Регуляция клеточного цикла осуществляется семейством циклин- зависимых протеинкиназ (Сdk – суclin-dependent kinases), которые фосфорилируют регуляторные белки. Молекула Сdk сама по себе неактивна, но активируется при присоединении специального белка циклина. Циклины не только активируют Сdk, но и обусловливают их специфичность к тем или другим белкам. Так Сdk1 после связывания с циклином В получает свойства митоз- стимулирующего фактора. Синтез циклинов регулируется многочисленными факторами роста, интерлейкинами, гормонами. Их действие начинается с присоединения к соответствующим рецепторам на клетке-мишени митогенактивированных и других протеинкиназ и завершается активацией генов раннего (FOS, JUN) и позднего ответа, включая гены циклинов. Ингибиторы пролиферации (фактор некроза опухоли, трансформирующий фактор роста и другие), наоборот, тормозят синтез циклинов и прекращают деление клеток. Клеточный цикл жестко контролируется. К делению допускаются лишь те клетки, которые успешно прошли так называемые контрольные точки. В этих точках идет проверка наличия двухцепочечных разрывов в ДНК, разрывов микротрубочек, незавершенной репликации хромосом, достаточности уровня нуклеотидов. В зависимости от результатов проверки выбирается один из трех вариантов поведения клетки: 1) переход к следующей стадии митотического цикла; 2) остановка на бегущей стадии для исправления повреждений; 3) запуск механизма самоуничтожения (апоптоза), если нарушение невозможно исправить.

Теломеры. На каждом конце хромосомы есть последовательности с многочисленными повторами (десятками и сотнями тысяч) -GGGTTA-, которые называются теломерами. Они играют важную роль в сохранении генетической информации. После завершения репликации 5’-концы дочерних цепей ДНК оказываются недорепликованными, потому что β-ДНК-полимераза, которая отвечает за заполнение пробелов между фрагментами Оказаки, не может осуществлять синтез в направлении 3’>5’ и несколько первых с 3’-конца нуклеотидов каждой цепи остаются недостроенными, а 5’-концы оказываются длиннее на это же количество нуклеотидов («острые концы»). Эти концы удаляют экзонуклеазы. В результате на каждый цикл репликации теломерные участки хромосом укорачиваются на 50-100 нуклеотидных пар. Это не сопровождается нарушением функций генома, ведь теломерные последовательности не несут генетической информации. Хотя укорачивание незначительно, однако за много серий репликаций хромосомы могли бы вообще исчезнуть.

1.Инициация. Репликация начинается с возникновения репликативной точки. Эта точка имеет специфическую последовательность богатую парами А-Т. К ней присоединяются специальные распознающие белки, которые обеспечивают присоединение хеликазы и топоизомеразы (гиразы) и запускают процесс репликации. Хеликаза расплетает ДНК на две цепи. Образуется репликативная вилка. Молекула ДНК жестко закреплена на ядерном матриксе и не может свободно вращаться при расплетании какого-либо участка. Это блокирует продвижение хеликазы по цепи. Топоизомераза надрезает нити ДНК и снимает структурное напряжение.

В одной репликативной вилке действуют две хеликазы, которые движутся в противоположных направлениях. Разделенные цепи фиксируются ДНК- связывающими белками. Участки формирования репликативной вилки называются «точками ori» (origin - начало). У эукариот одновременно образуется тысячи таких вилок, что обеспечивает высокую скорость репликации

Репликация - это процесс удвоения ДНК, или синтез дочерней ДНК на матрице ДНК. В период подготовки к митозу происходит удвоение ДНК и в S-фазе клетка имеет диплоидний набор генетического материала, а каждая хромосома содержит две идентичные молекулы ДНК. Особенности репликации ДНК:

1. Субстраты синтеза дезоксинуклеозидтрифосфаты, хотя мономеры ДНК - дезоксинуклеозидмонофосфаты. При репликации от каждого трифосфата отщепляется пирофосфат; т.е. дезоксинуклеозидтрифосфаты также выполняют роль источников энергии. 2. Матрицами синтеза дочерней ДНК служат обе цепи материнской ДНК. Согласно полуконсервативного механизма репликации, в каждой из образовавшихся дочерних молекул ДНК одна цепь - материнская, а вторая - вновь синтезированная. 3.

Образование цепей дочерних ДНК происходит по принципу комплементарности к материнской цепи. 4.Продолжение цепи ДНК происходит в направлении от 5’- к 3’-концу: каждый новый нуклеотид присоединяется лишь к 3’-концу растущей цепи; 5. У еукариот удвоение ДНК осуществляется во многих местах, то есть одновременно существует много точек начала репликации; 6. Образованию каждого фрагмента, как длинного, так и короткого, предшествует синтез короткой последовательности (10-15 нуклеотидов) РНК-затравки, которая потом заменяется на последовательности нуклеотидов ДНК.

Ядро - наибольшая органелла клетки, окруженная двойной мембраной спорами, которые обеспечивают как выход в цитоплазму мРНК и других компонентов, так и поступление в ядро рибосомных белков, нуклеотидов, регуляторов и т.д. Содержимое ядра (нуклеоплазма) содержит хроматин и ядрышко. Хроматин окрашивается определенными красителями и содержит ДНК, связанную с гистонами и небольшим количеством кислых негистоновых белков и РНК. Хроматин ядра на электронных фотографиях напоминает нить ожерелья с отдельными бусинками (нуклеосомы). При делении хроматин конденсируется, приобретая форму хромосом. В интерфазном ядре хромосомы незаметны, а воспринимаются как хроматин. Часть хроматина (гетерохроматин) плотная, хорошо окрашивается и функционально неактивна. Другая часть (эухроматин), имеет рыхлую форму, и в ней происходят процессы считывания информации.

Ядрышко – это структура, в которой происходит синтез рибосомной РНК.

Содержит много ДНК и РНК и особенный участок, имеющий большое число копий генов, которые кодируют рРНК. В ядрышке начинается сбор рибосом, который завершается в цитоплазме.

Генная инженерия - это совокупность технологий выделения генов из клеток, получение рекомбинантных ДНК и РНК, осуществление манипуляций с генетическим материалом, введение генов в другие организмы. Важным заданием генной инженерии является получение новых генотипов (и фенотипов) путем трансплантации гена одного организма в генотип другого. На этом пути достигнуты определенные успехи. Созданы причудливые формы микроорганизмов, которые включают в себя гены необходимых для человека белковых продуктов и которые используются как промышленные продуценты – интерферона, инсулина, вакцин против гепатита В и т.д. Развивается генная терапия – трансплантация генов для лечения заболеваний.

Технология трансплантации генов состоит из нескольких этапов.

1. Получение необходимого гена. Короткие гены получают химическим синтезом из нуклеотидов, а можно выделить из генома клетки (что сложно). Другой способ - это конструирование гена на мРНК с применением обратной транскриптазы (фермента репликации ретровирусов). Для этого из тканей выделяют мРНК, которая кодирует определенный белок, и синтезируют на этой мРНК необходимую комплементарную ДНК (кДНК).

Вирусы содержат лишь один вид нуклеиновых кислот – ДНК или РНК.

Вирусная ДНК может быть одно- или двухцепочечной и иметь линейную или кольцевую форму. Вирусные нуклеиновые кислоты кодируют специфические для вирусов белки и ферменты, необходимые для репликации вируса в клетке хозяина.

Репликация ДНК-содержащих вирусов идет по общему для всех ДНК полуконсервативному механизму. На матрице вирусной ДНК сначала синтезируется мРНК, а дальше идет образование вирусных белков. Этот процесс полностью обеспечивается метаболическим аппаратом клетки-хозяина.

Репликация РНК-содержащих вирусов происходит двумя путями. Первый идет при участии РНК-зависимой РНК-полимеразы (РНК-синтазы или РНК- репликазы). Он присущ вирусам гриппа, кори. Различают вирусы, содержащие (+) - РНК цепь (плюс-цепь), которая служит как мРНК, так и геномом, и вирусы, содержащие (-) РНК цепь (минус-цепь), которая служит лишь геномом. Существуют также вирусы, которые содержат двухцепочечную РНК.

Третичная структура ДНК. В клетках ДНК образует суперспирали, что обеспечивает компактность ее упаковки. ДНК длиной до 4 см располагается в хромосоме размером до 5 нм. Длина ДНК уменьшается в 100 тысяч раз. Третичная структура ДНК эукариот формируется путем взаимодействия с ядерными белками и на определенном этапе клеточного цикла приобретает форму хромосом.



Физико-химические свойства ДНК. Благодаря наличию фосфатных групп молекулы ДНК и РНК имеют кислотные свойства. Они полианионы, поскольку несут отрицательные заряды. НК легко образуют комплексы с катионами Са2+, Mg2+, Zn2+ и др, с основными белками (гистоны, протамины. Растворы ДНК имеют высокую вязкость, величина которой зависит от конформации молекул. Денатурация ДНК

Пострансляционная регуляция связана с регуляцией транспорта, дозревания и активности белков – продуктов генов. Активность белков регулируется на уровне фолдинга посттрансляцийной модификации (фосфорилирование/- дефосфорилирование и другие реакции), процессов деградации белков убиквитиновой системой и т.д.

Недавно было открыто явление сплайсинга белков (подобно сплайсингу пре-мРНК). В процессе сплайсинга происходит вырезание из внутренней части синтезированной полипептидной цепи короткой аминокислотной последовательности (интерна) со следующим сшиванием внешних N- и С- частей (экстернов). Этот процесс происходит автокаталитично при участии гидроксигрупп серина.

Вторичная структура ДНК отображает пространственную организацию ее цепи. Молекула ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей, закрученных вправо с образованием двойной спирали диаметром до 2 нм.

Эти цепи антипараллельны друг другу: в одной цепи направление соединения нуклеотидов определяется как 5’> 3’, а в другом как 3’ > 5’. Две цепи ДНК являются комплементарными (дополняющими), поскольку между азотистыми основаниями цепей образуются поперечные водородные связи. Существуют комплементарные пары – аденин-тимин (2 водородные связи) и гуанин-цитозин (3 связи). Площади, которые занимают пары комплементарных оснований, приблизительно одинаковы. Этим объясняется постоянный диаметр спирали.

Причиной комплементарности оснований является совпадение углов, по которым основания присоединяются к пентозофосфатным остаткам ДНК. Это обеспечивает максимальное сближение между собой пар – аденин-тимин и гуанин – цитозин.

Комплементарность оснований открыл Чаргафф, который сформулировал такие правила:

1. Количество пуриновых оснований равно количеству пиримидиновых (А + Г = Ц + Т)

2. Количество аденина равно количеству тимина, а гуанину - цитозина (А = Т; Г = Ц).

Основным механизмом контроля за процессом трансляции является

фосфорилирование факторов трансляции. Так, фактор инициации eIF2 при фосфорилировании теряет активность, а при дефосфорилировании - приобретает. В свою очередь процессы фосфорилирования-/дефосфорилирования катализируются протеинкиназами/протеинфосфатазами, активность которых контролируется циклическими нуклеотидами, гормонами и другими регуляторами.

Второй способ регуляции - дискриминация мРНК. Существуют «сильные» и «слабые» мРНК. Сильные мРНК имеют большее сродство к инициирующей рибосоме и факторам инициации, поэтому их трансляция идет эффективнее.

К третьему принадлежит блокировка трансляции белками-репрессорами, в качестве которых часто выступает сам продукт трансляции. Таким образом избыточные количества синтезированного белка тормозят свое же образование.

1. Сохранение наследственной информации. Количество ДНК в соматических и половых клетках является постоянной величиной для данного вида организмов и воспроизводится в поколениях. ДНК содержит не только информацию о структуре всех белков и РНК в организме, но и порядок реализации этой информации в процессе онтогенеза и при различных функциональных состояниях. Все соматические клетки организма несмотря на сильные структурные и функциональные отличия между клетками, содержат в своих ДНК одну и ту же генетическую информацию.

2. Передача наследственной информации потомкам. Удвоение молекул ДНК при репликации и передача потомкам копий материнской ДНК является основой сохранения основных биологических признаков вида. При репликации материнская ДНК служит матрицей для синтеза ДНК дочерней клетки.

3. Реализация генетической информации. Эта функция реализуется за счет передачи закодированной в ДНК информации на молекулы белков, которые выполняют необходимые для жизни клетки операции. В этом случае ДНК является матрицей для синтеза РНК, а РНК – матрицей при синтезе белков (центральная догма молекулярной биологии).