citologie (gr.  κύτος - „recipient”, aici: „celulă” și λόγος - „învățătură”, „știință”) - secțiune biologiestudiind viața celulălor organite, structura, funcționarea lor, procesele de reproducere a celulelor, îmbătrânirea și moartea.

De asemenea, termeni folosiți biologie celulară, biologie celulară (eng. Biologie celulară).

Apariția și dezvoltarea citologiei

Figura de Robert Hook, care prezintă o secțiune de țesut de plută la microscop (din cartea „Micrografie”, 1664)

Termenul "celulă" a fost folosit pentru prima dată Robert Hooke  în 1665, în descrierea „studiului structurii plutei folosind lentile de mărire”. 1674 an Anthony van Levenguk  a constatat că substanța din interiorul celulei este organizată într-un anumit mod. El a fost primul care a descoperit nucleele celulare. La acest nivel, ideea celulei a durat mai mult de 100 de ani.

Cercetarea celulară a accelerat în anii 1830 când a fost avansată microscoape. În 1838-1839 un tocilar Matthias Schleiden  și anatomist Theodor Schwann  aproape simultan a prezentat ideea structurii celulare a corpului. T. Schwann a propus termenul „ teoria celulelor”Și a introdus această teorie comunității științifice. Apariția citologiei este strâns legată de crearea teoria celulelor  - cea mai largă și fundamentală dintre toate generalizările biologice. Conform teoriei celulare, toate plantele și animalele constau din unități similare - celule, fiecare având toate proprietățile unei creaturi vii.

Cea mai importantă adăugare la teoria celulară a fost afirmația celebrului naturalist german Rudolf Virchowcă fiecare celulă este formată ca urmare a diviziunii unei alte celule.

În anii 1870, au fost descoperite două metode de divizare a celulelor eucariote, numite ulterior mitoză  și meioză. Deja 10 ani mai târziu, a fost posibilă stabilirea principalelor caracteristici ale acestor tipuri de diviziune pentru genetică. S-a constatat că, înainte de mitoză, are loc dublarea cromozomilor și distribuția lor uniformă între celulele fiice, astfel încât același număr de cromozomi este păstrat în celulele fiice. Înainte de meioză, numărul de cromozomi se dublează de asemenea, dar în prima diviziune (de reducere), cromozomii cu două cromatide se diverge spre poli ai celulei, astfel încât celulele cu un set haploid să fie format, numărul de cromozomi din ele este jumătate decât în \u200b\u200bcelula mamă. S-a constatat că numărul, forma și dimensiunea cromozomilor - cariotip  - la fel în toate celulele somatice ale animalelor dintr-o anumită specie și numărul de cromozomi din gameți  de două ori mai puțin. Ulterior, aceste descoperiri citologice au stat la baza teoria cromozomilor a eredității.

Citologie clinică

Citologia clinică este o secțiune a diagnosticului de laborator și este descriptivă. În special, o secțiune importantă a citologiei clinice este oncocitologia, care se confruntă cu sarcina diagnosticării neoplasmelor.

Acidul ribonucleic (ARN) este unul dintre cele trei principale macromolecule  (celelalte două sunt DNA  și proteine), care sunt conținute în celulele tuturor celor vii organisme.

La fel ca ADN-ul (acid dezoxiribonucleic), ARN constă dintr-un lanț lung în care se numește fiecare legătură nucleotid. Fiecare nucleotid este format din baza de azotzahăr riboza  și grupa fosfat. Secvența de nucleotide permite codificării ARN-ului informații genetice. Toate organismele celulare folosesc ARN ( aRNm) pentru programarea sintezei proteinelor.

ARN-urile celulare se formează în timpul unui proces numit transcriereadică sinteza ARN pe o matrice ADN realizată de enzime speciale - ARN polimeraze. atunci aRN matricial  (ARNm) sunt implicați într-un proces numit traducere. Difuzarea este o sinteză proteină  pe matricea ARNm cu participarea ribozomi. Alte ARN după transcriere suferă modificări chimice, iar după formarea structurilor secundare și terțiare, acestea îndeplinesc funcții care depind de tipul ARN.

ARN-uri monocatenare se caracterizează prin structuri spațiale diverse, în care o parte din nucleotidele aceluiași lanț sunt împerecheate. Unele ARN puternic structurate sunt implicate în sinteza proteinelor celulare, de exemplu, transport ARN  servesc pentru recunoaștere codoni  și livrare aminoacizi  la locul sintezei proteinelor și aRN ribozomal  servesc ca structurale și catalizator  baza ribozomilor.

Cu toate acestea, funcțiile ARN în celulele moderne nu se limitează la rolul lor în traducere. De exemplu, aRN nuclear mic  ia parte la despicare eucariotă aRN matricial  și alte procese.

Pe lângă faptul că moleculele de ARN fac parte din unele enzime (de exemplu, telomerazei), ARN-ul individual și-a găsit propriul enzimatice  activitate: capacitatea de a se rupe în alte molecule de ARN sau, invers, „lipici” două fragmente de ARN. Astfel de ARN se numesc ribozomi.

Genomii unui număr viruși  constau din ARN, adică în ele joacă rolul pe care ADN-ul îl joacă în organismele superioare. Pe baza diversității funcțiilor ARN din celulă, a fost prezentată o ipoteză conform căreia ARN este prima moleculă care a fost capabilă să se auto-reproduce în sistemele prebiologice.

ARN, la fel ca ADN-ul, este o polinucleotidă. Structura nucleotidelor ARN cu un astfel de ADN, dar există următoarele diferențe:

• În loc de dezoxiriboză, compoziția nucleotidelor ARN include riboză de zahăr cu cinci carbon;
• În locul bazei azotate de timină, uracil;
• Molecula ARN este de obicei reprezentată de un lanț (la unii viruși, doi);

În celule există trei tipuri de ARN:informațional, de transport și ribozomal.

program de informareARN (i-RNA) este o copie a unei regiuni specifice de ADN și acționează ca purtător de informații genetice de la ADN la locul sintezei proteice (ribozomi) și este implicat direct în asamblarea moleculelor sale.

transportARN-ul (t-ARN) transferă aminoacizii din citoplasmă la ribozomi.

ARN ribozomal (r-ARN) este o parte a ribozomilor. Se crede că r-ARN oferă o anumită poziție relativă spațialăi-ARN și t-ARN.

Rolul ARN în implementarea informațiilor ereditare.

Informațiile ereditare înregistrate folosind codul genetic sunt stocate în molecule de ADN și propagate pentru a oferi celulelor nou formate „instrucțiunile” necesare pentru dezvoltarea și funcționarea lor normală. Cu toate acestea, ADN-ul nu participă direct la suportul de viață al celulelor. Se joacă rolul intermediarului, a cărui funcție este traducerea informațiilor ereditare stocate în ADN într-o formă de lucru acizi ribonucleici - ARN.

Spre deosebire de moleculele de ADN, acizii ribonucleici sunt reprezentați de un singur lanț polinucleotidic, care este format din patru soiuri de nucleotide care conțin zahăr, riboză, fosfat și una din cele patru baze azotate - adenină, guanină, uracil sau citozină. ARN este sintetizat pe molecule de ADN folosind enzime ARN polimerază, în conformitate cu principiul complementarității și antiparalelismului, iar ADN-ul adeninic în ARN este complementar cu uracilul. Întreaga varietate de ARN-uri care acționează în celulă pot fi împărțite în trei tipuri principale: ARNm, ARNt, ARNr.

Conform organizării chimice a materialului eredității și variabilității, celulele eucariote și procariote nu diferă fundamental unele de altele. Materialul genetic din ele este reprezentat de ADN. Comun pentru ei este principiul înregistrării informațiilor genetice, precum și codul genetic. Aceiași aminoacizi sunt criptate în pro și eucariote cu aceiași codoni. În esență în același mod, tipurile de celule menționate anterior utilizează informațiile ereditare stocate în ADN. Mai întâi, este transcris în secvența de nucleotide a moleculei ARNm și apoi este tradusă în secvența de aminoacizi a peptidei pe ribozomi cu participarea ARNt. Cu toate acestea, unele caracteristici ale organizării materialului ereditar care disting celulele eucariote de celulele procariote determină diferențe în utilizarea informațiilor lor genetice.

Materialul ereditar al unei celule procariote se găsește în principal într-o singură moleculă circulară de ADN. Este localizat direct în citoplasma celulară, unde sunt localizate și ARNt-uri și enzime necesare pentru exprimarea genelor, unele dintre ele fiind localizate în ribozomi. Genele procariote sunt compuse în întregime din secvențe de nucleotide de codificare realizate în timpul sintezei proteinelor, ARNt-urilor sau ARNr-urilor.

Materialul ereditar al eucariotelor are un volum mai mare decât cel al procariotelor. Este localizat în principal în structuri nucleare speciale - cromozomicare sunt separate de citoplasmă de membrana nucleară. Aparatul necesar sintezei proteice, format din ribozomi, ARNt, un set de aminoacizi și enzime, este localizat în citoplasma celulei.

Există diferențe semnificative în organizarea moleculară a genelor unei celule eucariote. În majoritatea acestora, secvențe de codificare exonii  sunt întrerupte intron zone care nu sunt utilizate în sinteza ARN-ului t, R-ARN-ului sau peptidelor. Numărul de astfel de site-uri variază în gene diferite .. Aceste site-uri sunt eliminate din ARN-ul transcris primar și, prin urmare, utilizarea informațiilor genetice într-o celulă eucariotă este oarecum diferită. Într-o celulă procariotă, unde materialul ereditar și aparatul de biosinteză proteică nu sunt separate spațial, transcrierea și translația apar aproape simultan. Într-o celulă eucariotă, aceste două etape nu sunt separate spațial de membrana nucleară, ci și în timp sunt separate de procesele de maturare a mARN, din care trebuie îndepărtate secvențe neinformative.

În plus față de aceste diferențe, în fiecare etapă a expresiei informațiilor genetice, pot fi notate câteva caracteristici ale cursului acestor procese în pro și eucariote.

Structura primară a ARN   - secvența alternanței monofosfaților ribonucleozidici în lanțul polinucleotidelor. În ARN, la fel ca în ADN, nucleotidele sunt legate prin legături de 3 ", 5" -fosfodiester. Capetele lanțurilor polinucleotidice ARN nu sunt aceleași. La un capăt este grupa OH fosforilată a atomului de carbon de 5 ", la celălalt capăt este grupa OH a atomului de ribozidă de 3", de aceea capetele sunt numite capetele 5 "și 3" ale lanțului ARN.

Structura secundară a ARN

Molecula de acid ribonucleic este construită dintr-un singur lanț polinucleotidic. Secțiunile separate ale lanțului ARN formează bucle spiralate - „fire de păr”, datorate legăturilor de hidrogen între bazele complementare azotate A-U și G-C. Regiunile lanțului ARN din astfel de structuri elicoidale sunt antiparalele, dar nu întotdeauna complet complementare, conțin reziduuri de nucleotide nepereche sau chiar bucle monocatenare care nu se încadrează în dubla helixă. Prezența regiunilor elicoidale este caracteristică tuturor tipurilor de ARN.

Structura terțiară a ARN

ARN-urile monocatenare se caracterizează printr-o structură terțiară compactă și ordonată care apare prin interacțiunea elementelor elicoidale ale structurii secundare. Astfel, este posibilă formarea de legături suplimentare de hidrogen între reziduurile de nucleotide suficient de îndepărtate unele de altele, sau legături între grupele OH de reziduuri și baze de riboză. Structura terțiară a ARN este stabilizată de ioni metalici divalenți, de exemplu, ioni Mg 2+ care se leagă nu numai de grupări de fosfați, ci și de baze.

Principalele tipuri de ARN

În citoplasma celulelor există 3 tipuri de acizi ribonucleici - ARN de transport (ARNt), ARN mesager (ARNm) și ARN ribozomal (ARNr). Acestea diferă în ceea ce privește structura primară, greutatea moleculară, conformația, speranța de viață și, cel mai important, în activitatea funcțională.

http :// www . biochimie . ru / biohimija _ severina / B 5873 parte 25-141. html

Metode de determinare a structurii primare și secundare a acizilor nucleici

secvențiere   Este numele comun pentru metodele care vă permit să stabiliți secvența de nucleotide într-o moleculă de ADN. În prezent, nu există o singură metodă de secvențiere care să funcționeze pentru întreaga moleculă de ADN; toate sunt aranjate astfel: mai întâi, sunt pregătite un număr mare de secțiuni mici de ADN (molecula de ADN este clonată de mai multe ori și „tăiată” în locuri aleatorii), apoi fiecare secțiune este citită separat.

Clonarea se produce fie prin simpla creștere a celulelor într-un vas Petri, fie (în cazurile în care ar fi prea lent sau din anumite motive nu ar funcționa) folosind așa-numita reacție în lanț a polimerazei. Într-un rezumat concis și inexact, funcționează astfel: la început, ADN-ul este denaturat, adică. rupe legăturile de hidrogen, obținând fire separate. Apoi, așa-numitele primerii sunt atașate la ADN; acestea sunt secțiuni scurte de ADN la care ADN-polimeraza se poate atașa - un compus care, de fapt, este implicat în copiere (replicare)catene de ADN. În următoarea etapă, polimeraza copiază ADN, după care procesul poate fi repetat: după noua denaturare a catenelor individuale, vor fi de două ori mai multe, în al treilea ciclu - de patru ori, etc.

Toate aceste efecte sunt obținute în principal prin modificări ale temperaturii amestecului de ADN, primeri și polimerază; în scopurile noastre, este important că acesta este un proces destul de precis, iar erorile sunt rare, iar rezultatul este un număr mare de copii ale secțiunilor aceluiași ADN. Diferite metode de secvențare diferă unele de altele nu prin metode de clonare, ci prin modul de a citi „supa” rezultată din mai multe copii ale aceluiași ADN.

Metoda hibridării ADN-ADN bazat pe faptul că stabilitatea duplexelor ADN-ADN la o anumită temperatură depinde de numărul de nucleotide care formează perechi complementare. Evident, numărul de nucleotide complementare într-un duplex în care ambele catene provin din aceeași moleculă de ADN (adică în omoduplexe) este de 100%. Dacă ambele fire sunt de origine diferită (heteroduplex), atunci, în funcție de numărul de mutații care s-au produs, numărul de perechi complementare va fi mai mic de 100%. În consecință, heteroduplexele trebuie să se descompună (topiți) la o temperatură mai mică decât omoduplexele. Mai mult, cu cât punctul de topire este mai mic, cu atât diferența dintre cele două secvențe este mai mare. Stabilitatea temperaturii ADN-ului hibrid este determinată de temperatura la care 50% din ADN-ul hibrid este disociat într-o formă monocatenară. Apoi, această temperatură este comparată cu temperatura medie de topire de 50% a omoduplexelor ambelor tipuri de secvențe implicate în formarea unui heteroduplex, această temperatură este de obicei notată cu Tm. Diferența dintre punctele de topire medii ale hetero- și homoduplexelor este notată ca dTm. Este afișată o dependență liniară a dTm de numărul de baze nepereche (  Britten et. al., 1974): p \u003d cdTm. Constanta c este de obicei determinată de condițiile experimentale și de obicei variază de la 0,01 la 0,015. Determinarea dTm necesită un număr mare de repetări, deoarece mare eroare experimentală.

Proprietatea principală a ADN-ului este capacitatea sa de a se reproduce.

http :// postnauka . ru / longreads /468

1.9. Replicare ADN, transcriere, traducere, transcriere inversă. Amplificarea ADN-ului. Biosinteza proteinelor, codul aminoacizilor. Organizarea genelor, structura genelor în pro și eucariote, conceptul de clonare.

replică Este un proces de auto-dublare a moleculelor de ADN care are loc sub controlul enzimelor. Replicarea se efectuează înaintea fiecărei diviziuni a nucleului. Începe cu faptul că helixul ADN este provocat temporar de acțiunea enzimei ADN polimerază. Pe fiecare dintre lanțurile formate după ruperea legăturilor de hidrogen, o catena ADN fiică este sintetizată conform principiului complementarității. Materialul pentru sinteză este nucleotidele libere, care sunt în nucleu.

Schema de replicare a ADN-ului

Astfel, fiecare lanț polinucleotidic acționează ca o matrice pentru un nou lanț complementar (prin urmare, procesul de dublare a moleculelor de ADN se referă la reacții de sinteză a matricei). Rezultatul este două molecule de ADN, în care una dintre ele rămâne din molecula mamă (jumătate), iar cealaltă este recent sintetizată. Mai mult, un nou lanț este sintetizat de unul continuu, iar cel de-al doilea, mai întâi sub formă de fragmente scurte, care sunt apoi reticulate într-un lanț lung de o enzimă specială - ligază ADN. În urma replicării, două noi molecule de ADN sunt o copie exactă a moleculei originale.

Sensul biologic al replicării   constă în transmiterea corectă a informațiilor ereditare de la celula mamă la celulele fiice, ceea ce se întâmplă în timpul diviziunii celulelor somatice.

http :// sbio . info / pagină . php ? id =11

Referințe:

1) N. Green, W. Stout, D. Taylor - Biologie.

2) Z.A. Shabarova și A.A. Bogdanov - Chimia acizilor nucleici și a polimerilor acestora.

3) A.P. Pekhov - Biologie și genetică generală.

4) A. Mickelson - Chimia nucleozidelor și nucleotidelor.

5) Z. Hauptmann, J. Grefe, H. Reman - Chimie organică

transcriere   Este un proces de sintezăARN  cuDNA  ca matrice, care apare în toate celulele vii. Cu alte cuvinte, acesta este transferul informațiilor genetice de la ADN la ARN.

transcrierecatalizată enzimă  ARN polimeraza dependentă de ADN. Procesul sintezei ARN se desfășoară în direcția de la capătul 5 "- la 3" - adică de-a lungul lanțului șablon ADNARN polimeraza  se deplasează în direcția de 3 "- 5".

Transcrierea constă în etapele de inițiere, alungire și încheiere. Unitatea de transcripție este transcripton, un fragment dintr-o moleculă de ADN constând dintr-un promotor, o parte transcrisă și un terminator.

Inițierea transcrierii   Este un proces complex care depinde de secvența ADN de lângă secvența transcrisă (și îneucariotelor  de asemenea, din părți mai îndepărtate ale genomului -amplificatori  șiamortizoare de zgomot) și din prezența sau absența diverselorfactorii proteici.

Alungirea transcrierii

Momentul de tranziție al ARN polimerazei de la inițierea transcrierii la alungire nu a fost determinat cu exactitate. Trei evenimente biochimice principale caracterizează această tranziție în cazul ARN polimerazeie. coli: separarea factorului sigma, primultranslocație  moleculeleenzimă de-a lungul matricei și stabilizării puternice a complexului de transcripție, care, pe lângă ARN polimeraza, include un lanț ARN în creștere și ADN transcris. Aceleași fenomene sunt, de asemenea, caracteristice ARN polimerazelor eucariote. Trecerea de la inițiere la alungire este însoțită de o întrerupere a legăturilor dintre enzimă,promotor, factori de inițiere a transcripției și, în unele cazuri, tranziția ARN polimerazei la o stare de competență în raport cu alungirea. Faza de alungire se încheie după eliberarea transcrierii în creștere șidisociere  enzimă din matrice (terminare).

În stadiul de alungire înDNA  aproximativ 18 perechinucleotide. Aproximativ 12 nucleotide ale șablonului ADN-model formează o helixă hibridă cu un capăt în creștere al lanțului ARN. Pe măsură ce ARN polimeraza se deplasează de-a lungul matricei din fața ei, se produce dezlegarea, iar în spatele ei, dubla helix ADN este restabilită. În același timp, o altă verigă a lanțului ARN în creștere este eliberată din complex cu matricea și ARN polimeraza. Aceste mișcări trebuie să fie însoțite de o rotație relativă a ARN polimerazei și ADN-ului.

Transcrierea.  La ribozomi, locuri de sinteză de proteine, un mediator purtător de informații este capabil să treacă prin porii membranei nucleare din nucleu. Un astfel de intermediar este ARN-ul mesager (ARNm). Aceasta este o moleculă monocatenară complementară unei catene a unei molecule de ADN (vezi § 5). O enzimă specială, ARN polimeraza, care se deplasează de-a lungul ADN-ului, selectează nucleotide conform principiului complementarității și le combină într-un singur lanț (Fig. 22). Procesul de formare a mARN se numește transcriere (din lat. „Transcriere” - transcriere). Dacă timina se află în catena ADN, atunci polimeraza include adenina în lanțul ARNm, dacă conține guanină, include citosină, dacă adenina se află în ADN, include uracil (timina nu face parte din ARN).

Fig. 22. Schema formării ARNm prin matrice ADN

În lungime, fiecare dintre moleculele de mRNA este de sute de ori mai scurtă decât ADN-ul. ARN informațional este o copie a nu a întregii molecule de ADN, ci doar a unei părți din ea, a unei gene sau a unui grup de gene adiacente care poartă informații despre structura proteinelor necesare pentru a îndeplini o singură funcție. În procariote, un astfel de grup de gene este numit operon. (Veți citi despre modul în care genele sunt combinate într-un operon și cum este organizată gestionarea transcripției în § 17.)

La începutul fiecărui grup de gene este un fel de loc de aterizare pentru ARN polimeraza - promotorul. Aceasta este o secvență specifică de nucleotide ADN pe care enzima „o recunoaște” datorită afinității chimice. Numai prin alăturarea promotorului, ARN polimeraza este capabilă să înceapă sinteza ARNm. La sfârșitul unui grup de gene, o enzimă întâlnește un semnal (o secvență specifică de nucleotide), ceea ce semnifică sfârșitul transcrierii. ARNm gata lasă ADN-ul, părăsește nucleul și merge la locul sintezei proteice - ribozomul situat în citoplasma celulei.

În celulă, informațiile genetice sunt transmise prin transcrierea de la ADN la proteine:

ADN → ARNm → proteine

Codul genetic și proprietățile sale.  Informațiile genetice conținute în ADN și în mRNA sunt conținute în secvența de nucleotide din molecule. Cum codifică mRNA (criptează) structura primară a proteinelor, adică ordinea aminoacizilor din ele? Esența codului este că secvența de nucleotide din ARNm determină secvența aminoacizilor din proteine. Acest cod se numește genetic, decodarea lui este una dintre marile realizări ale științei. Purtătorul de informații genetice este ADN-ul, dar din moment ce mRNA este o parte directă în sinteza proteinelor - o copie a unuia dintre firele ADN, codul genetic este scris în „limbajul” ARN.

Codul este triplet.  Compoziția ARN include 4 nucleotide: A, G, C, U. Dacă desemnați un aminoacid cu un nucleotid, atunci doar 4 aminoacizi pot fi criptate, în timp ce sunt 20 dintre ei și toți sunt folosiți în sinteza proteinelor. Un cod format din două litere ar permite criptarea a 16 aminoacizi (din 4 nucleotide, se pot alcătui 16 combinații diferite, fiecare având 2 nucleotide).

În natură, există un cod de trei litere sau triplet. Aceasta înseamnă că fiecare dintre cei 20 de aminoacizi este codificat de o secvență de 3 nucleotide, adică o triplă, care se numește codon. Din 4 nucleotide pot fi create 64 de combinații diferite, 3 nucleotide în fiecare (4 3 \u003d 64). Acest lucru este mai mult decât suficient pentru a codifica 20 de aminoacizi și s-ar părea că 44 de triplete sunt de prisos. Totuși, nu este așa. Aproape fiecare aminoacid este criptat cu mai mult de un codon (2 până la 6). Acest lucru poate fi văzut din tabelul de coduri genetice.

Codul este unic. Fiecare triplet criptează doar un aminoacid. La toate persoanele sănătoase din gena care poartă informații despre una dintre lanțurile de hemoglobină, triplul GAA sau GAG, pe locul șase, codifică acidul glutamic. La pacienții cu anemie cu celule secera, al doilea nucleotid din acest triplet este înlocuit de Y. După cum se poate observa din tabelul codului genetic, tripletele GUA sau GUG, care în acest caz sunt formate, codifică valina aminoacidului. La ce duce acest înlocuitor, știți din paragraful anterior.

Există semne de punctuație între gene. Fiecare genă codifică un lanț polipeptidic. Deoarece în unele cazuri mRNA este o copie a mai multor gene, acestea trebuie separate între ele. Prin urmare, în codul genetic există trei triplete speciale (UAA, UAG, CAA), fiecare dintre ele indicând încetarea sintezei unui lanț polipeptidic. Astfel, aceste triplete acționează ca semne de punctuație. Sunt la sfârșitul fiecărei gene.

Codul nu se suprapune și nu există semne de punctuație în interiorul genei.  Deoarece codul genetic este similar cu un limbaj, vom analiza această proprietate folosind exemplul unei fraze compuse din triplete:

era o pisică liniștită îmi era drăguță pisica aceea

Semnificația scrisului este de înțeles, în ciuda absenței semnelor de punctuație. Dacă eliminăm o literă în primul cuvânt (o nucleotidă din genă), dar citim și în tripluri de litere, obținem prostii:

ilb ylk ott ikhb ils erm ilm fără deschidere din

Prostia apare și atunci când una sau două nucleotide cad dintr-o genă. O proteină citită dintr-o astfel de genă „răsfățată” nu va avea nicio legătură cu proteina codificată de gena normală. Prin urmare, gena din lanțul ADN are un început strict de citire.

Codul este universal. Codul este același pentru toate creaturile care trăiesc pe Pământ. În bacterii și ciuperci, cereale și mușchi, furnici și broaște, biban și pelicani, țestoase, cai și oameni, aceleași triplete codifică aceiași aminoacizi.

1. Ce principiu stă la baza procesului de sinteză a ARNm?
2. Cum se numește codul genetic? Enumerați proprietățile de bază ale codului genetic.
3. Explicați de ce sinteza proteinelor nu are loc direct în matricea ADN, ci în mARN.
4. Folosind tabelul cu coduri genetice, trageți o bucată de ADN care codifică informații despre următoarea secvență de aminoacizi într-o proteină: - arginină - triptofan - tirozină - histidină - fenilalanină -.

Acidul ribonucleic este un copolimer al ribonucleotidelor purine și pirimidine, conectate între ele, ca în ADN, prin punți de fosfodiester (Fig. 37.6). Deși aceste două tipuri de acizi nucleici au multe în comun, acestea diferă unele de altele în mai multe moduri.

1. În ARN, reziduul de carbohidrați la care sunt atașate baze purine sau pirimidine și grupări fosfat este riboza, și nu 2-dezoxiriboza (ca în ADN).

2. Componentele pirimidine ale ARN sunt diferite de cele ale ADN-ului. Compoziția ARN, precum și ADN-ul, include nucleotidele adeninei, guaninei și citozinei. În același timp, ARN (cu excepția unor cazuri speciale, despre care vom discuta mai jos) nu conține timină, uracilul își are locul în molecula ARN.

3. ARN-ul este o moleculă cu o singură catenă (spre deosebire de ADN, care are o structură cu două fire), cu toate acestea, dacă există regiuni în lanțul ARN cu o secvență complementară (polaritate opusă), un singur lanț de ARN se poate plia pentru a forma așa-numitele păr de păr, structuri cu caracteristici duble elicoidale ( Fig. 37,7).

Fig. 37.6. Un fragment dintr-o moleculă de acid ribonucleic (ARN) în care bazele purine și pirimidine sunt adenina (A), uracil (U), citozină (C) și guanină (sunt deținute de o coloană vertebrală fosfodiester care leagă reziduurile de ribosil legate de legătura N-glicozidică la bazele nucleice corespunzătoare Notă: lanțul ARN are o orientare specifică, care este indicată prin reziduuri de fosfat cu 5 și 3 terminali.

4. Deoarece molecula ARN este o singură catenă, complementară doar a unuia dintre lanțurile ADN, conținutul de guanină din acesta nu este neapărat egal cu conținutul de citosină, iar conținutul de adenină nu este neapărat egal cu conținutul de uracil.

5. ARN-ul poate fi hidrolizat cu alcaline până la 2, diestere 3-ciclice ale mononucleotidelor; produsul intermediar de hidroliză este 2, U, 5-triester, care nu se formează în timpul hidrolizei alcaline a ADN-ului din cauza absenței ultimelor grupări 2-hidroxil; labilitatea alcalină a ARN (în comparație cu ADN-ul) este o proprietate utilă atât în \u200b\u200bscopuri de diagnostic, cât și analitice.

Informațiile conținute în ARN monocatenar sunt realizate sub forma unei secvențe specifice de baze purine și pirimidine (adică în structura primară) a lanțului polimeric. Această secvență este complementară lanțului de codificare a genei cu care ARN-ul este „citit”. Datorită complementarității, molecula ARN este capabilă să se lege în mod specific (hibridizarea) lanțului codificator, dar nu se hibridizează cu lanțul ADN care nu codifică. Secvența ARN (cu excepția înlocuirii T cu U) este identică cu secvența lanțului genic care nu codifică (Fig. 37.8).

Funcțiile biologice ale ARN

Sunt cunoscute mai multe tipuri de ARN. Aproape toți sunt implicați direct în biosinteza proteinelor. Moleculele ARN-ului citoplasmatic care îndeplinesc funcțiile matricei de sinteză de proteine \u200b\u200bsunt numite ARN-uri mesager (ARNm). Un alt tip de ARN-ribozomal citoplasmatic (ARN) - joacă rolul componentelor structurale ale ribozomilor (organele care joacă un rol important în sinteza proteinelor). Moleculele adaptoare ale ARN-urilor de transport (ARNt-urile) sunt implicate în traducerea (traducerea) informațiilor ARNm într-o secvență de aminoacizi din proteine.

O parte semnificativă a transcrierilor ARN primare formate în celulele eucariote, inclusiv celulele mamifere, suferă degradare în nucleu și nu joacă niciun rol structural sau informațional în citoplasmă. În cultivat

Fig. 37.7. Structura secundară a unei molecule de ARN de tipul „buclă cu tulpină” („ac de păr”) care rezultă din formarea intramoleculară a legăturilor de hidrogen între perechile complementare de baze nucleice.

În celulele umane, a fost descoperită o clasă de ARN-uri nucleare mici care nu participă direct la sinteza proteinelor, dar pot afecta procesarea ARN și „arhitectura” generală a celulei. Mărimile acestor molecule relativ mici variază, acestea din urmă conțin de la 90 la 300 de nucleotide (Tabelul 37.3).

ARN este principalul material genetic la unele virusuri animale și vegetale. Unele virusuri care conțin ARN nu trec niciodată prin etapa de transcriere inversă a ARN în ADN. Cu toate acestea, cele mai cunoscute virusuri animale, cum ar fi retrovirusurile, sunt caracterizate prin transcrierea inversă a genomului lor de ARN direcționat de un ADN polimerază dependentă de ARN (transcriptază inversă) pentru a forma o copie ADN cu două cateni. În multe cazuri, transcripția ADN cu două catenă rezultată este introdusă în genom și, ulterior, oferă expresia genelor virusului, precum și generarea de noi copii ale genomului ARN viral.

Organizare structurală ARN

În toate organismele eucariote și procariote, există trei clase principale de molecule de ARN: ARN informațional (mesager sau mesager), ARNm (ARNm), transport (ARNt) și ribozomal (ARNr). Reprezentanții acestor clase diferă între ei ca mărime, funcție și stabilitate.

Informația (ARNm) este cea mai eterogenă clasă din punct de vedere al mărimii și stabilității. Toți reprezentanții acestei clase servesc ca purtători de informații de la genă la sistemul de sinteză a proteinelor din celulă. Ele servesc ca matrice pentru polipeptida sintetizată, adică determină secvența de aminoacizi a proteinei (Fig. 37.9).

ARN-urile informaționale, în special cele eucariote, au unele caracteristici structurale unice. Capătul 5 al mRNA este „acoperit” cu 7-metilguanozina trifosfat atașat la 5-hidroxil al 2-0-metilribonucleozidei adiacente prin restul trifosfat (Fig. 37.10). Moleculele de MRNA conțin adesea reziduuri interne de 6-metiladenină și ribonucleotide 2-metilate. Deși sensul de „capping” nu este încă înțeles pe deplin, se poate presupune că structura rezultată a capătului 5 al mARN este utilizată pentru recunoașterea specifică în sistemul de traducere. Sinteza de proteine \u200b\u200bîncepe de la capătul de 5 "- (plafonat) al mARN. Celălalt capăt al majorității moleculelor ARNm (3-end) conține un lanț poliadenilat de 20-250 nucleotide. Funcțiile specifice ale acestuia nu sunt complet stabilite. Se poate presupune că această structură este responsabilă pentru menținerea stabilității intracelulare. ARNm. Unele mARN, inclusiv cele cu histonă, nu conțin poli (A.) Prezența poli (A) în structura ARNm este utilizată pentru a se separa de alte tipuri de ARN prin fracționarea ARN total pe coloane de oligo (T) imobilizate pe un nas solid legarea tipului de celuloză.Legerea ARNm de coloană are loc datorită interacțiunilor complementare ale „cozii” poli (A) cu oligo imobilizat (T).

Fig. 37.8. Secvența genei și transcrierea ARN-ului ei. S-au afișat lanțurile de codare și non-codificare și au marcat polaritatea acestora. O transcriere ARN având polaritate este complementară lanțului de codificare (cu polaritate de 3 până la 5) și este identică în secvență (cu excepția înlocuirii T cu U) și a polarității lanțului ADN care nu codifică.

Fig. 37.9. Exprimarea informațiilor genetice ale ADN-ului sub formă de transcriere a ARNm și traducere ulterioară cu participarea ribozomilor la formarea unei molecule proteice specifice.

(vezi scanare)

Fig. 37.10. Structura capacului situat la capătul 5 al majorității ARN-urilor matricei eucariote 7-metilguanozina trifosfat este atașată la capătul 5 al mARN. care conține de obicei nucleotida 2-O-metilpurină.

În celulele mamifere, inclusiv celulele umane, moleculele mARN de maturitate localizate în citoplasmă nu sunt o copie completă a regiunii transcrise a genei. Poliribonucleotida formată ca urmare a transcrierii este un precursor al mARN-ului citoplasmatic, este supusă unei prelucrări specifice înainte de a părăsi nucleul. Produsele de transcripție neprocesate găsite în nucleele celulelor de mamifere formează a patra clasă de molecule de ARN. Astfel de ARN nucleare sunt foarte eterogene și ating dimensiuni semnificative. Moleculele ARN nucleare eterogene pot avea o greutate moleculară mai mare, în timp ce greutatea moleculară a ARNm nu depășește de obicei 2106. Sunt prelucrate în nucleu, iar ARNm-urile mature rezultate intră în citoplasmă, unde servesc drept matrice pentru biosinteza proteinelor.

Moleculele ARN de transport (ARNt) conțin de obicei aproximativ 75 de nucleotide. Greutatea moleculară a acestor molecule este. ARNt-urile sunt, de asemenea, formate ca rezultat al procesării specifice a moleculelor precursoare corespunzătoare (vezi Ch. 39). ARNt-urile de transport acționează ca intermediari în timpul traducerii ARNm. Cel puțin 20 de tipuri de molecule de ARNt sunt prezente în orice celulă. Fiecare tip (uneori mai multe tipuri) de ARNt corespunde unuia dintre cei 20 de aminoacizi necesari sintezei proteice. Deși fiecare ARNt specific diferă de alte secvențe de nucleotide, toate au caracteristici comune. Datorită mai multor regiuni complementare intracaine, toate ARNt-urile au o structură secundară, numită „frunza de trifoi” (Fig. 37.11).

Moleculele de toate tipurile de ARNt au patru brațe principale. Brațul acceptor constă dintr-o „tulpină” de nucleotide împerecheate și se termină cu secvența CCA, prin grupa U-hidroxil a reziduului de adenosil, aminoacidul se leagă de grupa carboxil. Umerii rămași constau, de asemenea, din „tulpini” formate din perechi complementare de baze și bucle de baze nepereche (Fig. 37.7). Brațul anticodon recunoaște tripleta de nucleotide sau codonul (vezi Ch. 40) în ARNm. Brațul D este numit astfel datorită prezenței dihidrouridinei în el, iar brațul este numit după secvența T-pseudouridin-C. Brațul suplimentar reprezintă structura cea mai variabilă și servește ca bază pentru clasificarea ARNt. ARNt-urile de clasa 1 (75% din total) au un braț suplimentar de 3-5 perechi de baze în lungime. Brațul suplimentar al moleculelor de ARNt de clasă 2 este format din 13-21 perechi de baze și include adesea o buclă nepereche.

Fig. 37.11. Structura moleculei aminoacil-ARNt, la capătul 3-CCA de care este atașat un aminoacid. Sunt indicate legăturile intramoleculare de hidrogen și locația brațelor anticodon, TTC și dihidrouracil. (Din J. D. Watson. Biologia moleculară a genei 3, ed .. Copyright 1976, 1970, 1965 de W. A. \u200b\u200bBenjamin, Inc., Menlo Park Calif.)

Structura secundară, determinată de sistemul interacțiunilor complementare ale bazelor nucleotidice ale brațelor corespunzătoare, este caracteristică tuturor speciilor.Bratul acceptor conține șapte perechi de baze, umărul conține cinci perechi de baze, iar brațul D conține trei (sau patru) perechi de baze.

Moleculele de ARNt sunt foarte stabile în procariote și oarecum mai puțin stabile în eucariote. Situația opusă este caracteristică mARN, care este destul de instabilă în procariote, iar în organismele eucariote are o stabilitate semnificativă.

ARN ribozomal. Ribosomul este o structură de nucleoproteină citoplasmatică proiectată pentru sinteza proteinelor prin matrice ARNm. Ribozomul oferă un contact specific, ca urmare a căruia secvența de nucleotide citită dintr-o anumită genă este tradusă în secvența de aminoacizi a proteinei corespunzătoare.

În tabel. 37.2 prezintă componentele ribozomilor de mamifere având o greutate moleculară de 4.210 6 și o rată de sedimentare (unități Swedberg). Ribozomii de mamifere sunt compuși din două subunități nucleoproteice - mari cu

Tabelul 37.2. Componentele ribozomului mamifer

greutate moleculară (60S) și mică, având o greutate moleculară (40S). Subunitatea 608 conține 58 ARN ribozomal (ARNr), 5.8S-pARN și 28S-ARN, precum și mai mult de 50 de polipeptide diferite. Subunitatea mică, 408, include o singură catenă 18S-pRNA și aproximativ 30 de lanțuri polipeptidice. Toate ARN-urile ribozomale, cu excepția 5S-PHK, au un precursor comun, 45S-PHK, localizat în nucleol (vezi Ch. 40). Molecula 5S-PHK are propriul său precursor. În nucleol, ARN-urile ribozomale extrem de metilate sunt ambalate cu proteine \u200b\u200bribozomale. În citoplasmă, ribozomii sunt destul de stabili și capabili să efectueze un număr mare de cicluri de translație.

ARN mic stabil. În celulele eucariote, s-au găsit un număr mare de molecule de ARN discrete, foarte conservatoare, mici și stabile. Majoritatea ARN-urilor de acest tip se găsesc în ribonucleoproteine \u200b\u200bși sunt localizate în nucleu, citoplasmă sau simultan în ambele compartimente. Mărimile acestor molecule variază de la 90 la 300 de nucleotide, conținutul lor este de 100.000-1000000 de copii pe celulă.

Particule nucleoproteine \u200b\u200bmici (adesea numite snurps) pot juca un rol semnificativ în reglarea expresiei genice. Particule de nucleoproteină de tip U7 sunt implicate aparent în formarea capetelor 3 ale ARNm-urilor histonice. Particulele sunt probabil necesare pentru poliadenilare, a - pentru îndepărtarea intronului și procesarea ARNm (vezi cap. 39). Tabel. 37.3. rezumă câteva caracteristici ale ARN-urilor stabile mici.

Tabelul 37.3. Unele tipuri de ARN stabil stabil se găsesc în celulele mamiferelor

REFERINȚE

Darnell J. și colab. Biologie moleculară celulară, Scientific American Books, 1986.

Hunt T. DNA face ca ARN să facă proteine, Elsevier, 1983. Lewin B. Genes, ediția a II-a, Wiley, 1985.

Rich A. și colab. Chimia și biologia ADN-ului Z stânga, Annu. Rev. Biochem., 1984, 53, 847.

Turner P. Controlling role for snurps, Nature, 1985, 316, 105. Watson J. D. The Double Helix, Atheneum, 1968.

Watson J. D., Crick F.H.C. Structura moleculară a acizilor nucleici. Nature, 1953, 171, 737.

Zieve G. W. Două grupuri de ARN-uri stabile mici, Cell, 1981, 25, 296.