Биология. 10 класс

Урок 7. Генетическая информация её реализация в клетке. Ген. Геном. Реакции матричного синтеза

Генетическая информация в клетке

Хранение, передача и реализация наследственной информации в клетке. Ген. Геном. Реакции матричного синтеза

Необходимо запомнить

ВАЖНО!


На Земле живёт 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. Каждая аминокислота кодируется тремя нуклеотидами (триплетом) ДНК, комбинирующихся в разной последовательности (ААТ, ГЦА, АЦГ, ТГЦ и т.д.., Аминокислот, входящих в состав белков – 20, а возможностей для комбинаций четырёх нуклеотидов в группы по три – 64, поэтому одна аминокислота может кодироваться несколькими триплетами. Часть триплетов вовсе не кодирует аминокислоты, а запускает или останавливает биосинтез белка.

ДНК непосредственно не принимает участия в биосинтезе белка. Информация с ДНК сначала копируется на иРНК (транскрипция), а затем на рибосомах переводится в последовательность аминокислот в молекулах синтезируемого белка (процесс трансляции).

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

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 четырёх букв-нуклеотидов, отличающихся азотистыми основаниями: А, Т (У), Г, Ц.

Основные свойства генетического кода:

1. Генетический код триплетён. Триплет (кодон) – последовательность трёх нуклеотидов, кодирующая одну аминокислоту. Поскольку в состав белков входит 20 аминокислот, то очевидно, что каждая из них не может кодироваться одним нуклеотидом. 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 трём. (В этом случае число возможных триплетов нуклеотидов составляет 43 = 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 (начала) синтеза.

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

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

5. Генетический код неперекрываем. Это значит, что процесс считывания не допускает возможности перекрывания кодонов (триплетов).

6. Генетический код универсален, т. е. одинаковые для всех живых организмов вне зависимости от уровня организации и систематического положения этих организмов.

7. Генетический код содержит «знаки препинания» – стоп-кодоны. Начавшись на определённом кодоне, считывание идёт непрерывно триплет за триплетом вплоть до стоп-сигналов (терминирующих кодонов).

«Редупликация ДНК»

Транскрипция

Трансляция

Реакции матричного синтеза

В живых системах встречаются химические реакции, неизвестные в неживой природе – реакции матричного 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.

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

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 относятся:

1. репликация 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.

2. транскрипция – синтез иРНК на ДНК, процесс снятия информации с молекулы ДНК, синтезируемой на ней молекулой иРНК.

иРНК состоит из одной цепи и синтезируется на ДНК в соответствии с правилом комплементарности при участии фермента – РНК-полимеразы. Готовая молекула иРНК выходит в цитоплазму на рибосомы, где происходит синтез полипептидных цепей.

3. трансляция – синтез белка на иРНК; процесс перевода информации, содержащейся в последовательности нуклеотидов иРНК, в последовательность аминокислот в полипептиде.

Биосинтез белка – это один из видов пластического обмена, в ходе которого наследственная информация, закодированная в генах ДНК, реализуется в определённую последовательность аминокислот в белковых молекулах. Рибосома представляет собой как бы конвейер для сборки цепочки белка из поступающих в него различных аминокислот. Каждой аминокислоте соответствует строго специфическая тРНК, которая находит «свою» аминокислоту и переносит её в рибосому.

Одновременно с тРНК, на которой «сидит» своя аминокислота, в рибосому поступает «сигнал» от ДНК, содержащейся 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 (мРНК или иРНК), которая синтезируется в ядре под влиянием ДНК, поэтому её состав отражает состав ДНК. Молекула РНК представляет собой как бы слепок с формы ДНК. Синтезированная иРНК поступает в рибосому и передаёт ей план – в каком порядке должны соединяться друг с другом поступившие в рибосому аминокислоты, чтобы синтезировался определённый белок. Иначе, генетическая информация, закодированная в ДНК, передаётся на иРНК и далее на белок.

Молекула иРНК поступает в рибосому и соединяется с ней. Тот её отрезок, который находится в данный момент в рибосоме, состоит из двух триплетов (кодонов) . Каждый 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 определённому кодону иРНК и соединяется с ним; к следующему, соседнему участку иРНК присоединяется другая тРНК с другой аминокислотой. Между аминокислотами образуется пептидная связь. Затем рибосома перемещается на он триплет, первая тРНК освобождается от своей аминокислоты и выходит из рибосомы, а на освободившееся место приходит следующая тРНК. Процесс продолжается до тех пор, пока не будет считана вся цепочка и-РНК до стоп-кодона.

В процессе синтеза белка как правило одновременно участвуют несколько рибосом , образующих комплекс полирибосому.

Основные этапы передачи генетической информации:

синтез на ДНК как на матрице иРНК (транскрипция)

синтез в рибосомах полипептидной цепи по программе, содержащейся в иРНК (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 всех белков, в том числе ферментов в клетке являются рибосомы – это как бы «фабрики» белка, сборочный цех, куда поступают все материалы, необходимые для сборки полипептидной цепочки белка из аминокислот. Природа синтезируемого белка зависит от строения иРНК, от порядка расположения в ней нуклеоидов, а строение иРНК отражает строение ДНК, так что в конечном итоге специфическое строение белка, т. е. порядок расположения в нём различных аминокислот, зависит от порядка расположения нуклеотидов в ДНК, от строения ДНК.

Изложенная теория биосинтеза белка получила название матричной теории. Матричной эта теория называется потому, что нуклеиновые кислоты играют 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.

Предметы

По алфавиту По предметным областям

Классы

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
angle-skew-bottom mix-copy next-copy-2 no-copy step-1 step-2 step-3 step-4 step-5 step-6 step-6