РАЗДЕЛ 3. БИОСИНТЕЗ НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ И БЕЛКОВ. ОСНОВЫ МОЛЕКУЛЯРНОЙ ГЕНЕТИКИ

Основные темы раздела:

3.1. Строение нуклеиновых кислот

3.2. Биосинтез ДНК (репликация)

3.3 Репарация ошибок и повреждений

3.4. Биосинтез РНК (транскрипция). Посттранскрипционные модификации РНК

3.5. Биосинтез белка (трансляция)

3.6. Ингибиторы матричных биосинтезов

3.7. Регуляция биосинтеза белков у эукариот

3.8. Механизмы генетической изменчивости. Полиморфизм белков. Наследственные болезни

3.9. Использование ДНК-технологий в медицине

Нуклеиновые кислоты и белки представляют собой информационные молекулы. ДНК - это хранитель генетической информации. У эукариот она локализована главным образом в ядре и немного в митохондриях. В геноме - совокупности всех молекул ДНК клетки - зашифровано строение всех белков и молекул РНК данного организма. В процессе синтеза ДНК (репликации) происходит образование новых молекул ДНК на матрице ДНК родительской клетки. При делении дочерние клетки получают полный набор генов, идентичный набору генов материнской клетки. Репарация исправляет изменения в генетическом материале, происходящие в ходе рекомбинаций (обмена генетическим материалом между хромосомами) и нарушений в структуре ДНК. Хотя механизмы репарации устраняют большинство повреждений в ДНК,

но некоторые из них сохраняются и могут стать причиной мутаций, которые приводят к наследственным или онкологическим заболеваниям.

Согласно центральной догме биологии, поток информации поступает от ДНК через РНК на белок. Реализация этой информации в клетках включает два процесса: транскрипцию (синтез РНК) и трансляцию (синтез белков). В ходе транскрипции в ядре на матрице ДНК синтезируются матричные, транспортные и рибосомные РНК. Из ядра эти молекулы поступают в цитоплазму и участвуют в синтезе белков. Таким образом в процессе трансляции информация о структуре белка, зашифрованная в ДНК и переписанная на мРНК, реализуется в аминокислотную последовательность белков. Матричная природа синтеза нуклеиновых кислот и белков обеспечивает высокую точность воспроизведения информации.

3.1. СТРОЕНИЕ НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ

ДНК и РНК представляют собой линейные полимеры, построенные из нуклеотидов. Каждый нуклеотид в свою очередь состоит из трех компонентов: азотистого основания, являющегося производным пурина или пиримидина, пентозы (рибозы или дезоксирибозы) и остатка фосфорной кислоты. В состав нуклеиновых кислот входят два производных пурина - аденин и гуанин и три производных пиримидина - цитозин, урацил (в РНК) и цитозин, тимин (в ДНК) (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Азотистые основания, входящие в состав нуклеиновых кислот

Пурины: аденин и гуанин входят в состав ДНК и РНК, пиримидины: цитозин и тимин - в состав ДНК, цитозин и урацил - в состав РНК.

В нуклеиновые кислоты входят два вида пен-тоз: β-D-рибоза в РНК и β-D-2-дезоксирибоза в молекулу ДНК (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Пентозы, входящие в состав нуклеиновых кислот

β-D-рибоза входит в состав нуклеотидов РНК, β-D-2-дезоксирибоза - в состав нуклеотидов ДНК

Углеродный атом в положении 1 пентозы связывается N-гликозидной связью с атомом азота в положении 1 пиримидина или в положении 9 пурина. Образующиеся соединения называют нуклеозидами. Атомы пентоз, в отличие от атомов

азотистых оснований, обозначают номерами со штрихом (1', 2', 3', 4', 5'). Присоединение фосфата в положении 5' пентоз приводит к образованию нуклеотидов (табл. 3.1).

Таблица 3.1. Номенклатура основных азотистых оснований, нуклеозидов и нуклеотидов

Первичная структура нуклеиновых кислот -

это порядок чередования нуклеотидов, связанных друг с другом в линейной последовательности 3',5'-фосфодиэфирной связью. В результате образуются полимеры с фосфатным остатком на 5'-конце и свободной ОН-группой пентозы на 3'-конце (рис. 3.3).

В состав ДНК и РНК входят 4 основных нуклеотида: 2 пуриновых и 2 пиримидиновых (см. табл. 3.1). Однако если азотистые основания в пуриновых нуклеотидах - аденин и гуанин - у них одинаковы, то в пиримидиновых совпадает только цитозин, а второе основание различно: в ДНК - тимин, а в РНК - урацил. Для краткого изображения последовательности нуклеотидов в нуклеиновых кислотах пользуются однобук-венным кодом. При этом запись осуществляют слева направо таким образом, что первый нуклеотид имеет свободный 5'-фосфатный конец, а последний ОН-группу в положении 3' рибозы или дезоксирибозы. Так, первичная структура ДНК может быть записана следующим образом: CGTAAGTTCG?