Презентація - "Молекулярна біологія" (НМТ 2025)

МОЛЕКУЛЯРНА БІОЛОГІЯ

Гени та геноми. Сукупність молекул ДНК, що містяться в одній клітині, називається геномом. Ген – це ділянка молекули ДНК, у структурі якої закодована інформація про певну ознаку організму. Сукупність генів певного організму називається генотипом.

Будова гена. Кожен ген має певну будову. Основна частина, яка називається кодувальною, містить інформацію про структуру білка (або РНК). На початку гена розташована послідовність нуклеотидів, що називається промотором. Саме з нею зв’язуються білки, які зчитують інформацію. За кодувальною частиною розташована завершальна ділянка гена, яка називається термінатором (іл. 73). За функціями умовно виокремлюють структурні гени, які визначають певну ознаку (наприклад, кодують фермент, що каталізує певну хімічну реакцію), та регуляторні, основною функцією яких є регуляція активності інших генів.

Будова геному. Геном прокаріотичної клітини зазвичай складається з однієї кільцевої молекули ДНК. В еукаріотичній клітині лінійні молекули ДНК зв’язані з білками й утворюють хроматин ядра. Конденсований хроматин утворює хромосоми, що мають Х-подібну форму (іл. 74). Вони стають помітними в полі зору мікроскопа лише під час клітинного поділу. Кількість і розміри хромосом (відповідно кількість і довжина молекул ДНК) у клітині є видовою ознакою, яка може суттєво змінюватися. Існують організми, клітини яких містять виключно хромосоми з унікальним, відмінним від інших, набором генів. Такі клітини називаються гаплоїдними. Клітини інших організмів мають подвійний набір хромосом. Це означає, що в клітинах містяться пари хромосом, які характеризуються однаковим набором генів, розташованих в однаковій послідовності. Такі хромосоми називаються гомологічними, а клітини з подвійним набором – диплоїдними.

Транскрипція. Основні типи РНКРеалізація спадкової інформації складається з низки послідовних процесів (іл. 76). Як бачимо, вона починається з процесу, який називається транскрипцією. Транскрипція – синтез молекули РНК з використанням молекули ДНК як матриці. В еукаріотичних клітинах транскрипція відбувається в ядрі, де зберігається ДНК, і забезпечується ферментами. Основним ферментом транскрипції є РНК-полімераза, яка «працює» на всіх її етапах.

Етапи транскрипціїЗв’язування із промотором гена є першим етапом (іл. 77). Для цього РНК-полімераза має бути зв’язаною з одним або кількома іншими важливими білками – транскрипційними факторами. Вони визначають, з яким саме геном зв’язуватиметься зазначений фермент, а отже, впливають на активність генів, що має важливе значення для регуляції росту та розвитку організму. Транскрипційні фактори кодуються регуляторними генами. Синтез молекули РНК є наступним етапом (див. іл. 77). РНК-полімераза роз’єднує дві нитки ДНК і рухається вздовж лише однієї з них. Вона розпізнає нуклеотиди ДНК і включає в молекулу РНК комплементарні до них РНК-нуклеотиди. Слід пам’ятати, що замість тимідилового (Т) нуклеотиду молекул ДНК до молекули РНК входить урациловий (У) (іл. 78). Тоді синтез завершується: РНК-полімераза вивільняє синтезовану молекулу РНК та від’єднується від ДНК.

Типи РНКЗа функціями виокремлюють кілька типів молекул РНК. Рибосомні РНК (р. РНК) входять до складу рибосом та забезпечують їхнє функціонування. Транспортні РНК (т. РНК) приєднують амінокислоти й транспортують їх до місця синтезу білка. Матричні, або інформаційні, РНК (м. РНК, іРНК) містять інформацію про амінокислотну структуру білків. Вони слугують матрицею для біосинтезу білка. Усі РНК беруть участь у біосинтезі білка або його регуляції. Переважна більшість генів кодує послідовність амінокислот у поліпептидному ланцюзі («білкові гени»), решта генів кодує РНК інших типів.

Дозрівання РНКУтворені в процесі транскрипції молекули РНК ще не можуть виконувати свої функції. В еукаріотів вони зазнають певних змін, однією з яких є сплайсинг. Більшість генів еукаріотів містить некодувальні ділянки, що «вирізаються» під час зазначеного процесу. Такі ділянки називаються інтронами, а ті, що залишаються в молекулі РНК, – екзонами. Отже, сплайсинг (від англ. splice – зрощувати, склеювати кінці чогось) – це процес «вирізання» інтронів та «зшивання» екзонів. Зрозуміло, що інформацію про структуру білків містять лише екзони. На інтрони припадає від 0 до 99 % довжини гена. У багатьох генів екзони, що залишаються, можуть зшиватися в різний спосіб. Як наслідок з одного гена можуть утворюватися різні м. РНК, за якими будуть синтезовані різні білки (іл. 79). Уважається, що саме це є причиною описаної мозаїчної (екзонно-інтронної) структури генів. Зрілі молекули РНК експортуються з ядра в цитоплазму, де починають виконувати свої функції. Отже, ви ознайомилися із особливостями перебігу транскрипції, яку відносять до реакцій матричного синтезу.

Генетичний код. Генетичний код – система запису послідовності амінокислотних залишків білкових молекул за допомогою послідовності нуклеотидів молекул РНК.

Біосинтез білка. Трансляція – синтез поліпептидного ланцюга за участю рибосом на матриці м. РНК. Умови процесу трансляціїРибосоми – це органели, необхідні для синтезу білка. Крім рибосом та м. РНК для трансляції потрібна енергія (АТФ) та амінокислоти, зв’язані з т. РНК. Молекула т. РНК має специфічну будову (іл. 82). До одного її кінця приєднується залишок амінокислоти. т. РНК також містить три особливі нуклеотиди, комплементарні до триплету, який кодує транспортовану амінокислоту. Ця послідовність називається антикодоном. Молекули т. РНК, що мають певний антикодон, зв’язують лише ту амінокислоту, яка кодується відповідним кодоном. Молекула т. РНК, сполучена із залишком амінокислоти, називається активованою. У біосинтезі білка виокремлюють кілька етапів.

Початок синтезу. Рибосома зв’язує м. РНК й поступово просуває її крізь себе, ніби скануючи (іл. 83). Таке «сканування» триває, доки не знайдеться кодон АУГ. Він називається стартовим кодоном, з нього розпочинається синтез будь-якого білка. Як тільки рибосома знайшла найближчий кодон АУГ, вона зв’язує т. РНК з метіоніном (та антикодоном УАЦ). Рибосоми мають три ділянки для молекул т. РНК. Перша зв’язує активовану т. РНК, її позначають літерою А. Друга (її позначають латинською літерою P) зв’язує т. РНК із приєднаним поліпептидним ланцюгом. Остання зв’язує «порожню» т. РНК, яка прямує на вихід (E – Exit). На момент початку синтезу ділянки Р і Е ще вільні, А-ділянка зв’язана із т. РНК. Далі матрична іРНК зсувається на один триплет. т. РНК з А-ділянки пересувається в Р-ділянку. «Порожню» А-ділянку займає нова активована т. РНК. Між амінокислотами, приєднаними до т. РНК А- і Р-ділянок, утворюється короткий пептид із двох залишків амінокислот.

Подовження поліпептидного ланцюга. Молекула м. РНК знову зсувається на один триплет. «Порожня» т. РНК з Р-ділянки переміщується в Е-ділянку, а т. РНК, з якою зв’язаний синтезований поліпептид, переміщується з А-ділянки в Р-ділянку. У цей час порожню А-ділянку займає нова активована т. РНК. Комплементарність антикодону т. РНК й кодону м. РНК забезпечує включення до синтезованого білка лише потрібної згідно з генетичним кодом амінокислоти. Між новою амінокислотою й пептидом Р-ділянки утворюється пептидний зв’язок. м. РНК знову зсувається, і цикл повторюється. До пептиду приєднуються все нові й нові амінокислоти.https://youtu.be/hmpx1nd. LWFc

Завершення синтезу. Синтез завершується, коли рибосома дійде до одного зі стоп-кодонів. Цим триплетам не відповідає жодна амінокислота, тобто немає т. РНК із відповідними антикодонами. Це означає, що А-ділянка не може бути заповненою, і синтез припиняється. Утворений поліпептид від’єднується від т. РНК й рибосоми. У результаті роботи описаного механізму утворюється поліпептидний ланцюг, послідовність амінокислот якого визначена структурою молекули м. РНК відповідно до генетичного коду. Такий поліпептид ще не є функціональним білком. Він має набути характерної для нього тривимірної (вторинної, третинної, четвертинної) структури, а також зазнати певних хімічних модифікацій, що здійснюються за участю ферментів здебільшого в комплексі Гольджі. Після цього утворений білок починає виконувати свої функції.

Подвоєння ДНКРеплікація – процес подвоєння ДНК, під час якого на основі однієї молекули утворюються дві її копії. Реплікація відбувається перед початком поділу клітини, тому що кожна дочірня клітина має отримати копію наборів молекул ДНК. У цьому процесі задіяно багато ферментів, основним з яких є ДНК-полімераза.

Механізм реплікації Реплікація починається зі зв’язування спеціалізованого ферменту з молекулою ДНК. Він роз’єднує дві нитки ДНК, руйнуючи водневі зв’язки між нітрогеновмісними основами нуклеотидів. Інші білки зв’язуються з утвореними поодинокими нитками ДНК, щоб унеможливити їхнє злипання. Далі з кожною ниткою ДНК зв’язується ДНК-полімераза: приєднує комплементарні нуклеотиди, утворюючи між ними ковалентні зв’язки (іл. 84). Основу нитки ДНК формує чергування залишків дезоксирибози та ортофосфатної кислоти. При цьому навпроти «ортофосфатного» кінця одного ланцюга розміщується «вуглеводний» кінець іншого, тобто дві нитки ДНК розташовані на протилежних полюсах.

Особливість дії ДНК-полімерази полягає в тому, що вона може переміщуватися вздовж молекули ДНК й синтезувати новий ланцюг лише в одному напрямку. Через те під час розплітання спіралі ДНК один ланцюг розплітатиметься в «правильному» напрямку, а інший – у протилежному. Робота ДНК-полімерази в«правильному» напрямку триває постійно. На іншому ж ланцюзі синтез відбувається в напрямку, протилежному до напрямку розплітання. При цьому ДНК-полімераза синтезує короткий фрагмент нової нитки ДНК, потім «перестрибує» до місця розплітання, синтезує новий фрагмент, і цикл повторюється. У міру утворення фрагменти «зшиваються» спеціалізованими ферментами. Ланцюг материнської молекули, на якому безперервно синтезується новий ланцюг, називається тим, що лідирує, а протилежний йому – ланцюгом, що запізнюється.

Оскільки молекули ДНК можуть бути досить довгими, процес реплікації, розпочатий лише з одного кінця, тривав би багато часу. Через це він розпочинається в кількох точках тривалий час. Від них розплітання та добудова нових ланцюгів відбуваються в обидва боки, унаслідок чого формується структура, що називається реплікативним міхуром (іл. 85). Під час «зустрічі» двох таких структур синтезовані нові ланцюги об’єднуються. Урешті-решт утворюються дві молекули ДНК, що є точними копіями материнських.

ДЯКУЮ ЗА УВАГУ !!!