В основе передачи и реализации наследственной информации лежат реакции матричного синтеза. Их всего три: репликация ДНК, транскрипция и трансляция. Все эти реакции относятся к реакциям пластического обмена, требуют затрат энергии и участия ферментов.

Репликация.

Репликация – самоудвоение молекул ДНК – лежит в основе передачи наследственной информации из поколения в поколение. В результате репликации одной материнской молекулы ДНК образуются две дочерние, каждая из которых представляет собой двойную спираль, в которой одна нить ДНК – материнская, а другая вновь – синтезированная. Для репликации необходимы различные ферменты, нуклеотиды и энергия.

С помощью особых ферментов разрываются водородные связи, соединяющие комплементарные основания двух цепей материнской ДНК. Нити ДНК расходятся. Молекулы фермента ДНК-полимеразы движутся вдоль материнских цепей ДНК и последовательно соединяют нуклеотиды, формируя дочерние цепи ДНК. Процесс присоединения нуклеотидов идет по принципу комплементарности. В результате формируются две молекулы ДНК идентичные материнской и друг другу.

Биосинтез белка.

Биосинтез белка, т.е. процесс реализации наследственной информации, протекает в два этапа. На первом этапе информация о первичной структуре белка переписывается с ДНК на иРНК. Этот процесс называется транскрипцией. Второй этап – трансляция – происходит на рибосомах. В ходе трансляции происходит синтез белка из аминокислот в соответствии с последовательностью записанной в иРНК, т.е. последовательность нуклеотидов переводится в последовательность аминокислот. Таким образом, процесс реализации наследственной информации можно выразить схемой:

ДНК → иРНК → белок → свойство, признак

Транскрипция – синтез информационной РНК на матрице ДНК. Данный процесс происходит там, где есть ДНК. У эукариот транскрипция происходит в ядре, митохондриях и хлоропластах (у растений), а у прокариот непосредственно в цитоплазме. При транскрипции молекула ДНК является матрицей, а иРНК продуктом реакции.

Транскрипция начинается с разделения цепей ДНК, которое происходит также как при репликации (водородные связи разрываются с помощью ферментов). Затем фермент РНК-полимераза последовательно по принципу комплементарности соединяет нуклеотиды в цепь, синтезируя молекулу иРНК. Образовавшаяся молекула иРНК отделяется и направляется в цитоплазму «на поиски» рибосомы.

Синтез белка на рибосомах называется трансляцией . Трансляция у эукариот происходит на рибосомах, которые находятся в цитоплазме, на поверхности ЭПС, в митохондриях и в хлоропластах (у растений), а у прокариот на рибосомах в цитоплазме. В трансляции участвуют иРНК, тРНК, рибосомы, аминокислоты, молекулы АТФ, ферменты.

· Аминокислоты служат материалом для синтеза молекулы белка.

· АТФ является источником энергии для соединения аминокислот друг с другом.

· Ферменты участвуют в присоединении аминокислот к тРНК и в соединении аминокислот друг с другом.

· Рибосомы состоят из молекул рРНК и белка, формирующих активный центр, в котором и происходят основные события трансляции.

· Информационная РНК в данном случае является матрицей для синтеза молекулы белка. Триплеты иРНК, каждый из которых кодирует какую-то аминокислоту, называются кодонами .

· Транспортные РНК подносят аминокислоты к рибосомам и участвуют в переводе последовательности нуклеотидов в последовательность аминокислот. Транспортные РНК, как и другие виды РНК, синтезируются на матрице ДНК. Они имеют вид клеверного листа (рис. 28.3). Три нуклеотида, расположенные на вершине центральной петли молекулы тРНК образуют антикодон .

Ход трансляции.

Трансляция начинается со связывания иРНК с рибосомой. Рибосома движется по иРНК, каждый раз перемещаясь на один триплет. В активном центре рибосомы могут одновременно находиться два триплета (кодона) иРНК. К каждому из этих кодонов подходит тРНК, имеющая комплементарный антикодон и несущая определенную аминокислоту. Между кодонами и антикодонами образуются водородные связи, удерживающие тРНК в активном центре. В это время образуется пептидная связь между аминокислотами. Растущая полипептидная цепь «подвешивается» на тРНК, которая вошла в активный центр последней. Рибосома продвигается на один триплет вперед, в результате чего в активном центре оказывается новый кодон и соответствующая тРНК. Освободившаяся тРНК отделяется от иРНК и отправляется за новой аминокислотой.

Нуклеиновые кислоты.

Впервые нуклеиновые кислоты (НК) были обнаружены в 1869 г. швейцарским биохимиком Фридрихом Мишером.

НК - это линейные неразветвленные гетерополимеры, мономерами которых являются нуклеотиды, связанные фосфодиэфирными связями.

Нуклеотид состоит из:

азотистого основания

Пуриновые (аденин (А) и гуанин (Г) - их молекулы состоят из 2-х колец: 5-ти и 6-ти членного),

Пиримидиновые (цитозин (Ц), тимин (Т) и урацил (У) – одно шестичленное кольцо);

углевода (5-ти углеродное сахарное кольцо): рибоза или дезоксирибоза;

остатка фосфорной кислоты.

Существует 2 типа НК: ДНК и РНК. НК обеспечивают хранение, воспроизведение и реализацию генетической (наследственной) информации. Эта информация закодирована в виде нуклеотидных последовательностей. Последовательность нуклеотидов отражает первичную структуру белков. Соответствие между аминокислотами и кодирующими их нуклеотидными последовательностями называется генетическим кодом . Единицей генетического кода ДНК и РНК является триплет – последовательность из трех нуклеотидов.

Виды азотистых оснований	А, Г, Ц, Т	А, Г, Ц, У
Виды пентоз	β,D-2-дезоксирибоза	β,D-рибоза
Вторичная структура	Регулярная, состоит из 2-х комплементарных цепей	Нерегулярная, некоторые участки одной цепи образуют двойную спираль
Молекулярная масса (число нуклеотидных звеньев в первичной цепи) или от 250 до 1,2х10 5 kDa (килодальтон)	Порядка тысяч, миллионов	Порядка десятков и сотен
Локализация в клетке	Ядро, митохондрии, хлоропласты, центриоли	Ядрышко, цитоплазма, рибосомы, митохондрии и пластиды
	Хранение, передача и воспроизведение в ряду поколений наследственной информации	Реализация наследственной информации

ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) – это нуклеиновая кислота, мономерами которой являются дезоксирибонуклеотиды; это материнский носитель генетической информации. Т.е. вся информация о структуре, функционировании и развитии отдельных клеток и целостного организма записана в виде нуклеотидных последовательностей ДНК.

Первичная структура ДНК – одноцепочечная молекула (фаги).

Дальнейшая укладка макромолекулы полимера называется вторичной структурой. В 1953 г. Джеймс Уотсона и Френсис Крик открыли вторичную структуру ДНК – двойную спираль. В этой спирали фосфатные группировки находятся снаружи спиралей, а основания – внутри и расположены с интервалом 0,34 нм. Цепи удерживаются вместе водородными связями между основаниями и закручены одна вокруг другой и вокруг общей оси.

Основания в антипараллельных нитях за счет водородных связей образуют комплементарные (взаимодополняемые) пары: А= Т (2 связи) и Г≡ Ц (3 связи).

Явление комплементарности в строении ДНК в 1951 г. обнаружил Эрвин Чаргафф.

Правило Чаргаффа: число пуриновых оснований всегда равно числу пиримидиновых (А+Г)=(Т+Ц).

Третичная структура ДНК – это дальнейшая укладка двуцепочечной молекулы в петли, благодаря водородным связям между соседними витками спирали (суперспирализация).

Четвертичная структура ДНК – это хроматиды (2 нити хромосомы).

Рентгенограммы волокон ДНК, впервые полученные Моррисом Уилкинсом и Розалиндой Франклин, указывают на то, что молекула обладает спиральной структурой и содержит более одной полинуклеотидной цепи.

Существует несколько семейств ДНК: А, В, С, D, Z–формы. В клетках обычно встречается В–форма. Все формы, кроме Z, правозакрученные спирали.

Репликация (самоудвоение) ДНК – это один из важнейших биологических процессов, обеспечивающих воспроизведение генетической информации. Репликация начинается с разделения двух комплементарных цепей. Каждая цепь используется в качестве матрицы для образования новой молекулы ДНК. В процессе синтеза ДНК участвуют ферменты. Каждая из двух дочерних молекул обязательно включает одну старую спираль и одну новую. Новая молекула ДНК абсолютно идентична старой по последовательности нуклеотидов. Такой способ репликации обеспечивает точное воспроизведение в дочерних молекулах той информации, которая была записана в материнской молекуле ДНК.

В результате репликации одной молекулы ДНК образуется две новые молекулы, которые являются точной копией исходной молекулы – матрицы . Каждая новая молекула состоит из двух цепей – одной из родительских и одной из сестринских. Такой механизм репликации ДНК называется полуконсервативным .

Реакции, в которых одна молекула гетерополимера служит матрицей (формой) для синтеза другой молекулы гетерополимера с комплементарной структурой, называются реакциями матричного типа . Если в ходе реакции образуются молекулы того же вещества, которое служит матрицей, то реакция называется автокаталитической . Если же в ходе реакции на матрице одного вещества образуются молекулы другого вещества, то такая реакция называется гетерокаталитической . Таким образом, репликация ДНК (т.е. синтез ДНК на матрице ДНК) является автокаталитической реакцией матричного синтеза.

К реакциям матричного типа относятся:

Репликация ДНК (синтез ДНК на матрице ДНК),

Транскрипция ДНК (синтез РНК на матрице ДНК),

Трансляция РНК (синтез белков на матрице РНК).

Однако существуют и другие реакции матричного типа, например, синтез РНК на матрице РНК и синтез ДНК на матрице РНК. Два последних типа реакций наблюдаются при заражении клетки определенными вирусами. Синтез ДНК на матрице РНК (обратная транскрипция ) широко используется в генной инженерии.

Все матричные процессы состоят из трех этапов: инициации (начала), элонгации (продолжения) и терминации (окончания).

Репликация ДНК – это сложный процесс, в котором принимает участие несколько десятков ферментов. К важнейшим из них относятся ДНК-полимеразы (несколько типов), праймазы, топоизомеразы, лигазы и другие. Главная проблема при репликации ДНК заключается в том, что в разных цепях одной молекулы остатки фосфорной кислоты направлены в разные стороны, но наращивание цепей может происходить только с того конца, который заканчивается группой ОН. Поэтому в реплицируемом участке, который называется вилкой репликации , процесс репликации протекает на разных цепях по-разному. На одной из цепей, которая называется ведущей, происходит непрерывный синтез ДНК на матрице ДНК. На другой цепи, которая называется запаздывающей, вначале происходит связывание праймера – специфического фрагмента РНК. Праймер служит затравкой для синтеза фрагмента ДНК, который называется фрагментом Оказаки . В дальнейшем праймер удаляется, а фрагменты Оказаки сшиваются между собой в единую нить фермента ДНК–лигазы. Репликация ДНК сопровождается репарацией – исправлением ошибок, неизбежно возникающих при репликации. Существует множество механизмов репарации.

Репликация происходит перед делением клетки. Благодаря этой способности ДНК осуществляется передача наследственной информации от материнской клетки дочерним.

РНК (рибонуклеиновая кислота) – это нуклеиновая кислота, мономерами которой являются рибонуклеотиды.

В пределах одной молекулы РНК имеется несколько участков, которые комплементарны друг другу. Между такими комплементарными участками образуются водородные связи. В результате в одной молекуле РНК чередуются двуспиральные и односпиральные структуры, и общая конформация молекулы напоминает клеверный лист.

Азотистые основания, входящие в состав РНК, способны образовывать водородные связи с комплементарными основаниями и ДНК, и РНК. При этом азотистые основания образуют пары А=У, А=Т и Г≡Ц. Благодаря этому возможна передача информации от ДНК к РНК, от РНК к ДНК и от РНК к белкам.

В клетках обнаруживается три основных типа РНК, выполняющих различные функции:

1. Информационная , или матричная РНК (иРНК, или мРНК). Функция: матрица белкового синтеза. Составляет 5% клеточной РНК. Передает генетической информации от ДНК на рибосомы при биосинтезе белка. В эукариотических клетках иРНК (мРНК) стабилизирована с помощью специфических белков. Это делает возможным продолжение биосинтеза белка даже в том случае, если ядро неактивно.

мРНК представляет собой линейную цепь с несколькими областями с разной функциональной ролью:

а) на 5"-конце находится кэп («колпачок») – защищает мРНК от экзонуклеаз,

б) за ним идет нетранслируемый участок, комплементарный отделу рРНК, которая входит в малую субъединицу рибосомы,

в) трансляция (считывание) мРНК начинается с инициирующего кодона АУГ, кодирующего метионин,

г) за инициирующим кодоном следует кодирующая часть, которая содержит информацию о последовательности аминокислот в белке.

2. Рибосомная , или рибосомальная РНК (рРНК). Составляет 85% клеточной РНК. В соединении с белком входит в состав рибосом, определяет форму большой и малой рибосомных субъединиц (50-60S- и 30-40S-субъединиц). Принимают участие в трансляции – считывании информации с иРНК в синтезе белка.

Субъединицы и входящие в них рРНК принято обозначать по их константе седиментации. S - коэффициент седиментации, единицы Сведберга. Величина S характеризует скорость оседания частиц при ультрацентрифугировании и пропорциональна их молекулярной массе. (Так, например, рРНК прокариот с коэффициентом седиментации 16 единиц Сведберга обозначается как 16S рРНК).

Т.о., выделяют несколько видов рРНК, различающихся по длине полинуклеотидной цепи, массе и локализации в рибосомах: 23-28S, 16-18S, 5S и 5,8S. И прокариотическая, и эукариотическая рибосомы содержат 2 различные высокополимерные РНК, по одной на каждую субъединицу, и одну низкомолекулярную РНК - 5S РНК. Эукариотические рибосомы также содержат и низкомолекулярную 5,8S РНК. Н-р, у прокариот синтез 23S, 16S и 5S рРНК, у эукариот - 18S, 28S, 5S и 5,8S.

80S-рибосома (эукариотическая)

Малая 40S субъединица Большая 60S субъединица

18SрРНК (~2000 нуклеотидов), - 28SрРНК (~4000 н.),

5,8SрРНК (~155 н.),

5SрРНК (~121 н.),

~30 белков. ~45 белков.

70S-рибосома (прокариотическая)

Малая 30S субъединица Большая 50S субъединица

16SрРНК, - 23SрРНК,

~20 белков. ~30 белков.

Большая молекула высокополимерной рРНК (константа седиментации 23-28S, локализована в 50-60S субъединицах рибосом.

Малая молекула высокополимерной рРНК (константа седиментации 16-18S, локализована в 30-40S субъединицах рибосом.

Во всех без исключения рибосомах присутствует низкополимерная 5S рРНК, локализована в 50-60S субъединицах рибосом.

Низкополимерная рРНК с константой седиментации 5,8S характерна только для эукариотических рибосом.

Т.о., в состав рибосом входит три типа рРНК у прокариот и четыре типа рРНК у эукариот.

Первичная структура рРНК - одна полирибонуклеотидная цепь.

Вторичная структура рРНК – спирализация самой на себя полирибонуклеотидной цепи (отдельные участки цепи РНК образуют спирализованные петли – «шпильки»).

Третичная структура высокополимерных рРНК - взаимодействия спирализованных элементов вторичной структуры.

3. Транспортная РНК (тРНК). Составляет 10% клеточной РНК. Переносит аминокислоту к месту синтеза белка, т.е. к рибосомам. Для каждой аминокислоты имеется своя тРНК.

Первичная структура тРНК – одна полирибонуклеотидная цепь.

Вторичная структура тРНК – модель «клеверный лист», в этой структуре 4 двухцепочечных и 5 одноцепочечных участков.

Третичная структура тРНК – стабильная, молекула сворачивается в Г-образную структуру (2 почти перпендикулярных друг другу спирали).

Все типы РНК образуются в результате реакций матричного синтеза. В большинстве случаев матрицей служит одна из цепей ДНК. Таким образом, биосинтез РНК на матрице ДНК является гетерокаталитической реакцией матричного типа. Этот процесс называется транскрипцией и контролируется определенными ферментами – РНК–полимеразами (транскриптазами).

Синтез РНК (транскрипция ДНК) заключается в переписывании информации с ДНК на мРНК.

Отличия синтеза РНК от синтеза ДНК:

Асимметричность процесса: в качестве матрицы используется лишь одна цепь ДНК.

Консервативность процесса: молекула ДНК по окончании синтеза РНК возвращается в исходное состояние. При синтезе ДНК молекулы наполовину обновляются, что делает репликацию полуконсервативной.

Синтез РНК не требует для своего начала никакой затравки, а при репликации ДНК необходима РНК-затравка.

Это особая категория химических реакций, происходящих в клетках живых организмов. Во время этих реакций происходит синтез полимерных молекул по плану, заложенному в структуре других полимерных молекул-матриц. На одной матрице может быть синтезировано неограниченное количество молекул-копий. К этой категории реакций относятся репликация, транскрипция, трансляция и обратная транскрипция.

Конец работы -

Эта тема принадлежит разделу:

Строение и функции нуклеиновых кислот АТФ

К нуклеиновым кислотам относят высокополимерные соединения распадающиеся при гидролизе на пуриновые и пиримидиновые основания пентозу и фосфорную.. клеточная теория типы клеточной.. эукариотическая клетка строение и функции органоидов..

Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ:

Что будем делать с полученным материалом:

Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:

Твитнуть

Все темы данного раздела:

Строение и функции ДНК
ДНК - полимер, мономерами которой являются дезоксирибонуклеотиды. Модель пространственного строения молекулы ДНК в виде двойной спирали была предложена в 1953 г. Дж. Уотсоном и Ф.

Репликация (редупликация) ДНК
Репликация ДНК - процесс самоудвоения, главное свойство молекулы ДНК. Репликация относится к категории реакций матричного синтеза, идет с участием ферментов. Под действием ферменто

Строение и функции РНК
РНК - полимер, мономерами которой являются рибонуклеотиды. В отличие от ДНК,

Строение и функции АТФ
Аденозинтрифосфорная кислота (АТФ) - универсальный источник и основной аккумулятор энергии в живых клетках. АТФ содержится во всех клетках растений и животных. Количество АТФ в сре

Создание и основные положения клеточной теории
Клеточная теория - важнейшее биологическое обобщение, согласно которому все живые организмы состоят из клеток. Изучение клеток стало возможным после изобретения микроскопа. Впервые

Типы клеточной организации
Выделяют два типа клеточной организации: 1) прокариотический, 2) эукариотический. Общим для клеток обоих типов является то, что клетки ограничены оболочкой, внутреннее содержимое представлено цитоп

Эндоплазматическая сеть
Эндоплазматическая сеть (ЭПС), или эндоплазматический ретикулум (ЭПР), - одномембранный органоид. Представляет собой систему мембран, формирующих «цистерны» и кана

Аппарат Гольджи
Аппарат Гольджи, или комплекс Гольджи, - одномембранный органоид. Представляет собой стопки уплощенных «цистерн» с расширенными краями. С ними связана система мелк

Лизосомы
Лизосомы - одномембранные органоиды. Представляют собой мелкие пузырьки (диаметр от 0,2 до 0,8 мкм), содержащие набор гидролитических ферментов. Ферменты синтезируются на шероховат

Вакуоли
Вакуоли - одномембранные органоиды, представляют собой «емкости», заполненные водными растворами органических и неорганических веществ. В образовании вакуолей принимают участие ЭПС

Митохондрии
Строение митохондрии: 1 - наружная мембрана; 2 - внутренняя мембрана; 3 - матрикс; 4

Пластиды
Строение пластид: 1 - наружная мембрана; 2 - внутренняя мембрана; 3 - строма; 4 - тилакоид; 5

Рибосомы
Строение рибосомы: 1 - большая субъединица; 2 - малая субъединица. Рибос

Цитоскелет
Цитоскелет образован микротрубочками и микрофиламентами. Микротрубочки - цилиндрические неразветвленные структуры. Длина микротрубочек колеблется от 100 мкм до 1 мм, диаметр состав

Клеточный центр
Клеточный центр включает в себя две центриоли и центросферу. Центриоль представляет собой цилиндр, стенка которого образована девятью группами из т

Органоиды движения
Присутствуют не во всех клетках. К органоидам движения относятся реснички (инфузории, эпителий дыхательных путей), жгутики (жгутиконосцы, сперматозоиды), ложноножки (корненожки, лейкоциты), миофибр

Строение и функции ядра
Как правило, эукариотическая клетка имеет одно ядро, но встречаются двуядерные (инфузории) и многоядерные клетки (опалина). Некоторые высоко­специализи­рованные клетки вторично утр

Хромосомы
Хромосомы - это цитологические палочковидные структуры, представляющие собой конденсированный

Обмен веществ
Обмен веществ - важнейшее свойство живых организмов. Совокупность реакций обмена веществ, протекающих в организме, называется метаболизмом. Метаболизм состоит из р

Биосинтез белков
Биосинтез белков является важнейшим процессом анаболизма. Все признаки, свойства и функции клеток и организмов определяются в конечном итоге белками. Белки недолговечны, время их существования огра

Генетический код и его свойства
Генетический код - система записи информации о последовательности аминокислот в полипептиде последовательностью нуклеотидов ДНК или РНК. В настоящее время эта система записи считае

Строение гена эукариот
Ген - участок молекулы ДНК, кодирующий первичную последовательность аминокислот в полипептиде или последовательность нуклеотидов в молекулах транспортных и рибосомных РНК. ДНК одно

Транскрипция у эукариот
Транскрипция - синтез РНК на матрице ДНК. Осуществляется ферментом РНК-полимеразой. РНК-полимераза может присоединиться только к промотору, который находится на 3"-конце матричной цепи ДНК

Трансляция
Трансляция - синтез полипептидной цепи на матрице иРНК. Органоиды, обеспечивающие трансляцию, - рибосомы. У эукариот рибосомы находятся в некоторых органоидах - митохондриях и пластидах (7

Митотический цикл. Митоз
Митоз - основной способ деления эукариотических клеток, при котором сначала происходит удвоение, а затем равномерное распределение между дочерними клетками наследственного материал

Мутации
Мутации - это стойкие внезапно возникшие изменения структуры наследственного материала на различных уровнях его организации, приводящие к изменению тех или иных признаков организма

Генные мутации
Генные мутации - изменения структуры генов. Поскольку ген представляет собой участок молекулы ДНК, то генная мутация представляет собой изменения в нуклеотидном составе этого участ

Хромосомные мутации
Это изменения структуры хромосом. Перестройки могут осуществляться как в пределах одной хромосомы - внутрихромосомные мутации (делеция, инверсия, дупликация, инсерция), так и между хромосомами - ме

Геномные мутации
Геномной мутацией называется изменение числа хромосом. Геномные мутации возникают в результате нарушения нормального хода митоза или мейоза. Гаплоидия - у

В обмене веществ организма ведущая роль принадлежит белкам и нуклеиновым кислотам.

Белковые вещества составляют основу всех жизненно важных структур клетки, обладают необычайно высокой реакционной способностью, наделены каталитическими функциями.

Нуклеиновые кислоты входят в состав важнейшего органа клетки - ядра, а также цитоплазмы, рибосом, митохондрий и т. д. Нуклеиновые кислоты играют важную, первостепенную роль в наследственности, изменчивости организма, в синтезе белка.

План синтеза белка хранится в ядре клетки, а непосредственно синтез происходит вне ядра, поэтому необходима помощь для доставки закодированного плана из ядра к месту синтеза. Такую помощь оказывают молекулы РНК.

Процесс начинается в ядре клетки: раскручивается и открывается часть «лестницы» ДНК. Благодаря этому буквы РНК образуют связи с открытыми буквами ДНК одной из нитей ДНК. Фермент переносит буквы РНК, чтобы соединить их в нить. Так буквы ДНК «переписываются» в буквы РНК. Новообразованная цепочка РНК отделяется, и «лестница» ДНК снова закручивается.

После дальнейших изменений этот вид закодированной РНК готов.

РНК выходит из ядра и направляется к месту синтеза белка, где буквы РНК расшифровываются. Каждый набор из трех букв РНК образует «слово», обозначающее одну конкретную аминокислоту.

Другой вид РНК отыскивает эту аминокислоту, захватывает ее с помощью фермента и доставляет к месту синтеза белка. По мере прочтения и перевода сообщения РНК цепочка аминокислот растет. Эта цепочка закручивается и укладывается в уникальную форму, создавая один вид белка.
Примечателен даже процесс укладки белка: на то, чтобы с помощью компьютера просчитать все возможности укладки белка среднего размера, состоящего из 100 аминокислот, потребовалось бы 10 27 лет. А для образования в организме цепочки из 20 аминокислот требуется не более одной секунды - и этот процесс происходит непрерывно во всех клетках тела.

Гены, генетический код и его свойства .

На Земле живет около 7 млрд людей. Если не считать 25-30 млн пар однояйцовых близнецов, то генетически все люди разные : каждый уникален, обладает неповторимыми наследственными особенностями, свойствами характера, способностями, темпераментом.

Такие различия объясняются различиями в генотипах -наборах генов организма; у каждого он уникален. Генетические признаки конкретного организма воплощаются в белках - следовательно, и строение белка одного человека отличается, хотя и совсем немного, от белка другого человека.

Это не означает , что у людей не встречается совершенно одинаковых белков. Белки, выполняющие одни и те же функции, могут быть одинаковыми или совсем незначительно отличаться одной-двумя аминокислотами друг от друга. Но не существует на Земле людей (за исключением однояйцовых близнецов), у которых все белки были бы одинаковы.

Информация о первичной структуре белка закодирована в виде последовательности нуклеотидов в участке молекулы ДНК – гене – единице наследственной информации организма. Каждая молекула ДНК содержит множество генов. Совокупность всех генов организма составляет его генотип .

Кодирование наследственной информации происходит с помощью генетического кода , который универсален для всех организмов и отличается лишь чередованием нуклеотидов, образующих гены, и кодирующих белки конкретных организмов.

Генетический код состоит из троек (триплетов) нуклеотидов ДНК, комбинирующихся в разной последовательности (ААТ, ГЦА, АЦГ, ТГЦ и т.д.), каждый из которых кодирует определенную аминокислоту (которая будет встроена в полипептидную цепь).

Аминокислот 20 , а возможностей для комбинаций четырех нуклеотидов в группы по три – 64 четырех нуклеотидов вполне достаточно, чтобы кодировать 20 аминокислот

поэтому одна аминокислота может кодироваться несколькими триплетами .

Часть триплетов вовсе не кодирует аминокислоты, а запускает или останавливает биосинтез белка.

Собственно кодом считается последовательность нуклеотидов в молекуле и-РНК , т.к. она снимает информацию с ДНК (процесс транскрипции ) и переводит ее в последовательность аминокислот в молекулах синтезируемых белков (процесс трансляции ).

В состав и-РНК входят нуклеотиды АЦГУ, триплеты которых называются кодонами: триплет на ДНК ЦГТ на и-РНК станет триплетом ГЦА, а триплет ДНК ААГ станет триплетом УУЦ.

Именно кодонами и-РНК отражается генетический код в записи.

Таким образом, генетический код - единая система записи наследственной ин­формации в молекулах нуклеиновых кислот в виде последова­тельности нуклеотидов. Генетический код основан на использо­вании алфавита, состоящего всего из четырех букв-нуклеотидов, отличающихся азотистыми основаниями: А, Т, Г, Ц.

Основные свойства генетического кода :

1. Генетический код триплетен. Триплет (кодон) - последовательность трех нуклеотидов, кодирующая одну аминокислоту. Поскольку в состав бел­ков входит 20 аминокислот, то очевидно, что каждая из них не может кодироваться одним нуклеотидом (поскольку в ДНК всего четыре типа нуклеотидов, то в этом случае 16 аминокислот оста­ются незакодированными). Двух нуклеотидов для кодирования аминокислот также не хватает, поскольку в этом случае могут быть закодированы только 16 аминокислот. Значит, наименьшее число нуклеотидов, кодирующих одну аминокислоту, оказыва­ется равным трем. (В этом случае число возможных триплетов нуклеотидов составляет 4 3 = 64).

2. Избыточность (вырожденность) кода является следствием его триплетности и означает то, что одна аминокислота может кодироваться несколькими трип­летами (поскольку аминокислот 20, а триплетов - 64), за исключением метионина и триптофана, которые кодируются только одним триплетом. Кроме того, некоторые триплеты вы­полняют специфические функции: в молекуле иРНК триплеты УАА, УАГ, УГА - являются терминирующими кодонами, т. е. стоп-сигналами, прекращающими синтез полипептидной цепи. Триплет, соответствующий метионину (АУГ), стоящий в начале цепи ДНК, не кодирует аминокислоту, а выполняет функцию инициирования (возбуждения) считывания.

3. Одно­временно с избыточностью коду присуще свойство однозначнос­ти : каждому кодону соответствует только одна определенная аминокислота.

4. Код коллинеарен, т.е. по­следовательность нуклеотидов в гене точно соответствует после­довательности аминокислот в белке.

5. Генетический код непере­крываем и компактен , т. е. не содержит «знаков препинания». Это значит, что процесс считывания не допускает возможности перекрывания колонов (триплетов), и, начавшись на определенном кодоне, считывание идет непрерывно триплет за триплетом вплоть до стоп-сигналов (терминирующих кодонов ).

6. Генетический код универсален , т. е. ядер­ные гены всех организмов одинаковым образом кодируют инфор­мацию о белках вне зависимости от уровня организации и систематического положения этих организмов.

Существуют таблицы генетического кода для расшифровки кодонов и-РНК и построения цепочек белковых молекул.

Реакции матричного синтеза .

В живых системах встречается реакции, неизвестные в неживой природе - реакцииматричного синтеза .

Термином "матрица " в технике обозначают форму, употребляемую для отливки монет, медалей, типографского шрифта: затвердевший металл в точности воспроизводит все детали формы, служившей для отливки. Матричный синтез напоминает отливку на матрице: новые молекулы синтезируются в точном соответствии с планом, заложенным в структуре уже существующих молекул.

Матричный принцип лежит в основе важнейших синтетических реакций клетки, таких, как синтез нуклеиновых кислот и белков. В этих реакциях обеспечивается точная, строго специфичная последовательность мономерных звеньев в синтезируемых полимерах.

Здесь происходит направленное стягивание мономеров в определенное место клетки - на молекулы, служащие матрицей, где реакция протекает. Если бы такие реакции происходили в результате случайного столкновения молекул, они протекали бы бесконечно медленно. Синтез сложных молекул на основе матричного принципа осуществляется быстро и точно.

Роль матрицы в матричных реакциях играют макромолекулы нуклеиновых кислот ДНК или РНК.

Мономерные молекулы , из которых синтезируется полимер, - нуклеотиды или аминокислоты - в соответствии с принципом комплементарности располагаются и фиксируются на матрице в строго определенном, заданном порядке.

Затем происходит "сшивание" мономерных звеньев в полимерную цепь , и готовый полимер сбрасывается с матрицы.

После этого матрица готова к сборке новой полимерной молекулы. Понятно, что как на данной форме может производиться отливка только какой-то одной монеты, одной буквы, так и на данной матричной молекуле может идти "сборка" только какого-то одного полимера.

Матричный тип реакций - специфическая особенность химизма живых систем. Они являются основой фундаментального свойства всего живого - его способности к воспроизведению себе подобного .

К реакциям матричного синтеза относят:

1. репликацию ДНК - процесс самоудвоения молекулы ДНК, осуществляемый под контролем ферментов. На каждой из цепей ДНК, образовавшихся после разрыва водородных связей, при участии фермента ДНК-полимеразы синтезируется дочерняя цепь ДНК. Материалом для синтеза служат свободные нуклеотиды, имеющиеся в цитоплазме клеток.

Биологический смысл репликации заключается в точной передаче наследственной информации от материнской молекулы к дочерним, что в норме и происходит при делении соматических клеток.

Молекула ДНК состоит из двух комплементарных цепей. Эти цепи удерживаются слабыми водородными связями, способными разрываться под действием ферментов.

Молекула способна к самоудвоению (репликации), причем на каждой старой половине молекулы синтезируется новая ее половина.

Кроме того, на молекуле ДНК может синтезироваться молекула и-РНК, которая затем переносит полученную от ДНК информацию к месту синтеза белка.

Передача информации и синтез белка идут по матричному принципу, сравнимому с работой печатного станка в типографии. Информация от ДНК многократно копируется. Если при копировании произойдут ошибки, то они повторятся во всех последующих копиях.

Правда, некоторые ошибки при копировании информации молекулой ДНК могут исправляться - процесс устранения ошибок называется репарацией . Первой из реакций в процессе передачи информации является репликация молекулы ДНК и синтез новых цепей ДНК.

2. транскрипцию – синтез и-РНК на ДНК, процесс снятия информации с молекулы ДНК, синтезируемой на ней молекулой и-РНК.

И-РНК состоит из одной цепи и синтезируется на ДНК в соответствии с правилом комплементарности при участии фермента, который активирует начало и конец синтеза молекулы и-РНК.

Готовая молекула и-РНК выходит в цитоплазму на рибосомы, где происходит синтез полипептидных цепей.

3. трансляцию - синтез белка на и-РНК; процесс перевода информации, содержащейся в последовательности нуклеотидов и-РНК, в последовательность аминокислот в полипептиде.

4 . синтез РНК или ДНК на РНК вирусов

Последовательность матричных реакций при биосинтезе белков можно представить в виде схемы:

нетранскрибируемая цепь ДНК		А Т Г	Г Г Ц	Т А Т
транскрибируемая цепь ДНК		Т А Ц	Ц Ц Г	А Т А
транскрипция ДНК
кодоны мРНК		А У Г	Г Г Ц	У А У
трансляция мРНК
антикодоны тРНК		У А Ц	Ц Ц Г	А У А
аминокислоты белка		метионин	глицин	тирозин

Таким образом, биосинтез белка – это один из видов пластического обмена, в ходе которого наследственная информация, закодированная в генах ДНК, реализуется в определенную последовательность аминокислот в белковых молекулах.

Молекулы белков по существу представляют собой полипептидные цепочки , составленные из отдельных аминокислот. Но аминокислоты недостаточно активны, чтобы соединиться между собой самостоятельно. Поэтому, прежде чем соединиться друг с другом и образовать молекулу белка, аминокислоты должны активироваться . Эта активация происходит под действием особых ферментов.

В результате активирования аминокислота становится более лабильной и под действием того же фермента связывается с т-РНК . Каждой аминокислоте соответствует строго специфическая т-РНК , которая находит «свою» аминокислоту и переносит ее в рибосому.

Следовательно, в рибосому поступают различные активированные аминокислоты, соединенные со своими т-РНК . Рибосома представляет собой как бы конвейер для сборки цепочки белка из поступающих в него различных аминокислот.

Одновременно с т-РНК, на которой «сидит» своя аминокислота, в рибосому поступает «сигнал» от ДНК, которая содержится в ядре. В соответствии с этим сигналом в рибосоме синтезируется тот или иной белок.

Направляющее влияние ДНК на синтез белка осуществляется не непосредственно, а с помощью особого посредника – матричной или информационной РНК (м-РНК или и-РНК), которая синтезируется в ядре под влиянием ДНК, поэтому ее состав отражает состав ДНК. Молекула РНК представляет собой как бы слепок с формы ДНК. Синтезированная и-РНК поступает в рибосому и как бы передает этой структуре план - в каком порядке должны соединяться друг с другом поступившие в рибосому активированные аминокислоты, чтобы синтезировался определенный белок. Иначе, генетическая информация, закодированная в ДНК, передается на и-РНК и далее на белок .

Молекула и-РНК поступает в рибосому и прошивает ее. Тот ее отрезок, который находится в данный момент в рибосоме, определенный кодоном (триплет ), взаимодействует совершенно специфично с подходящим к нему по строению триплетом (антикодоном ) в транспортной РНК, которая принесла в рибосому аминокислоту.

Транспортная РНК со своей аминокислотой подходит к определенному кодону и-РНК и соединяется с ним; к следующему, соседнему участку и-РНК присоединяется другая т-РНК с другой аминокислотой и так до тех пор, пока не будет считана вся цепочка и-РНК, пока не нанижутся все аминокислоты в соответствующем порядке, образуя молекулу белка.

А т-РНК, которая доставила аминокислоту к определенному участку полипептидной цепи, освобождается от своей аминокислоты и выходит из рибосомы.

Затем снова в цитоплазме к ней может присоединиться нужная аминокислота, и она снова перенесет ее в рибосому.

В процессе синтеза белка участвует одновременно не одна, а несколько рибосом - полирибосомы.

Основные этапы передачи генетической информации:

синтез на ДНК как на матрице и-РНК (транскрипция)

синтез в рибосомах полипептидной цепи по программе, содержащейся в и-РНК (трансляция).

Этапы универсальны для всех живых существ, но временные и пространственные взаимоотношения этих процессов различаются у про- и эукариотов.

У эукариот транскрипция и трансляция строго разделены в пространстве и времени: синтез различных РНК происходит в ядре, после чего молекулы РНК должны покинуть пределы ядра, пройдя через ядерную мембрану. Затем в цитоплазме РНК транспортируются к месту синтеза белка - рибосомам. Лишь после этого наступает следующий этап - трансляция.

У прокариот транскрипция и трансляция идут одновременно.

Таким образом,

местом синтеза белков и всех ферментов в клетке являются рибосомы - это как бы «фабрики» белка, как бы сборочный цех, куда поступают все материалы, необходимые для сборки полипептидной цепочки белка из аминокислот. Природа синтезируемого белка зависит от строения и-РНК, от порядка расположения в ней нуклеоидов, а строение и-РНК отражает строение ДНК, так что в конечном итоге специфическое строение белка, т. е. порядок расположения в нем различных аминокислот, зависит от порядка расположения нуклеоидов в ДНК, от строения ДНК.

Изложенная теория биосинтеза белка получила название матричной теории. Матричной эта теория называется потому , что нуклеиновые кислоты играют как бы роль матриц, в которых записана вся информация относительно последовательности аминокислотных остатков в молекуле белка.

Создание матричной теории биосинтеза белка и расшифровка аминокислотного кода является крупнейшим научным достижением XX века, важнейшим шагом на пути к выяснению молекулярного механизма наследственности.

Тематические задания

А1. Какое из утверждений неверно?

1) генетический код универсален

2) генетический код вырожден

3) генетический код индивидуален

4) генетический код триплетен

А2. Один триплет ДНК кодирует:

1) последовательность аминокислот в белке

2) один признак организма

3) одну аминокислоту

4) несколько аминокислот

А3. «Знаки препинания» генетического кода

1) запускают синтез белка

2) прекращают синтез белка

3) кодируют определенные белки

4) кодируют группу аминокислот

А4. Если у лягушки аминокислота ВАЛИН кодируется триплетом ГУУ, то у собаки эта аминокислота может кодироваться триплетами:

1) ГУА и ГУГ

2) УУЦ и УЦА

3) ЦУЦ и ЦУА

4) УАГ и УГА

А5. Синтез белка завершается в момент

1) узнавания кодона антикодоном

2) поступления и-РНК на рибосомы

3) появления на рибосоме «знака препинания»

4) присоединения аминокислоты к т-РНК

А6. Укажите пару клеток в которой у одного человека содержится разная генетическая информация?

1) клетки печени и желудка

2) нейрон и лейкоцит

3) мышечная и костная клетки

4) клетка языка и яйцеклетка

А7. Функция и-РНК в процессе биосинтеза

1) хранение наследственной информации

2) транспорт аминокислот на рибосомы

3) передача информации на рибосомы

4) ускорение процесса биосинтеза

А8. Антикодон т-РНК состоит из нуклеотидов УЦГ. Какой триплет ДНК ему комплементарен?

Матричный синтез представляет собой образование биополимера, последовательность звеньев в котором определяется первичной структурой другой молекулы. Последняя как бы выполняет роль матрицы, "диктующей" нужный порядок сборки цепи. В живых клетках известны три биосинтетических процесса, основанных на этом механизме.

Какие молекулы синтезируются на основе матрицы

К реакциям матричного синтеза относят:

• репликацию - удвоение генетического материала;
• транскрипцию - синтез рибонуклеиновых кислот;
• трансляцию - производство белковых молекул.

Репликация представляет собой превращение одной молекулы ДНК в две идентичные друг другу, что имеет огромное значение для жизненного цикла клеток (митоз, мейоз, удвоение плазмид, деление бактериальных клеток и т. д.). Очень многие процессы основаны на "размножении" генетического материала, а матричный синтез позволяет воссоздать точную копию любой молекулы ДНК.

Транскрипция и трансляция представляют собой две стадии реализации генома. При этом наследственная информация, записанная в ДНК, преобразуется в определенный белковый набор, от которого зависит фенотип организма. Данный механизм именуется путем "ДНК-РНК-белок" и составляет одну из центральных догм молекулярной биологии.

Реализация этого принципа достигается при помощи матричного синтеза, который сопрягает процесс образования новой молекулы с "исходным образцом". Основой такого сопряжения является фундаментальный принцип комплементарности.

Основные аспекты синтеза молекул на основе матрицы

Информация о структуре синтезируемой молекулы содержится в последовательности звеньев самой матрицы, к каждому из которых подбирается соответствующий элемент "дочерней" цепи. Если химическая природа синтезируемой и матричной молекул совпадают (ДНК-ДНК или ДНК-РНК), то сопряжение происходит напрямую, так как каждый нуклеотид имеет пару, с которой может связаться.

Для синтеза белка требуется посредник, одна часть которого взаимодействует с матрицей по механизму нуклеотидного соответствия, а другая присоединяет белковые звенья. Таким образом, принцип комплементарности нуклеотидов работает и в этом случае, хоть и не связывает напрямую звенья матричной и синтезируемой цепей.

Этапы синтеза

Все процессы матричного синтеза поделены на три этапа:

• инициация (начало);
• элонгация;
• терминация (окончание).

Инициация представляет собой подготовку к синтезу, характер которой зависит от вида процесса. Главной целью этой стадии является приведение системы фермент-субстрат в рабочее состояние.

Во время элонгации непосредственно осуществляется наращивание синтезируемой цепи, при котором между подобранными согласно матричной последовательности звеньями замыкается ковалентная связь (пептидная или фосфодиэфирная). Терминация приводит к остановке синтеза и освобождению продукта.

Роль комплементарности в механизме матричного синтеза

Принцип комплементарности основан на выборочном соответствии азотистых оснований нуклеотидов друг другу. Так, аденину в качестве пары подойдут только тимин или урацил (двойная связь), а гуанину - цитозин (3 тройная связь).

В процессе синтеза нуклеиновых кислот со звеньями одноцепочечной матрицы связываются комплементарные нуклеотиды, выстраиваясь в определенную последовательность. Таким образом, на основании участка ДНК ААЦГТТ при репликации может получиться только ТТГЦАА, а при транскрипции - УУГЦАА.

Как уже было отмечено выше, белковый синтез происходит с участием посредника. Эту роль выполняет транспортная РНК, которая имеет участок для присоединения аминокислоты и нуклеотидный триплет (антикодон), предназначенный для связывания с матричной РНК.

В этом случае комплементарный подбор происходит не по одному, а по три нуклеотида. Так как каждая аминокислота специфична только к одному виду тРНК, а антикодон соответствует конкретному триплету в РНК, синтезируется белок с определенной последовательностью звеньев, которая заложена в геноме.

Как происходит репликация

Матричный синтез ДНК происходит с участием множества ферментов и вспомогательных белков. Ключевыми компонентами являются:

• ДНК-хеликаза - расплетает двойную спираль, разрушает связи между цепями молекулы;
• ДНК-лигаза - "зашивает" разрывы между фрагментами Оказаки;
• праймаза - синтезирует затравку, необходимую для работы ДНК-синтезирующего фрагмента;
• SSB-белки - стабилизируют одноцепочечные фрагменты расплетенной ДНК;
• ДНК-полимеразы - синтезируют дочернюю матричную цепь.

Хеликаза, праймаза и SSB-белки подготавливают почву для синтеза. В результате каждая из цепей исходной молекулы становится матрицей. Синтез осуществляется с огромной скоростью (от 50 нуклеотидов в секунду).

Работа ДНК-полимеразы происходит в направлении от 5`к 3`- концу. Из-за этого на одной из цепей (лидирующей) синтез происходит по ходу расплетания и непрерывно, а на другой (отстающей) - в обратном направлении и отдельными фрагментами, названными "Оказаки".

Y-образная структура, образованная в месте расплетания ДНК, называется репликационной вилкой.

Механизм транскрипции

Ключевым ферментом транскрипции является РНК-полимераза. Последняя бывает нескольких видов и отличается по строению у прокариот и эукариот. Однако механизм ее действия везде одинаков и заключается в наращивании цепи комплементарно подбираемых рибонуклеотидов с замыканием фосфодиэфирной связи между ними.

Матричной молекулой для этого процесса служит ДНК. На ее основе могут создаваться разные типы РНК, а не только информационные, которые используются в белковом синтезе.

Участок матрицы, с которого "списывается" последовательность РНК, называется транскриптоном. В его составе имеется промотор (место для присоединения РНК-полимеразы) и терминатор, на котором синтез останавливается.

Трансляция

Матричный синтез белка и у прокариот, и у эукариот осуществляется в специализированных органоидах - рибосомах. Последние состоят из двух субъединиц, одна из которых (малая) служит для связывания тРНК и матричной РНК, а другая (большая) принимает участие в образовании пептидных связей.

Началу трансляции предшествует активация аминокислот, т. е. присоединение их к соответствующим транспортным РНК с образованием макроэргической связи, за счет энергии которых впоследствии осуществляются реакции транспептидирования (присоединения к цепи очередного звена).

В процессе синтеза также принимают участие белковые факторы и ГТФ. Энергия последнего необходима для продвижения рибосомы по матричной цепи РНК.

Предыдущая статья: Чему равна скорость света Следующая статья: Углерод — характеристика элемента и химические свойства