Вопрос 1. Вспомните полное определение понятия «жизнь».
В середине XIX в. Фридрих Энгельс писал: «Жизнь есть способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей их внешней природой, причем с прекращением этого обмена веществ прекращается и жизнь, что приводит к разложению белка». На современном уровне знаний это классическое определение жизни дополнено представлением об исключительной значимости нуклеиновых кислот - молекул, которые содержат генетическую информацию, позволяющую организмам самовозобновляться и самовоспроизводиться (размножаться).
Приведем одно из современных определений,. данное советским учёным-биологом М.В.Волькенштейном 1965 г.), «Живые тела, существующие на Земле, представляют собой открытые, саморегулирующиеся и самовоспроизводящиеся системы, построенные из биополимеров - белков и нуклеиновых кислот». При этом понятие «открытая система» подразумевает отмеченный еще Ф. Энгельсом обмен веществами и энергией с окружающей средой (питание, дыхание, выделение); понятие «саморегуляция» - способность к поддержанию постоянства химического состава, структуры и свойств. Важным условием успешной саморегуляции является раздражимость - способность организма реагировать на информацию, поступающую из внешнего мира.
Вопрос 2. Назовите основные свойства генетического кода и поясните их значение.
Генетический код – это последовательность нуклеотидов в ДНК, контролирующая последовательность аминокислот в белковой молекуле.
Свойства кода
1. Триплетность. Одну аминокислоту кодирует три нуклеотида, которые называют триплетом или кодоном.
2. Вырожденность или избыточность. Каждая аминокислота зашифрована более чем одним кодоном. Для кодирования 20 аминокислот (в основном столько входит в состав белка) используется 61 комбинация нуклеотидов (4 3 = 64). Три кодона: УАА, УАГ, УГА - называют триплетами терминации, т.е. они несут информацию о прекращении синтеза белка.
3. Универсальность. У всех организмов на Земле одни и те же триплеты кодируют одинаковые аминокислоты.
4. Однозначность. Каждый триплет кодирует только одну аминокислоту.
5. Колинеарность или линейность. Нуклеотиды в ДНК и и-РНК располагаются линейно и так же линейно будут расположены аминокислоты в белковой молекуле.
6. Неперекрываемость. Информация считывается триплетами, т.е. каждый нуклеотид входит в состав только одного кодона.
7. Полярность. Существуют триплеты, определяющие начало и конец отдельных генов. т.д.
Вопрос 3. Какова сущность процесса передачи наследственной информации из поколения в поколение и из ядра в цитоплазму, к месту синтеза белка?
При передаче наследственной информации из поколения в поколение молекулы ДНК удваиваются в процессе дупликации. Каждая дочерняя клетка получает одну из двух идентичных молекул ДНК. При бесполом размножении генотип дочернего организма идентичен материнскому. При половом размножении организм потомка получает собственный диплоидный набор хромосом, собранный из гаплоидного материнского и гаплоидного отцовского наборов.
При передаче наследственной информации из ядра в цитоплазму ключевым процессом является транскрипция - синтез РНК на ДНК. Синтезированная молекула иРНК является комплементарной копией определенного фрагмента ДНК - гена и содержит информацию о строении определенного белка. Такая молекула иРНК является посредником между хранилищем генетической информации - ядром и цитоплазмой с рибосомами, где создаются белки. Рибосомы используют иРНК как матрицу («инструкцию») для синтеза белка в процессе трансляции.
Вопрос 4. Где синтезируются рибонуклеиновые кислоты?
Рибонуклеиновые кислоты синтезируются в ядре. Образование рРНК и сборка субъединиц рибосом происходят в особых участках ядра - ядрышках. Небольшое количество РНК синтезируется в митохондриях и пластидах, где имеется собственная ДНК и собственные рибосомы.
Вопрос 5. Расскажите, где происходит синтез белка и как он осуществляется.
Синтез белка происходит в цитоплазме и осуществляется с помощью специализированных органоидов - рибосом. Молекула иРНК соединяется с рибосомой тем концом, с которого должен начаться синтез белка. Аминокислоты, необходимые для синтеза белковой цепи, доставляются молекулами транспорт¬ных РНК (тРНК). Каждая тРНК может переносить только одну из 20 аминокислот (например, только цистеин). Какую конкретно аминокислоту переносит тРНК, определяет триплет нуклеотидов, расположенный на верхушке центральной петли тРНК, - антикодон. Если антикодон окажется комплементарен триплету нуклеотидов иРНК, находящемуся в данный момент в контакте с рибосомой, про¬изойдет временное связывание тРНК с иРНК, и аминокислота будет включена в белковую цепь.BR> На следующем этапе освободившаяся тРНК уйдет в цитоплазму, а рибосома сделает «шаг» и сдвинется к следующему триплету иРНК. Затем к этому триплету подойдет тРНК с соответствующим антикодоном и доставит очередную аминокислоту, которая будет присоединена к растущему белку.
Таким образом, включение аминокислот в белковую цепь происходит строго в соответствии с последовательностью расположения триплетов цепи иРНК.
Всю последовательность процессов, происходящих при синтезе белковых молекул, можно объединить в три этапа:
I Транскрипция
- (лат. transcriptio
-переписывание)- это переписывание информации по принципу комплементарности с ДНК на и-РНК.
II Процессинг
- (лат. processing
- обработка) – это созревание и-РНК.
В результате процессинга образуется короткая зрелая и-РНК или еще ее называют матричная (м-РНК). Эти два этапа идут в ядре. Через ядерные поры зрелая короткая и-РНК выходит в цитоплазму.
III Трансляция
- (лат. translatio
– перевод) - это синтез на рибосомах полипептидных цепей. На и-РНК может объединиться несколько рибосом и такая структура называется полирибосома или полисома. Аминокислоты, из которых синтезируются белки, доставляются к рибосомам с помощью т-РНК. К основанию т-РНК присоединяется аминокислота, которая кодируется антикодоном.
Специфичность белка определяется порядком, количеством и разнообразием аминокислот, входящих в его состав.
Сначала, установите последовательность этапов биосинтеза белка, начиная с транскрипции. Всю последовательность процессов, происходящих при синтезе белковых молекул, можно объединить в 2 этапа:
Транскрипция.
Трансляция.
Структурными единицами наследственной информации являются гены – участки молекулы ДНК, кодирующие синтез определенного белка. По химической организации материал наследственности и изменчивости про- и эукариот принципиально не отличается. Генетический материал в них представлен в молекуле ДНК, общим является также принцип записи наследственной информации и генетический код. Одни и те же аминокислоты у про — и эукариот шифруются одинаковыми кодонами.
Геном современных прокариотических клеток характеризуется относительно небольшими размерами, ДНК кишечной палочки имеет вид кольца, длиной около 1 мм. Она содержит 4 х 10 6 пар нуклеотидов, образующих около 4000 генов. В 1961 г. Ф. Жакоб и Ж. Моно открыли цистронную, или непрерывную организацию генов прокариот, которые полностью состоят из кодирующих нуклеотидных последовательностей, и они целиком реализуются в ходе синтеза белков. Наследственный материал молекулы ДНК прокариот располагается непосредственно в цитоплазме клетки, где также находятся необходимые для экспрессии генов тРНК и ферменты.Экспрессия- это функциональная активность генов, или выражение генов. Поэтому синтезированная с ДНК иРНК способна сразу выполнять функцию матрицы в процессе трансляции синтеза белка.
Геном эукариот содержит значительно больше наследственного материала. У человека общая длина ДНК в диплоидном наборе хромосом составляет около 174 см. Она содержит 3 х 10 9 пар нуклеотидов и включает до 100000 генов. В 1977 г. была обнаружена прерывистость в строении большинства генов эукариот, получивший название «мозаичный» ген. Для него характерны кодирующие нуклеотидные последовательности экзонные и интронные участки. Для синтеза белка используется только информация экзонов. Количество интронов варьирует в разных генах. Установлено,что ген овальбумина кур включает 7 интронов, а ген проколлагена млекопитающих – 50. Функции молчащей ДНК – интронов окончательно не выяснены. Предполагают, что они обеспечивают: 1) структурную организацию хроматина; 2) некоторые из них, очевидно, участвуют в регуляции экспрессии генов; 3) интроны можно считать запасом информации для изменчивости; 4) они могут играть защитную роль, принимая на себя действие мутагенов.
Транскрипция
Процесс переписывания информации в ядре клетки с участка молекулы ДНК на молекулу мРНК (иРНК) называется транскрипция (лат. Transcriptio – переписывание). Синтезируется первичный продукт гена- мРНК. Это первый этап белкового синтеза. На соответствующем участке ДНК фермент РНК–полимераза узнает знак начала транскрипции – промотр. Стартовой точкой считается первый нуклеотид ДНК, который включается ферментом в РНК-транскрипт. Как правило, кодирующие участки начинаются кодоном АУГ, иногда у бактерий используется ГУГ. Когда РНК-полимераза связывается с промотором, происходит локальное расплетание двойной спирали ДНК и копируется одна из цепей по принципу комплементарности. Синтезируется мРНК, скорость сборки её достигает 50 нуклеотидов в секунду. По мере движения РНК–полимеразы, растёт цепь мРНК, и когда фермент достигнет конца копирующего участка – терминатора , мРНК отходит от матрицы. Двойная спираль ДНК позади фермента восстанавливается.
Транскипция прокариот осуществляется в цитоплазме. В связи с тем, что ДНК целиком состоит из кодирующих нуклеотидных последовательностей, поэтому синтезированная мРНК сразу выполняет функцию матрицы для трансляции (см. выше).
Транскрипция мРНК у эукариот происходит в ядре. Она начинается синтезом больших по размерам молекул — предшественников (про-мРНК), называемых незрелой, или ядерной РНК.Первичный продукт гена- про-мРНК является точной копией транскрибированного участка ДНК, включает экзоны и интроны. Процесс формирования зрелых молекул РНК из предшественников называется процессингом . Созревание мРНК происходит путём сплайсинга – это вырезания ферментами рестриктаз интронов и соединение участков с транскрибируемыми последовательностями экзонов ферментами лигаз. (Рис.).Зрелая мРНК значительно короче молекул-предшественников про – мРНК, размеры интронов в них варьирует от 100 до 1000 нуклеотидов и более. На долю интронов приходится около 80% всей незрелой мРНК.
В настоящее время доказана возможность альтернативного сплайсинга, при котором из одного первичного транскрипта могут удалятся в разных его участках нуклеотидные последовательности и будут образовываться несколько зрелых мРНК. Данный вид сплайсинга характерен в системе генов иммуноглобулинов у млекопитающих, что даёт возможность формировать на основе одного транскрипта мРНК разные виды антител.
По завершению процессинга зрелая мРНК проходит отбор перед выходом из ядра. Установлено, что в цитоплазму попадает всего 5% зрелой мРНК, а остальная часть расщепляется в ядре.
Трансляция
Трансляция (лат. Translatio — передача, перенесение) — перевод информации, заключенной в последовательности нуклеотидов молекулы мРНК,в последовательность аминокислот полипептидной цепи (Рис. 10). Это второй этап белкового синтеза. Перенос зрелой мРНК через поры ядерной оболочки производят специальные белки, которые образуют комплекс с молекулой РНК. Кроме транспорта мРНК, эти белки защищают мРНК от повреждающего действия цитоплазматических ферментов. В процессе трансляции центральная роль принадлежит тРНК, они обеспечивают точное соответствие аминокислоты коду триплета мРНК. Процесс трансляции- декодирования происходит в рибосомах и осуществляется в направлении от 5 к 3 , Комплекс мРНК и рибосом называется полисомой.
В ходе трансляции можно выделить три фазы: инициацию, элонгацию и терминацию.
Инициация.
На этом этапе происходит сборка всего комплекса, участвующего в синтезе молекулы белка. Происходит объединение двух субъединиц рибосом на определённом участке мРНК, присоединение к ней первой аминоацил – тРНК и этим задаётся рамка считывания информации. В молекуле любой м-РНК есть участок, комплементарный р-РНК малой субединицы рибосомы и специфически ею управляемый. Рядом с ним находится инициирующий стартовый кодон АУГ, который кодирует аминокислоту метионин.Фаза инициации завершается образованием комплекса:рибосома, -мРНК- инициирующая аминоацил-тРНК.
Элонгация
— она включает все реакции от момента образования первой пептидной связи до присоединения последней аминокислоты. На рибосоме имеется два участка для связывания двух молекул т-РНК. В одном участке-пептидильном(П) находится первая т-РНК с аминокислотой метионин и с него начинается синтез любой молекулы белка. Во второй участок рибосомы- аминоацильный (А) поступает вторая молекула т-РНК и присоединяется к своему кодону. Между метионином и второй аминокислотой образуется пептидная связь. Вторая т-РНК перемещается вместе со своим кодоном м-РНК в пептидильный центр. Перемещение т-РНК с полипептидной цепочкой из аминоацильного центра в пептидильный сопровождается продвижением рибосомы по м-РНК на шаг, соответствующий одному кодону. Т-РНК, доставившая метионин, возвращается в цитоплазму, амноацильный центр освобождается. В него поступает новая т-РНК с аминокислотой, зашифрованной очередным кодоном. Между третьей и второй аминокислотами образуется пептидная связь и третья т-РНК вместе с кодоном м-РНК перемещается в пептидильный центр.Процесс элонгации, удлинения белковой цепи. Продолжается до тех пор, пока в рибосому не попадёт один из трёх кодонов, не кодирующих аминокислоты. Это кодон — терминатор и для него не существует соответствущей т-РНК, поэтому ни одна из т-РНК не может занять место в аминоацильном центре.
Терминация
– завершение синтеза полипептида. Она связана с узнаванием специфическим рибосомным белком одного из терминирующих кодонов (УАА, УАГ, УГА), когда он будет входить в аминоацильный центр. К рибосоме присоединяется специальный фактор терминации, который способствует разъединению субъединиц рибосомы и освобождению синтезированной молекулы белка. К последней аминокислоте пептида присоединяется вода и её карбоксильный конец отделяется от т-РНК.
Сборка пептидной цепи осуществляется с большой скоростью. У бактерий при температуре 37°С она выражается в добавлении к полипептиду от 12 до 17 аминокислот в секунду. В эукариотических клетках к полипептиду добавляется две аминокислоты в одну секунду.
Синтезированная полипептидная цепь затем поступает в комплекс Гольджи, где завершается построение белковой молекулы (последовательно возникают вторая, третья, четвертая структуры). Здесь же происходит комплексование белковых молекул с жирами и углеводами.
Весь процесс биосинтеза белка представлен в виде схемы: ДНК ® про иРНК ® мРНК ® полипептидная цепь ® белок® комплексование белков и их преобразование в функционально активные молекулы.
Этапы реализации наследственной информации также протекают сходным образом: сначала она транскрибируется в нуклеотидную последовательность мРНК, а затем транслируется в аминокислотную последовательность полипептида на рибосомах с участием тРНК.
Транскрипция эукариот осуществляется под действием трех ядерных РНК-полимераз. РНК-полимераза 1 находится в ядрышках и отвечает за транскрипцию генов рРНК. РНК-полимераза 2 находится в ядерном соке и отвечает за синтез предшественника мРНК. РНК-полимераза 3 –небольшая фракция в ядерном соке, которая осуществляет синтез малых рРНК и тРНК. РНК-полимеразы специфически узнают нуклеотидную последовательность транскрипции-промотор. Эукариотическая мРНК вначале синтезируется в виде предшественницы (про- иРНК), на нее списывается информация с экзонов и интронов. Синтезированная мРНК обладает большими, чем необходимо для трансляции размерами и оказывается менее стабильной.
В процессе созревания молекулы мРНК с помощью ферментов рестриктаз вырезаются интроны, а с помощью ферментов – лигаз сшиваются экзоны. Созревание мРНК называется процессингом, сшивание экзонов называется сплайсингом. Таким образом, зрелая мРНК содержит только экзоны и она значительно короче её предшественницы – про- иРНК. Размеры интронов варьируют от 100 до 10000 нуклеотидов и более. На долю интонов приходится около 80% всей незрелой мРНК. В настоящее время доказана возможность альтернативного сплайсинга, при котором из одного первичного транскрипта могут удаляться в разных его участках нуклеотидные последовательности и будут образовываться несколько зрелых мРНК. Данный вид сплайсинга характерен в системе генов иммуноглобулинов у млекопитающих, что даёт возможность формировать на основе одного транскрипта мРНК разные виды антител. По завершению процессинга зрелая мРНК проходит отбор перед выходом в цитоплазму из ядра. Установлено, что попадает всего 5% зрелой мРНК, а остальная часть расщепляется в ядре. Преобразование первичных транскриптонов эукариотических генов, связанное с их экзон-интронной организацией, и в связи с переходом зрелой мРНК из ядра в цитоплазму, определяет особенности реализации генетической информации эукариот. Следовательно, мозаичный ген эукариот не является геном цистроном, так как не вся последовательность ДНК используется для синтеза белка.
1. Дайте определения понятий.
Генетический код
– набор сочетаний из трех нуклеотидов, кодирующих 20 типов аминокислот, входящих в состав белка.
Триплет
– три стоящих подряд нуклеотида.
Антикодон
– участок в тРНК, состоящий из трех неспаренных нуклеотидов, специфически связывающийся с кодоном мРНК.
Транскрипция
– процесс синтеза РНК с использованием ДНК в качестве матрицы, происходящий во всех живых клетках.
Трансляция
– процесс синтеза белка из аминокислот на матрице иРНК (мРНК), осуществляемый рибосомой.
2. Сравните понятия «генетическая информация» и «генетический код». В чем их принципиальные отличия?
Генетическая информация – информация о строении белков, закодированная с помощью последовательности нуклеотидов – генетического кода – в генах.
Иными словами, генетический код – принцип записи генетической информации. Информация – это сведения, а код – это то, как сведения передаются.
3. Заполните кластер «Свойства генетического кода».
Свойства: триплетность, однозначность, избыточность, неперекрываемость, полярность, универсальность.
4. В чем заключается биологический смысл избыточности генетического кода?
Так как на 20 аминокислот, входящих в состав белков, приходится 61 кодон, некоторые аминокислоты кодируются более чем одним кодоном (т. н. вырожденность кода).
Такая избыточность повышает надежность кода и всего механизма биосинтеза белка.
5. Объясните, что такое реакции матричного синтеза. Почему их так называют?
Это синтез сложных полимерных молекул в живых клетках, происходящий на основе закодированной на матрице (молекуле ДНК, РНК) генетической информации клетки. Матричный синтез происходит при репликации ДНК, при транскрипции и трансляции. Он лежит в основе процесса воспроизведения себе подобного.
6. Зарисуйте схематично молекулу тРНК и подпишите ее основные части.
7. Заполните таблицу.
РОЛЬ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ В БИОСИНТЕЗЕ БЕЛКА
8. Одна из цепей ДНК имеет следующую последовательность нуклеотидов:
Ц-Т-Т-А-А-Ц-А-Ц-Ц-Ц-Ц-Т-Г-А-Ц-Г-Т-Г-А-Ц-Г-Ц-Г-Г-Ц-Ц-Г
Напишите структуру иРНК, синтезированной на этой цепи. Каким будет аминокислотный состав фрагмента белка, синтезированного на основе этой информации в рибосоме?
иРНК
Г-А-А-У-У-Г-У-Г-Г-Г-Г-А-Ц-У-Г-Ц-А-Ц-У-Г-Ц-Г-Ц-Ц-Г-Г-Ц-
Полипептидная цепь
Глу-ле-трп-гли-лей-гис-цис-ала-гли.
9. Изобразите схематично процесс синтеза белка.
10. Заполните таблицу.
ЭТАПЫ РЕАЛИЗАЦИИ НАСЛЕДСТВЕННОЙ ИНФОРМАЦИИ В КЛЕТКЕ
11. Прочитайте § 2.10 и подготовьте ответ на вопрос: «Почему расшифровка генетического кода является одним из важнейших научных открытий современности?»
Расшифровка генетического кода, т. е. определение «смысла» каждого кодона и тех правил, по которым считывается генетическая информация, считается одним из наиболее ярких достижений молекулярной биологии.
Доказано, что код универсален для живого. Открытие и расшифровка кода может помочь найти пути лечения различных хромосомных, геномных заболевания, изучить механизм процессов обмена веществ на клеточном и молекулярном уровне.
Стремительно накапливается огромное количество экспериментальных данных. Начался новый этап изучения ДНК. Молекулярная биология обратилась к гораздо более сложным надмолекулярными и клеточным системам. Оказалось возможным подойти к проблемам, связанным с молекулярной генетикой эукариот, с явлениями онтогенеза.
12. Выберите правильный ответ.
Тест 1.
Синтез белка не может происходить:
2) в лизосоме;
Тест 2.
Транскрипция - это:
3) синтез иРНК на ДНК;
Тест 3.
Все аминокислоты, входящие в состав белка, кодируются:
4) 64 триплетами.
Тест 4.
Если для синтеза белка взять рибосомы морского окуня, ферменты и аминокислоты серой вороны, АТФ прыткой ящерицы, иРНК дикого кролика, то будет синтезироваться белок:
4) дикого кролика.
13. Установите соответствие между свойствами генетического кода и их характеристиками.
Свойства генетического кода
1. Триплетность
3. Однозначность
4. Универсальность
5. Неперекрываемость
6. Полярность
Характеристика
A. Каждый нуклеотид входит в состав только одного триплета
Б. Генетический код одинаков у всех живых организмов Земли
B. Одну аминокислоту кодируют три стоящих подряд нуклеотида
Г. Некоторые триплеты определяют начало и конец трансляции
Д. Каждый триплет кодирует только одну определенную аминокислоту
Е. Аминокислота может определяться более чем одним триплетом.
14. Вставьте недостающий элемент.
Нуклеотид – Буква
Триплет – Слово
Ген – Предложение
15. Объясните происхождение и общее значение слова (термина), опираясь на значение корней, его составляющих.
16. Выберите термин и объясните, насколько его современное значение соответствует первоначальному значению его корней.
Выбранный термин – транскрипция.
Соответствие – термин соответствует первоначальному значению, так как идет перенос генетической информации с ДНК на РНК.
17. Сформулируйте и запишите основные идеи § 2.10.
Генетическая информация у живых организмов записан при помощи генетического кода. Код – это набор сочетаний из трех нуклеотидов (триплетов), кодирующих 20 типов аминокислот, входящих в состав белка. Код обладает свойствами:
1. Триплетность
2. Вырожденность (избыточность)
3. Однозначность
4. Универсальность
5. Неперекрываемость
6. Полярность.
Процессы, при помощи которых синтезируются сложные полимерные молекулы в живых клетках, происходят на основе закодированной на матрице (молекуле ДНК, РНК) генетической информации клетки. Матричный синтез – это репликация ДНК, транскрипция и трансляция.
После открытия принципа молекулярной организации такого вещества, как ДНК в 1953 году, начала развиваться молекулярная биология. Далее в процессе исследований ученые выяснили как рекомбенируется ДНК, ее состав и как устроен наш человеческий геном.
Каждый день на молекулярном уровне происходят сложнейшие процессы. Как устроена молекула ДНК, из чего она состоит? И какую роль играют в клетке молекулы ДНК? Расскажем подробно обо всех процессах, происходящих внутри двойной цепи.
Что такое наследственная информация?
Итак, с чего все начиналось? Еще в 1868 нашли в ядрах бактерий. А в 1928 г. Н. Кольцов выдвинул теорию о том, что именно в ДНК зашифрована вся генетическая информация о живом организме. Затем Дж. Уотсон и Ф. Крик нашли модель всем теперь известной спирали ДНК в 1953 году, за что заслужено получили признание и награду — Нобелевскую премию.
Что такое вообще ДНК? Это вещество состоит из 2 объединенных нитей, точнее спиралей. Участок такой цепочки с определенной информацией называется геном.
В ДНК хранится вся информация о том, что за белки будут формироваться и в каком порядке. Макромолекула ДНК — это материальный носитель невероятно объемной информации, которая записана строгой последовательностью отдельных кирпичиков — нуклеотидов. Всего нуклеотидов 4, они дополняют друг друга химически и геометрически. Этот принцип дополнения, или комплементарности, в науке будет описан позже. Это правило играет ключевую роль в кодировке и декодировании генетической информации.
Так как нить ДНК невероятно длинная, повторений в этой последовательности не бывает. У каждого живого существа собственная уникальная цепочка ДНК.
Функции ДНК
К функциям относятся хранение наследственной информации и ее
передача потомству. Без этой функции геном вида не мог бы сохраняться и развиваться на протяжении тысячелетий.
Организмы, которые претерпели серьезные
мутации генов, чаще не выживают или теряют способность производить потомство. Так происходит природная защита от вырождения вида.
Еще одна существенно важная функция — реализация хранимой информации. Клетка не может создать ни одного жизненно важного белка без тех инструкций, которые хранятся в двойной цепочке.
Состав нуклеиновых кислот
Сейчас уже достоверно известно, из чего состоят сами нуклеотиды — кирпичики ДНК. В их состав входят 3 вещества:
- Ортофосфорная кислота.
- Азотистое основание. Пиримидиновые основания — которые имеют только одно кольцо. К ним относят тимин и цитозин. Пуриновые основания, в составе которых присутствуют 2 кольца. Это гуанин и аденин.
- Сахароза. В составе ДНК — дезоксирибоза, В РНК — рибоза.
Число нуклеотидов всегда равно числу азотистых оснований. В специальных лабораториях расщепляют нуклеотид и выделяют из него азотистое основание. Так изучают отдельные свойства этих нуклеотидов и возможные мутации в них.
Уровни организации наследственной информации
Разделяют 3 уровня организации: генный, хромосомный и геномный. Вся информация, нужная для синтеза нового белка, содержится на небольшом участке цепочки — гене. То есть ген считается низший и самый простой уровень кодировки информации.
Гены, в свою очередь, собраны в хромосомы. Благодаря такой организации носителя наследственного материала группы признаков по определенным законам чередуются и передаются от одного поколения к другому. Надо заметить, генов в организме невероятно много, но информация не теряется, даже когда много раз рекомбенируется.
Разделяют несколько видов генов:
- по функциональному назначению выделяют 2 типа: структурные и регуляторные последовательности;
- по влиянию на процессы, протекающие в клетке, различают: супервитальные, летальные, условно летальные гены, а также гены мутаторы и антимутаторы.
Располагаются гены вдоль хромосомы в линейном порядке. В хромосомах информация сфокусирована не вразброс, существует определенный порядок. Существует даже карта, в которой отображены позиции, или локусы генов. Например, известно, что в хромосоме № 18 зашифрованы данные о цвете глаз ребенка .
А что же такое геном? Так называют всю совокупность нуклеотидных последовательностей в клетке организма. Геном характеризует целый вид, а не отдельную особь.
Каков генетический код человека?
Дело в том, что весь огромнейший потенциал человеческого развития заложен уже в период зачатия. Вся наследственная информация, которая необходима для развития зиготы и роста ребенка уже после рождения, зашифрована в генах. Участки ДНК и есть самые основные носители наследственной информации.
У человека 46 хромосом, или 22 соматические пары плюс по одной определяющей пол хромосоме от каждого родителя. Этот диплоидный набор хромосом кодирует весь физический облик человека, его умственные и физические способности и предрасположенность к заболеваниям. Соматические хромосомы внешне неразличимы, но несут они разную информацию, так как одна из них от отца, другая - от матери.
Мужской код отличается от женского последней парой хромосом — ХУ. Женский диплоидный набор — это последняя пара, ХХ. Мужчинам достается одна Х-хромосома от биологической матери, и затем она передается дочерям. Половая У-хромосома передается сыновьям.
Хромосомы человека значительно разнятся по размеру. Например, самая маленькая пара хромосом - №17. А самая большая пара - 1 и 3.
Диаметр двойной спирали у человека - всего 2 нм. ДНК настолько плотно закручена, что вмещается в маленьком ядре клетки, хотя ее длина будет достигать 2 метров, если ее раскрутить. Длина спирали — это сотни миллионов нуклеотидов.
Как передается генетический код?
Итак, какую роль играют в клетке молекулы ДНК при делении? Гены — носители наследственной информации - находятся внутри каждой клетки организма. Чтобы передать свой код дочернему организму, многие существа делят свое ДНК на 2 одинаковые спирали. Это называется репликацией. В процессе репликации ДНК расплетается и специальные «машины» дополняют каждую цепочку. После того как раздвоится генетическая спираль, начинает делиться ядро и все органеллы, а затем и вся клетка.
Но у человека другой процесс передачи генов - половой. Признаки отца и матери перемешиваются, в новом генетическом коде содержится информация от обоих родителей.
Хранение и передача наследственной информации возможны благодаря сложной организации спирали ДНК. Ведь как мы говорили, структура белков зашифрована именно в генах. Раз создавшись во время зачатия, этот код на протяжении всей жизни будет копировать сам себя. Кариотип (личный набор хромосом) не изменяется во время обновления клеток органов. Передача же информации осуществляется с помощью половых гамет — мужских и женских.
Передавать свою информацию потомству не способны только вирусы, содержащие одну цепочку РНК. Поэтому, чтобы воспроизводиться, им нужны клетки человека или животного.
Реализация наследственной информации
В ядре клетки постоянно происходят важные процессы. Вся информация, записанная в хромосомах, используется для построения белков из аминокислот. Но цепочка ДНК никогда не покидает ядро, поэтому здесь нужна помощь другого важного соединения = РНК. Как раз РНК способно проникнуть через мембрану ядра и взаимодействовать с цепочкой ДНК.
Посредством взаимодействия ДНК и 3 видов РНК происходит реализация всей закодированной информации. На каком уровне происходит реализация наследственной информации? Все взаимодействия происходят на уровне нуклеотидов. Информационная РНК копирует участок цепи ДНК и приносит эту копию в рибосому. Здесь начинается синтез из нуклеотидов новой молекулы.
Для того чтобы иРНК могла скопировать необходимую часть цепи, спираль разворачивается, а затем, по завершении процесса перекодировки, снова восстанавливается. Причем этот процесс может происходить одновременно на 2 сторонах 1 хромосомы.
Принцип комплементарности
Состоят из 4 нуклеотидов — это аденин (А), гуанин (G), цитозин (С), тимин (T). Соединены они водородными связями по правилу комплементарности. Работы Э. Чаргаффа помогли установить это правило, так как ученый заметил некоторые закономерности в поведении этих веществ. Э. Чаргафф открыл, что молярное отношение аденина к тимину равно единице. И точно так же отношение гуанина к цитозину всегда равно единице.
На основе его работ генетики сформировали правило взаимодействия нуклеотидов. Правило комплементарности гласит, что аденин соединяется только с тимином, а гуанин - с цитозином. Во время декодирования спирали и синтеза нового белка в рибосоме такое правило чередования помогает быстро найти необходимую аминокислоту, которая прикреплена к транспортной РНК.
РНК и его виды
Что такое наследственная информация? нуклеотидов в двойной цепи ДНК. А что такое РНК? В чем заключается ее работа? РНК, или рибонуклеиновая кислота, помогает извлекать информацию из ДНК, декодировать ее и на основе принципа комплементарности создавать необходимые клеткам белки.
Всего выделяют 3 вида РНК. Каждая из них выполняет строго свою функцию.
- Информационная (иРНК) , или еще ее называют матричная. Она заходит прямо в центр клетки, в ядро. Находит в одной из хромосом необходимый генетический материал для постройки белка и копирует одну из сторон двойной цепи. Копирование происходит снова по принципу комплементарности.
- Транспортная — это небольшая молекула, у которой на одной стороне декодеры-нуклеотиды, а на другой стороне соответствующие основному коду аминокислоты. Задача тРНК — доставить в «цех», то есть в рибосому, где синтезирует необходимую аминокислоту.
- рРНК — рибосомная. Она контролирует количество белка, который продуцируется. Состоит из 2 частей — аминокислотного и пептидного участка.
Единственное отличие при декодировании — у РНК нет тимина. Вместо тимина тут присутствует урацил. Но потом, в процессе синтеза белка, при ТРНК все равно правильно устанавливает все аминокислоты. Если же происходят какие-то сбои в декодировании информации, то возникает мутация.
Репарация поврежденной молекулы ДНК
Процесс восстановления поврежденной двойной цепочки называется репарацией. В процессе репарации поврежденные гены удаляются.
Затем необходимая последовательность элементов в точности воспроизводиться и врезается обратно в то же место на цепи, откуда было извлечено. Все это происходит благодаря специальным химическим веществам — ферментам.
Почему происходят мутации?
Почему некоторые гены начинают мутировать и перестают выполнять свою функцию — хранение жизненно необходимой наследственной информации? Это происходит из-за ошибки при декодировании. Например, если аденин случайно заменен на тимин.
Существуют также хромосомные и геномные мутации. Хромосомные мутации случаются, если участки наследственной информации выпадают, удваиваются либо вообще переносятся и встраиваются в другую хромосому.
Геномные мутации наиболее серьезны . Их причина - это изменение числа хромосом. То есть когда вместо пары — диплоидного набора присутствует в кариотипе триплоидный набор.
Наиболее известный пример триплоидной мутации — это синдром Дауна, при котором личный набор хромосом 47. У таких детей образуется 3 хромосомы на месте 21-й пары.
Известна также такая мутация, как полиплодия. Но полиплодия встречается только у растений.
I. Транскрипция - синтез всех видов РНК на матрице ДНК . Транскрипция, или переписывание, происходит не на всей молекуле ДНК, а на участке, отвечающем за определенный белок (ген).
Условия, необходимые для транскрипции:
а) разкручивание участка ДНК с помощью расплетающих белков-ферментов
б) наличие строительного материала в виде АТФ. ГТФ. УТФ. 1ДТФ
5. Существуют функциональные и структурные гены. Структурные гены кодируют синтез белковой молекулы. Различают структурные гены, кодирующие как структурные белки, так и ферментные белки, а также гены с информацией о синтезе тРНК, рРНК и др.
6. Функциональные гены не кодируют белок, а контролируют и направляют деятельность структурных генов.
7. Расположение триплетов нуклеотидов в структурных генах коллинеарно соответствует расположению аминокислот в молекуле белка.
8. Участки молекулы ДНК, входящие в состав гена, способны к восстановлению, т.е. к репарации, поэтому, не все изменения последовательности нуклеотидов в участке ДНК ведут к мутациям.
9. Генотип состоит из отдельных генов (дискретен), но функционирует как единое целое, т.к. гены способны взаимодействовать, влиять друг на друга. На функцию генов влияют факторы как внутренней, так и внешней среды.
Ген имеет ряд свойств:
Дискретность действия;
Стабильность (постоянство);
Передача наследственной информации в неизменяющемся виде, при отсутствии мутации;
Лабильность (изменение) генов, связана с их способностью к мутациям;
Специфичность - каждый ген обуславливает развитие определённого признака;
Плейотропия - один ген может отвечать за несколько признаков;
Экспрессивность - степень выраженности признака;
Пенентратность - частота проявления гена среди его носителей.
Геном человека содержит около 30 тысяч различных генов. Одни из них активны, другие - заблокированы. Весь объём генетической информации находится под строгим контролем регуляторных механизмов. Все гены взаимосвязаны между собой, образуя единую систему. Регуляция их активности осуществляется по сложным механизмам.
Сюда включаются процессы регуляции активности генов на этапах транскрипции (до, во время, после неё), трансляции (до, во время, после неё), а также согласованной каскадной групповой регуляции работы генов (их экспрессии), участии в этом процессе гормонов (сигнальных веществ), химической модификации ДНК (рис.8).
Рис. 8. Схема регуляции транскрипции структурных генов у прокариотической клетки по типу индукции.
Экспрессия (проявление активности гена) отдельного гена зависит от того, в каком состоянии этот ген находится. Поэтому существует различная пенентрантности (процентное количественное фенотипическое проявление гена) и экспрессивности (степень выраженности гена). Эти понятия были впервые введены в генетику М.В. Тимофеевым-Рессовским . Конкретный генотип человека определяется фенотипической степенью выраженности патологического признака, детерминированным определенным геном (экспрессивностью), даже вплоть до отсутствия клинической картины патологии при наличии в генотипе мутантных аллелей.
Лексико-грамматические задания:
Задание № 1. Замените придаточные определительные причастным оборотом.
1. Ген - единица наследственности, которая определяет развитие какого-либо одного признака.
2. Гены, которые находятся в хромосомах, занимают определённое место - локус.
3. Реализацию информации, которая закодирована в гене, представляют в виде схемы.
4. Ген - часть молекулы ДНК, которая отличается определённой последовательностью нуклеотидов.
5. Количество нуклеотидов, которые входят в состав различных генов, разное.
Задание № 2. Замените пассивные конструкции активными.
1. Синтез белковой молекулы кодируется структурными генами.
2. Деятельность структурных генов контролируется и направляется функциональными генами.
что влияет на что Гены способны влиять друг на друга. на функцию чего влияют факторы внутренней и внешней среды
Задание № 3. Напишите предложения, раскрывая скобки.
1. Экзонные участки генов кодируют (первичная структура белка).
2. Интронные участки гена играют (структурная, вспомогательная роль).
3. Ген - часть молекулы ДНК, которая представляет собой (функциональная единица наследственной информации).
Задание № 4. прочитайте часть текста об основных положениях теории генов и напишите определения: а) локуса, б) реконов, в) мутонов.
Задание № 5. Используя данную информацию, закончите фразы.
1. Стабильностью называется 1.... передавать наследственную свойство генов... информацию в неизменяющемся виде.
2. Лабильность генов - это... 2.... степень выраженности признака.
3. Пенентральность генов - это 3.... частота проявления гена среди его носителей.
4. Экспрессивность генов - ... 4.... связана с их способностями к мутациям
Решение типовых задач
1. Участок структурного гена имеет следующую последовательность
нуклеотидов:
АТА-ЦИА-А1^ - ЦТА-ГГА-ЦГА-ГТА-ЦАА
АГА-ТЦА-ЦГА-ААА-АТГ. Используя словарь генетического кода, определите:
а) какую последовательность нуклеотидов будет иметь про-иРНК, транскрибируемая с этого участка;
б) известно, что кодоны 3, 4, 5, 9, 10, 11, 12 у про-иРНК входит в состав интронов. Какую последовательность будет иметь иРНК;
в) какую последовательность аминокислот будет иметь фрагмент белка, кодируемый указанным участком гена;
г) напишите, какие антикодоны должны быть у тРНК, обеспечивающих синтез данного фрагмента белка.
2. Участки структурных генов у про- и эукариот имеют сходные последовательности нуклеотидов:
ЦАТ-ГТЦ-А1ТА-ТТЦ-ТГА-ААА-ЦАА-Ц1^^ АЦА-АТА. Следует отметить, что последовательности нуклеотидов АЦА-ТТЦ-ТГА-ААА и ГГА-АЦА-АТА кодируют интронные участки у эукариот.
Определите :
а) последовательность нуклеотидов в первичном транскрипте у еукариот;
б) как называется созревание иРНК? Определите нуклеотидную последовательность в иРНК.
в) какое различие в последовательности аминокислот в белках у прокариот и еукариот. Объясните причину этого различия.
