Что такое репликация транскрипция и трансляция
Транскрипция и трансляция
Удвоение ДНК происходит в синтетическом периоде интерфазы. При этом общее число хромосом не меняется, однако каждая из них содержит к началу деления две молекулы ДНК: это необходимо для равномерного распределения генетического материала между дочерними клетками.
Транскрпиция (лат. transcriptio — переписывание)
Образуется несколько начальных кодонов иРНК.
Нити ДНК последовательно расплетаются, освобождая место для передвигающейся РНК-полимеразы. Молекула иРНК быстро растет.
Трансляция (от лат. translatio — перенос, перемещение)
Рибосома делает шаг, и иРНК продвигается на один кодон: такое в фазу элонгации происходит десятки тысяч раз. Молекулы тРНК приносят новые аминокислоты, соответствующие кодонам иРНК. Аминокислоты соединяются друг с другом: между ними образуются пептидные связи, молекула белка растет.
Примеры решения задачи №1
Без практики теория мертва, так что скорее решим задачи! В первых двух задачах будем пользоваться таблицей генетического кода (по иРНК), приведенной вверху.
«Фрагмент цепи ДНК имеет следующую последовательность нуклеотидов: ЦГА-ТГГ-ТЦЦ-ГАЦ. Определите последовательность нуклеотидов во второй цепочке ДНК, последовательность нуклеотидов на иРНК, антикодоны соответствующих тРНК и аминокислотную последовательность соответствующего фрагмента молекулы белка, используя таблицу генетического кода»
По принципу комплементарности мы нашли вторую цепочку ДНК: ГЦТ-АЦЦ-АГГ-ЦТГ. Мы использовали следующие правила при нахождении второй нити ДНК: А-Т, Т-А, Г-Ц, Ц-Г.
Вернемся к первой цепочке, и именно от нее пойдем к иРНК: ГЦУ-АЦЦ-АГГ-ЦУГ. Мы использовали следующие правила при переводе ДНК в иРНК: А-У, Т-А, Г-Ц, Ц-Г.
Зная последовательность нуклеотидов иРНК, легко найдем тРНК: ЦГА, УГГ, УЦЦ, ГАЦ. Мы использовали следующие правила перевода иРНК в тРНК: А-У, У-А, Г-Ц, Ц-Г. Обратите внимание, что антикодоны тРНК мы разделяем запятыми, в отличие кодонов иРНК. Это связано с тем, что тРНК представляют собой отдельные молекулы (в виде клеверного листа), а не линейную структуру (как ДНК, иРНК).
Пример решения задачи №2
«Известно, что все виды РНК синтезируются на ДНК-матрице. Фрагмент цепи ДНК, на которой синтезируется участок центральной петли тРНК, имеет следующую последовательность нуклеотидов: ТАГ-ЦАА-АЦГ-ГЦТ-АЦЦ. Установите нуклеотидную последовательность участка тРНК, который синтезируется на данном фрагменте, и аминокислоту, которую будет переносить эта тРНК в процессе биосинтеза белка, если третий триплет соответствует антикодону тРНК»
Пример решения задачи №3
Длина фрагмента молекулы ДНК составляет 150 нуклеотидов. Найдите число триплетов ДНК, кодонов иРНК, антикодонов тРНК и аминокислот, соответствующих данному фрагменту. Известно, что аденин составляет 20% в данном фрагменте (двухцепочечной молекуле ДНК), найдите содержание в процентах остальных нуклеотидов.
Теперь мы украсили теорию практикой. Что может быть лучше при изучении новой темы? 🙂
© Беллевич Юрий Сергеевич 2018-2021
Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.
Лекция «Репликация ДНК. Транскрипция. Трансляция»
Лекция о процессах репликации, транскрипции, трансляции для подготовки к олимпиадам
Просмотр содержимого документа
«Лекция «Репликация ДНК. Транскрипция. Трансляция»»
В 1958 г М. Мезелсон и Ф. Сталь в блестящем эксперименте убеди-тельно доказали именно полукон-сервативный характер репликации ДНК предсказанный Уотсоном и Криком.
На первом этапе они выращива-ли клетки E. coli на питательной среде содержащей азот 15 N – «тяже-лый» изотоп, который имеет на один нейтрон больше чем 14 N. После культивирования на такой среде во все азотосодержащие молекулы E. coli, в том числе и ДНК включается тяжелый 15 N. С помощью ультрацентрифугиро-вания в пробирках можно разделить ДНК содержащую 15 N и 14 N. Тяжелые молекулы 15 N оседают ближе ко дну пробирки (рисунок 7.2).
Рисунок 7.2 – Эксперименты Мезельсона-Сталя подтверждающие полуконсервативный характер репликации ДНК
На втором этапе меченные тяжелым изотопом бактерии перено-сили на новую среду, содержащую обычный 14 N. Следовательно вся вновь синтезированная ДНК E. coli содержала легкий изотоп 14 N. Как видно из рис. 7 выделенная из E. coli после одного поколения культи-вирования ДНК в результате центрифугирования осаждалась в пробирке одной фракцией промежуточной плотности, так как одна цепь содержала «легкий» изотоп, а вторая – «тяжелый».
После второго поколения культивирования плотность образца ДНК, взятой из E. coli разделилась на две фракции, с промежуточной ( 15 N/ 14 N) и легкой ( 14 N/ 14 N) плотностями (рисунок 7.2). Эти результаты в точности соответствуют полуконсервативному механизму репликации ДНК.
Дальнейшие исследования показали, что процесс полуконсер-вативной репликации молекул ДНК начинается в определенной точке инициации (ori). В хромосомах эукариот имеется по нескольку таких точек. Цепи ДНК в точке инициации репликации разъединяются (раскручиваются) под влиянием фермента геликазы (рисунок 7.3). Возникает репликационная вилка с одноцепочечными участками ДНК, которые становятся матрицами для репликации (рисунок 7.3). Эти участки связываются с белками SSBP (single-stranded binding proteins), которые не позволяют им вновь соединиться в двойную спираль. Возникающая суперскрученность и напряжение в нераскрученной части ДНК репликациооной вилки (рисунок 7.3) снимает ферментный комплекс топоизомераза (ДНК-гираза у прокариот).
Рисунок 7.3 – Репликационная вилка с указанием лидирующей и запаздывающей цепей вновь синтезированной ДНК.
НК-полимераза, осуществляет процесс репликации в направлении 5′-3′, она способна присоединять нуклеотиды только к 3′-ОН группе предыдущего нуклеотида и для синтеза новой цепи ей требуется затравка (праймер) со свободным 3′-концом. Поэтому сначала на ДНК-матрице с помощью праймазы (РНК-полимеразы) синтезируется короткий (
10 нуклеотидов) фрагмент РНК. Именно к такому РНК-праймеру ДНК-полимераза присоединяет дезоксинуклеотиды, синтезируя новую цепь (рис. 8). Затем РНК-праймер вырезается, замещаясь фрагментом ДНК.
Репликация начинается на материнской цепи, идущей от точки инициации в направлении 3′-5′ и идет непрерывно в виде сплошной линии. Эта цепь называется лидирующей (рис. 8). Синтез на второй цепи идет в обратном направлении в виде отдельных коротких (200-2000 нуклеотидов) фрагментов Оказаки, названных так по имени открывшего их ученого. Эта цепь получила название запаздывающей. После завершения синтеза РНК праймеры в составе фрагментов Оказаки заменяются на ДНК и все фрагменты соединяются при помощи фермента лигазы в общую полинуклеотидную цепочку. В результате репликации образуются две идентичные молекулы ДНК, которые в хромосомах эукариот становятся двумя хроматидами.
При рассмотрении вопроса о том как генетическая информация заложенная в ДНК реализуется в процессе синтеза белка Уотсон и Крик теоретически предсказали существование и-РНК (посредника).
РНК отличается от ДНК тем, что у нее углеводом является рибоза вместо дезоксирибозы. Кроме того, вместо нуклеотида тимина у нее урацил (рисунок 7.4). И наконец, в отличие от ДНК она имеет в основном одноцепочечное строение.
В 
1962 г. Э. Волкин и Л. Астрохан обнаружили, что при синтезе белка в клетках E. coli, зараженных фагом Т2 резко усиливается синтез короткоживущих молекул РНК, которые были комплементарны одной из цепей фага Т2, но не ДНК E. coli. Позднее в многочисленных экспериментах было показано, что наследственная информация, записанная в ДНК (гене), точно транскрибируется (переписывается) в нуклеотидную последовательность короткоживущих и-РНК, которые определяют синтез конкретных белков у всех организмов.
Рисунок 7.5 – Схематическое изображение этапов транскрипции
этот фермент двигается вдоль гена и по мере разъединения цепей ДНК на одной (3′-5′), ведет синтез и-РНК, согласно принципу комплементарности присоединяя аденин к тимину, урацил к аденину, цитозин к гуанину и гуанин к цитозину (рисунок 7.5,в). Те участки гена, на которых полимераза образовала и-РНК, вновь соединяются, а синтезируемая молекула и-РНК постепенно отделяется от ДНК. Конец синтеза и-РНК определяется участком остановки транскрипции – терминатором (рисунок 7.5,г). Нуклеотидные последовательности промотора и терминатора узнаются специальными белками, регулирующими активность РНК-полимеразы.
У эукариот в структурной части гена имеются отрезки ДНК, не содержащие информации, которые были названы интронами. Участки ДНК, несущие информацию, называются экзонами (рис. 11).
В ходе считывания информации с определенного участка ДНК (гена) сначала образуется первичный транскрипт всей последовательности (про-мРНК), а затем происходит процесс сплайсинга (сшивания), который заключается в том, что интроны из РНК как бы «выпетливаются» и удаляются, а информативные участки – экзоны соединяются при помощи фермента сплайсазы в одну непрерывную последовательность и-РНК. Перед выходом из ядра к начальной (5′) части и-РНК присоединяется метилированный гуанин, называемый «КЭП» (колпачек), а к 3′-концу и-РНК присоединяется примерно 200 остатков аденина, образуя поли-А хвост (рисунок 7.6). В таком виде зрелая и-РНК (матричная РНК) проходит через ядерную мембрану в ци-
Рисунок 7.6 – Упрощенная схема β-глобинового гена человека и матричной мРНК после процесса транскрипции и сплайсинга. Этот ген состоит из более чем 2 тыс. н.п. Однако из них только около 450 н.п. несут информацию об аминокислотной последовательности β-глобина. Кроме трех кодирующих участков (экзонов), ген включает два некодирующих (интроны 1 и 2). Образующийся первичный транскрипт РНК состоит из
1600 н.п. Во время сплайсинга РНК интроны, удаляются и оба конца РНК модифицируются.
топлазму, где соединяется с рибосомой. Считают, что у эукариот «КЭП» и поли-А хвост защищают и-РНК от разрушения в ходе ее продвижения к рибосомам в цитоплазме. Предполагается также, что «КЭП» играет определенную роль в связывании и-РНК с малой субчастицей рибосомы.
Трансляция наряду с репликацией и транскрипцией является еще одним важнейшим этапом реализации генетической информации в клетке. В самом общем виде трансляция – это процесс биосинтеза белка по матрице иРНК, который протекает на рибосомах. В этом процессе кроме информационной РНК принимают активное участие еще два типа РНК – транспортные и рибосомные.
Транспортные РНК. Роль тРНК заключается в том, что они переносят аминокислоты к рибосомам и участвуют в процессе синтеза белка. Транспортные РНК, которых насчитывается более 60-ти, состоят из 75-90 нуклеотидов и имеют структуру в виде клеверного листа (рисунок 7.7). Каждая аминокислота присоединяется к определенной тРНК. На одном конце тРНК находится акцепторный триплет ЦЦА, к аденину которого присоединяется специфическая аминокислота. На другом конце (в антикодонной петле) каждой тРНК находится антикодон – специфический триплет, с помощью которого тРНК «узнает» соответствующий комплементарный кодон в иРНК, и тем самым определяет место, куда должна быть поставлена данная аминокислота в синтезируемой молекуле белка. Боковые петли тРНК, по-видимому, используются для связывания с рибосомой и со специфической аминоацил-тРНК-синтетазой.
Р
ибосомные РНК. Размер рибосомных рРНК составляет 120–3100 нуклеотидов. Они служат каркасом рибосом и способствуют первоначальному связыванию иРНК с рибосомой в ходе биосинтеза белка.
Как уже отмечалось, трансляция заключается в том, что последовательность расположения кодонов в иРНК переводится в строго упорядоченную последовательность расположения аминокислот в молекуле синтезируемого белка (рисунок 7.8). Процесс
трансляции включает два этапа: активирование аминокислот и присоединение их к «своим» тРНК и непосредственно синтез белковой молекулы.
Активирование свободных аминокислот и присоединение их к тРНК осуществляется при помощи специализированных ферментов – аминоацил-тРНК-синтетаз. В молекуле каждой аминоацил-тРНК-син-тетазы имеется по крайней мере три центра связывания: для аминокислоты, тРНК и АТФ. Сначала осуществляется связь аминоацилтРНК-синтетазы с определенной аминокислотой, а затем активированная с помощью АТФ аминокислота присоединяется к аденину акцепторного триплета ЦЦА тРНК (рисунок 7.9). В результате образуется аминоацил-тРНК (аа-тРНК). Аминоацил-тРНК взаимодействует с одним из белковых факторов, который в комплексе с ГТФ необходим для транспорта и связывания аа-тРНК с рибосомой.
Процесс синтеза белка на рибосомах подразделяется на три стадии: инициация, элонгация и терминация (рисунок 7.10).
Инициация. Инициация синтеза полипептидной цепи начинается с присоединения малой субъединицы рибосомы к соответствующему центру связывания на иРНК (рисунок 7.10, А). Сигналом инициации трансляции служит кодон для метионина АУГ, который расположен в начале иРНК. К кодону АУГ своим антикодоном УАЦ присоединяется аа-тРНК с метионином (у бактерий с формилметионином). Затем к этому комплексу, присоединяется большая субъединица рибосомы. В результате образуется полная рибосома (80S), включающая молекулу иРНК и инициаторную аа-тРНК с метионином, которая располагается в пептидильном центре большой субъедницы (рисунок 7.10, А).
Элонгация. В свободный аминоацильный центр рибосомы со второй аминокислотой поступает следующая аа-тРНК, которая своим антикодоном соединяется со строго с комплементарным кодоном иРНК (рисунок 7.10, Б). В этот момент при помощи фермента пептидилтрансферазы предшествующая аминокислота (метионин) своей карбоксильной группой (СООН) соединяется с аминогруппой (NH2) вновь пришедшей аминокислоты. Между ними образуется пептидная связь (–СО–NH–). В результате тРНК, принесшая метионин, освобождается, а в аминоацильном центре к тРНК присоединен уже дипептид. Дипептидил-тРНК благодаря перемещению рибосомы на один кодон при участии фермента транслоказы и белкового фактора элонгации продвигается из аминоацильного центра в пептидильный. Освободившаяся тРНК и связанный с ней кодон иРНК АУГ выходят из рибосомы. (рис. 15, Б). Следующая аа-тРНК приносит новую аминокислоту в освободившийся аминоацильный центр в соответствии с поступившим туда кодоном. Эта аминокислота при помощи пептидной связи соединяется с предыдущей. При этом рибосома снова продвигается еще на один кодон, и процесс повторяется (рисунок 7.10, Б).
Терминация. Как только в аминоацильный центр рибосомы поступит один из терминирующий кодонов иРНК (УАА, УАГ или УГА), к нему присоединяется белковый фактор терминации и блокирует дальнейшую элонгацию цепи (рисунок 7.10, В). После этого синтезированная полипептидная цепь отделяется от тРНК, рибосомные субъединицы диссоциируют и освобождают тРНК и иРНК, которые могут принять участие в синтезе следующей полипептидной цепи (рисунок 7.10, В).
На одной молекуле иРНК работает не одна рибосома, а многие (до 100). На каждой из рибосом строится полипептидная цепь. У бактерий транскрипция и трансляция связаны между собой и трансляция начинается до завершения синтеза иРНК на ДНК. Образующиеся при синтезе полипептидные цепи претерпевают ряд посттрансляционных преобразований и только после этого начинают выполнять в организме свои специфические функции.
РЕПЛИКАЦИЯ, ТРАНСКРИПЦИЯ, ТРАНСЛЯЦИЯ
Репликация – синтез дочерней молекулы ДНК на матрице родительской молекулы ДНК, который происходит в процессе деления клетки.
Спиральные цепи в молекуле ДНК соединяются водородными связями. Они очень слабые и легко разрываются. Цепи расходятся, и каждая их них служит матрицей, на которой с помощью особых ферментов собирается соответствующая ей новая спиральная цепь. В результате получаются две дочерние молекулы ДНК. В каждой из них одна нить происходит из материнской молекулы, а другая синтезирована по комплементарному принципу – по принципу соответствия.
На рисунке представлен процесс репликации ‒ передача наследственной информации при делении клетки. Связи между азотистыми основаниями водородные. Они весьма слабые, легко разрываются и легко образуются, что очень важно в биохимических процессах. Итак, водородные связи разрываются, ветви молекулы ДНК расходятся. Обратим внимание на самую верхнюю строчку с основаниями, к которым уже присоединились комплементарные (10 строчка снизу). До разрыва связей на том месте соединялись цитозин С и гуанин G. После разрыва связей слева к основанию цитозин С присоединился гуанин G, а к противоположному концу справа к гуанину G присоединился цитозин С. Таким образом на месте одной пары C ‒ G образовались две точно такие же пары. Теперь обратим внимание на самую нижнюю строчку. До разрыва связей в том месте соединялись тимин Т и аденин А. После разрыва водородных связей и разделения ветвей слева к тимину Т присоединился аденин А, а справа к аденину А присоединился тимин Т. Таким образом, вместо одной пары Т ‒ А образовались две такие же пары. Такая точность копирования определяется принципом комплементарности. Впоследствии к азотистым основаниям присоединяются остатки фосфорной кислоты и сахар дезоксирибоза. Так из одной молекулы ДНК появляются две аналогичные молекулы.
Транскрипция – синтез молекулы РНК на матрице ДНК. Другими словами, это перенос генетической информации с ДНК на РНК.
Нити молекулы ДНК разделяются, и одна из них служит матрицей, на основании которой строится молекула РНК. В этой новой молекуле азотистые основания соответствуют основаниям молекулы-матрицы. Например, если в молекуле ДНК на определенном месте находится аденин, то в стоящейся молекуле РНК ему соответствует тимин. А поскольку между основаниями существует взаимно однозначное соответствие (аденин соответствует тимину, гуанин соответствует цитозину), то это и означает перенос информации с одной молекулы на другую. Та нить ДНК, которая служит матрицей для синтеза РНК, называется смысловой. Вторая нить ДНК не кодирует белки и поэтому называется некодирующей, или бессмысленной. Синтез нити РНК на молекуле ДНК осуществляет фермент РНК-полимераза. Он синтезирует до 50 нуклеотидов в секунду.
На рисунке показан процесс транскрипции ‒ перенос генетической информации с ДНК на РНК. Ветви молекулы ДНК разделились. К одиночным азотистым основаниям присоединяются основания, комплементарные им. Таким образом, информация о последовательности азотистых оснований, идущих вдоль кодирующей ветви ДНК, передается на молекулу РНК. Правда, на РНК это уже будет последовательность не оснований, идущих вдоль ветви ДНК, а оснований, комплементарных им.
Трансляция – синтез белка на матрице иРНК при участии рибосом.
Белок синтезируется, т.е. составляется из отдельных аминокислот, в специальных органеллах ‒ органах клетки. Они называются рибосомами. Тело рибосомы складывается из рибосомальных РНК.
Итак, в процессе транскрипции информационная РНК с матрицы молекулы ДНК копирует информацию о последовательности аминокислот в конкретном белке. Она проходит сквозь поры ядра и входит в рибосому. В свою очередь, транспортные РНК несут с собой аминокислоты и движутся к рибосомам. Причем, каждый вид тРНК предназначен для переноса определенной аминокислоты. Как и в жизни: легковые машины возят людей, самосвалы – щебень, грузовики – мешки с картошкой. На одном конце транспортной РНК находится аминокислота, на другом – антикодон. В рибосоме антикодон транспортной РНК соединяется с соответствующим кодоном информационной РНК, и аминокислота остается в рибосоме. К ней будет прикрепляться другая аминокислота, причем, в той последовательности, в какой находится соответствующий кодон информационной РНК. Таким образом, последовательность аминокислот в цепочке внутри рибосомы будет повторять последовательность кодонов информационной РНК, а значит, и последовательность кодонов в ДНК.
Схема сборки белка[48]
На рисунке представлен процесс трансляции ‒ сборка белка с помощью рибосом. Слева изображена молекула ДНК. Обратим внимание на левую ветвь. На ней закодирована информация, какие аминокислоты и в какой последовательности должны соединяться на определенном участке белка. Молекула РНК в процессе транскрипции копирует информацию: кодону ААА соответствует кодон UUU, кодону GCG ‒ кодон CGC, кодону ATG ‒ кодон UAC. Кодоны последовательно располагаются на молекуле информационной РНК в соответствии с их расположением в молекуле ДНК. Информационная РНК проходит сквозь поры ядерной мембраны и входит в рибосому. Транспортные РНК, на которых прикреплены соответствующие аминокислоты, собирают их в цепочку. К кодону UUU в молекуле информационной РНК присоединяется транспортная РНК, у которой на одном конце находится антикодон ААА, комплементарный кодону UUU, несущий фенилаланин (в таблице аминокислоту следует искать по кодону иРНК, а не по антикодону тРНК). Информационная РНК продвигается по рибосоме. Теперь на очереди кодон CGC. К нему присоединяется транспортная РНК с антикодоном GCG на одном конце и аргинином на другом. Аргинин прикрепляется к фенилаланину. Наконец, наступает очередь кодона UAC. К нему подстраивается транспортная РНК с антикодоном AUG и тирозином, который становится третьим компонентом строящегося белка. Таким образом, аминокислоты на данном участке молекулы белка выстроились в соответствии с информацией, которая была записана в молекуле ДНК.
Молекула ДНК выполняет три основные функции.
1. Хранение наследственной информации. Порядок расположения кодонов в молекуле ДНК определяет порядок расположения аминокислот в молекуле белка, т.е. его первичную структуру. Организмы различаются между собой составом белков. Именно белки определяют свойства клеток и всего организма. Поэтому молекулы ДНК, в которых заключена вся информация о белках, содержат информацию о всех свойствах и признаках организма.
2. Передача наследственной информации следующему поколению. Эта передача осуществляется в процессе репликации.
3. Передача наследственной информации из ядра в цитоплазму. Этот процесс называется транскрипцией.
Различные виды РНК играют различную роль в процессе трансляции – в синтезе белков.
1. Транспортные РНК доставляют аминокислоты к месту сборки белков – в рибосому.
2. Информационная РНК содержит информацию о последовательности аминокислот в белке.
3. Рибосомальные РНК участвуют в сборке белка из отдельных аминокислот на основе иРНК.
Важнейшее открытие биологии XX века – универсальность генетического кода. Оно шокировало ученых. Оказывается генетический код один для всех живых организмов на Земле: и для человека, и для цветка, и для мельчайшей бактерии.
Генетический код – универсальный, т.е. един для всех живых организмов на Земле.
Единство генетического кода ‒ важнейший аргумент в пользу утверждения, что все живые существа на Земле объединяет единый путь эволюции.
Важнейшие положения темы № 8 «Кодирование и воспроизводство
биологической информации»
В живых клетках человека можно найти около 70 химических элементов таблицы Менделеева. Углерод – основа жизни. Органические вещества – это соединения углерода. Практически все химические реакции в клетке протекают в водной среде, и без воды были бы невозможны.
Белки – высокомолекулярные органические вещества, состоящие из аминокислот, соединенных в цепочку. В состав белков, из которых состоят живые существа на Земле, входят 20 аминокислот. Выделяют четыре уровня структуры белка. Ферменты – белки, которые ускоряют ход химических реакций в клетке. Каждый фермент предназначен только для одной-единственной реакции.
Важнейшие процессы, происходящие в клетках живых существ, связаны с передачей генетической информации. В них участвуют два вида нуклеиновых кислот ‒ дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновая кислота (РНК). ДНК представляет собой биополимер, мономером которого является нуклеотид. В состав каждого нуклеотида входят остаток фосфорной кислоты, соединенный с сахаром дезоксирибозой, который соединен с азотистым основанием. Азотистых оснований в молекуле ДНК четыре вида: аденин, тимин, гуанин и цитозин. Азотистые основания одной цепи соединяются с азотистыми основаниями другой цепи согласно принципу комплементарности, или соответствия.
Принцип комплементарности. В молекуле ДНК аденин соединяется только с тимином, гуанин – только с цитозином.
Молекула рибонуклеиновой кислоты (РНК) тоже является биополимером. Каждый мономер молекулы РНК содержит остаток фосфорной кислоты, сахар рибозу и азотистое основание. Причем, три азотистых основания такие же, как в молекуле ДНК, – аденин, гуанин и цитозин, но вместо тимина в молекуле РНК присутствует близкий ему по строению урацил. РНК – одноцепочечная молекула. В зависимости от строения и выполняемой функции различают три вида молекул РНК. Транспортные РНК переносят аминокислоты к месту синтеза белка в рибосому. Рибосомальная РНК образует рибосомы – органеллы, в которых происходит синтез белков. Информационная РНК переносит информацию о структуре белка от ДНК рибосоме.
Информация о последовательности аминокислот в белке кодируется с помощью языка нуклеотидов. 20 аминокислот кодируются нуклеотидами, объединенными в тройки, – кодоны, или триплеты. Кодон (триплет) – тройка нуклеотидов, кодирующая аминокислоту.
Генетический код ‒ таблица соответствия кодонов аминокислотам.
Генетический код обладает следующими свойствами. Каждая аминокислота кодируется более чем одним кодоном (от 2 до 6 кодонов на одну аминокислоту). Каждый кодон соответствует только одной аминокислоте.
Ген – участок молекулы ДНК, служащий матрицей для синтеза одного белка.
Нуклеиновые кислоты участвуют в трех важнейших процессах, протекающих в клетках: репликации, транскрипции и трансляции.
Репликация – синтез дочерней молекулы ДНК на матрице родительской молекулы ДНК, который происходит в процессе деления клетки.
Транскрипция – синтез молекулы РНК на матрице ДНК. Другими словами, это перенос генетической информации с ДНК на РНК.
Трансляция – синтез белка на матрице информационной РНК при участии рибосом.
Молекула ДНК выполняет три основные функции: хранение наследственной информации о структуре белков, передача наследственной информации следующему поколению в процессе репликации, передача наследственной информации из ядра в цитоплазму в процессе транскрипции.
Генетический код – универсальный, т.е. един для всех живых организмов на Земле.
Единство генетического кода ‒ важнейший аргумент в пользу утверждения о том, что все живые существа на Земле объединяет единый путь эволюции.
Вопросы для самоконтроля
1. Что такое клетка?
2. Как была открыта клетка?
3. В чем заключается основное положение клеточной теории?
4. Какую существенную ошибку совершили Матиас Шлейден и Теодор Шванн в своей клеточной теории?
5. Какой фундаментальный вывод клеточной теории сделал Рудольф Вирхов?
6. Какую серьезную ошибку в клеточной теории допустил Рудольф Вирхов?
7. Какие организмы называются эукариотами?
8. Что представляют собой археи?
9. В чем проявляется, прежде всего, различие между клетками?
10. Что позволяет углероду быть основой жизни?
11. Что такое белок?
12. Перечислите уровни структуры белка.
13. Что такое денатурация?
14. Что такое фермент?
15. Что представляет собой молекула ДНК?
16. Сформулируйте принцип комплементарности.
17. Перечислите виды молекул РНК и их основные функции.
18. В чем заключаются различия между молекулами ДНК и РНК?
19. Что такое кодон?
20. Что такое генетический код?
21. Какими свойствами обладает генетический код?
23. Что такое репликация?
24. Опишите процесс репликации.
25. Что такое транскрипция?
26. Опишите процесс транскрипции.
27. Что такое трансляция?
28. Опишите процесс трансляции.
29. Какие функции выполняет молекула ДНК?
30. Что означает универсальность генетического кода?
Контрольные вопросы
1. Какая особенность в строении углерода делает его важнейшим элементов в живых организмах?
2. Какие физические свойства воды делают ее важнейшим веществом в живых организмах?
3. Для чего люди разогревают пищу?
4. Какую роль играют водородные связи в биохимических процессах?
5. Почему в молекуле ДНК аденин не может соединяться с цитозином, а гуанин – с тимином?
6. Почему молекула ДНК перед делением клетки скручивается и, соединяясь с белком гистоном, превращается в хромосому?
7. Почему хромосома в период между клеточными делениями раскручивается?
Литература к семинару по теме № 8 «Кодирование и воспроизводство
биологической информации»
Данилова В. С., Кожевников Н. Н. Основные концепции современного естествознания. М., Аспект Пресс, 2001. С. 114 – 118, 122 – 128.
Дубнищева Т. Я. Концепции современного естествознания. М., ИВЦ «Маркетинг»; Новосибирск, ЮКЭА, 2000. С. 564 – 589, 657 – 682.
Лихин А. Ф. Концепции современного естествознания. М., Проспект, 2004. С. 194 – 203.
Карпенков С. Х. Концепции современного естествознания. М., Культура и спорт, ЮНИТИ, 1997. С. 303 – 311.
Рузавин Г. И. Концепции современного естествознания. М., Культура и спорт, ЮНИТИ, 1999. С. 164 – 171.
Методические рекомендации для подготовки к семинару по теме № 8 «Кодирование и воспроизводство биологической информации»
Гормоны. Важно обратить внимание на то, что в организме человека имеются две системы управления: нервная система и гормональная система. Следует отметить, что гормоны являются белками. Количество некоторых гормонов в организме настолько ничтожно, что все человечество вырабатывает их всего лишь в количестве нескольких граммов в день. Однако практически ни один процесс в организме без гормонов не обходится. Важно отметить, что гормоны переносятся кровью.
Рассказывая про гормоны, интересно привести некоторые исторические факты. Например, о том, как наблюдательность одного служителя викария[49] помогла сделать открытие: гормон инсулин, снижающий уровень сахара в крови, вырабатывается поджелудочной железой. Другой интересный исторический факт повествует об удивительной интуиции Юлия Цезаря. Он, разумеется, ничего не знал про гормоны адреналин и норадреналин ‒ гормоны, вызывающие соответственно страх и агрессию, расширяющие и сужающие кровеносные сосуды. Но в его лучших легионах служили солдаты, которые при виде врага краснели, а не бледнели.
История исследования структуры молекулы ДНК. В результате длительных исследований в первой половине XX века ученые пришли к выводу о том, что носителями генетической информации являются нуклеиновые кислоты, а не белки. В этом открытии выдающую роль сыграли опыты Фредерика Гриффита в 1928 году, Альфреда Херши и Марты Чейз в 1952 году. Важно подчеркнуть, что ученые пришли к выводу: чтобы понять, как ДНК управляет клеткой, надо выяснить структуру этой молекулы. Исследования Эрвина Чаргаффа 1950 – 1953 годов позволили сформулировать принцип комплементарности. Но решающие исследования провела в 1952 – 1953 годах Розалинд Франклин, работающая под руководством Мориса Уилкинса, когда она исследовала образцы ДНК с помощью рентгеноструктурного анализа. Точку в понимании структуры молекулы ДНК поставили генетик Джеймс Уотсон и физик Фрэнсис Крик. Но следует обратить внимание: ученый мир поразила даже не изящная модель самой молекулы, а гениальная догадка Уотсона и Крика о том, как после разделения ДНК на две ветви исходная структура в точности может восстанавливаться, образуя две молекулы.
Любопытно рассказать, что именно Георгий Антонович Гамов догадался, что кодировать аминокислоты должны кодоны – тройки азотистых оснований. Тот самый Гамов, который разработал гипотезу Большого взрыва.