточного цикла.

cyber
Оцените автора
CyberLesson | Быстро освоить программирование Pascal и C++. Решение задач Pascal и C++
Добавить комментарий