Комплементарность понуклеотидных цепей в двойной спирали днк. Самовоспроизведение наследственного материала. Репликация ДНК. Основы цитологии. Решение типовых задач
Водородные связи образуются между аминогруппой одного основания и карбонильной группой другого, а также между амидным и иминным атомами азота. Например, между аденином и тимином образуются две водородные связи и эти гетероциклические основания составляют комплементарную пару. Это означает, что адениновому основанию одной цепи будет соответствовать тиминовое другой цепи. Другую пару комплементарных оснований составляют гуанин и цитозин, между которыми возникают три водородные связи.
Площади, занимаемые парами комплементарных оснований, приблизительно одинаковы.
Комплементарность оснований лежит в основе закономерностей,сформулированных Э. Чаргаффом (правила Чаргаффа):
1. - количество пуриновых оснований равно количеству пиримидиновых оснований;
2. - количество аденина равно количеству тимина; количество гуанина равно количеству цитозина;
3. – сумма аденина и цитозина равна сумме гуанина и тимина
(А/Т= Ц/Г = 1).
Двухспиральная ДНК с комплементарными полинуклеотидными цепями обеспечивает возможность самоудвоения (репликации) молекулы. Этот сложный процесс можно представить следующим образом: перед удвоение водородные связи разрываются и две цепи раскручиваются и расходятся. Каждая цепь затем служит матрицей для образования на ней комплементарной цепи. После репликации образуются две дочерние молекулы ДНК, в каждой из которых одна спираль взята из родительской ДНК, а другая (комплементарная) синтезирована заново.
Двойная спираль ДНК имеет несколько форм в зависимости от степени гидратации молекулы. Формы различаются расположением плоскости пар оснований по отношению к оси спирали, друг другу, по варианту закручивания спирали (вправо, влево) и другим признакам.
Между цепями расположены две «борозды» - большая и малая. В эти бороздках белки могут специфически взаимодействовать с определенными атомами нуклеиновых кислот, узнавать конкретные нуклеотидные последовательности, не нарушая комплементарных взаимодействий двойной спирали. Установлено, что за счет таких взаимодействий регуляторные белки могут осуществлять контроль экспрессии генов.
Формы вторичной структуры молекулы ДНК
Вторичная структура РНК
Молекула РНК построена из одной полинуклеотидной цепи. Число нуклеотидов может колебаться от 75 до нескольких тысяч, а молекулярная масса изменятся в пределах от 25 тыс. до нескольких млн.
Полипептидная цепь РНК не имеет строго определенной структуры. Она может складываться сама на себя и образовывать отдельные двух цепочечные участки с водородными связями между пуриновыми и пиримидиновыми основаниями. Водородные связи в РНК не подчиняются строгим правилам, как вДНК.
Детально изучена тРНК. Молекула тРНК имеет вторичную структуру, которая представляет собой четыре спирализованных участка, три, четыре одноцепочечных петли. Такая структура называется «клеверным листом».
Принципы решения типовых задач по молекулярной биологии
Пояснение к решению задачи. Известно что две цепочки в молекуле ДНК соединяются водородными связями между комплементарными нуклеотидами (А-Т, Г-Ц). Порядок нуклеотидов в известной цепочке ДНК:
А Ц Г Т А Г Ц Т А Г Ц Г
Т Г Ц А Т Ц Г А Т Ц Г Ц – порядок нуклеотидов в комплементарной цепочке ДНК.
Ответ: порядок нуклеотидов в комплементарной цепочке ДНК: ТГЦАТЦГАТЦГЦ
Задача 2
Пояснение к решению задачи .
а) Полипептид имеет следующую последовательность аминокислот: фен – тре – ала – сер – арг… По таблице кодонов находим один из триплетов, кодирующий соответствующие аминокислоты. Фен – УУУ, тре – АЦУ, ала – ГЦУ, сер – АГУ, арг – АГА. Следовательно, кодирующая данный полипептид и-РНК будет иметь следующую последовательность нуклеотидов:
УУУАЦУГЦУАГУАГА…
Порядок нуклеотидов в кодирующей цепочке ДНК : АААТГАЦГАТЦАТЦТ…
Комплементарная цепочка ДНК: ТТТАЦТГЦТАГТАГА…
б) По таблице кодонов находим один из вариантов последовательности нуклеотидов и-РНК (как в предыдущем варианте). Антикодоны т-РНК комплементарны кодонам и-РНК:
и-РНК УУУАЦУГЦУАГУАГА…
антикодоны т-РНК ААА, УГА, ЦГА, УЦА, УЦУ
Ответ: а) один из вариантов последовательности нуклеотидов в гене будет :
АААТГАЦГАТЦАТЦТ
ТТТАЦТГЦТАГТАГА,
б) в синтезе этого белка будут участвовать т-РНК с антикодонами (один из вариантов): ААА, УГА, ЦГА, УЦА, УЦУ.
Задачи для самоконтроля
1.Одна из цепочек фрагмента молекулы ДНК имеет такую последовательность нуклеотидов: АГТГАТГТТГГТГТА… Какова будет структура второй цепочки молекулы ДНК?
2.Участок одной цепи ДНК имеет следующую последовательность нуклеотидов: ТГААЦАЦТАГТТАГААТАЦЦА… Какова последовательность аминокислот в полипептиде, соответствующем этой генетической информации?
3.Участок одной нити ДНК имеет такую структуру: ТАТТЦТТТТТГТ… Укажите структуру соответствующей части молекулы белка, синтезированного при участии комплементарной цепи. Как изменится первичная структура фрагмента белка, если выпадет второй от начала нуклеотид?
4.Часть молекулы белка имеет такую последовательность аминокислот: сер – ала – тир – лей – асп… Какие т-РНК (с какими антикодонами) участвуют в синтезе этого белка? Напишите один из возможных вариантов.
5.Напишите один из вариантов последовательности нуклеотидов в гене, если кодируемый белок имеет следующую первичную структуру:
Ала – тре – лиз – асн – сер – глн – глу – асп…
Молекулярная генетика – раздел генетики, который занимается изучением наследственности на молекулярном уровне.
Нуклеиновые кислоты. Репликация ДНК. Реакции матричного синтеза
Нуклеиновые кислоты (ДНК, РНК) были открыты в 1868 году швейцарским биохимиком И.Ф. Мишером. Нуклеиновые кислоты – линейные биополимеры, состоящие из мономеров – нуклеотидов.
ДНК – структура и функции
Химическую структуру ДНК расшифровали в 1953 г. американский биохимик Дж. Уотсон и английский физик Ф. Крик.
Общая структура ДНК. Молекула ДНК состоит из 2 цепей, которые закручены в спираль (рис. 11) одна вокруг другой и вокруг общей оси. Молекулы ДНК могут содержать от 200 до 2х10 8 пар нуклеотидов. Вдоль спирали молекулы ДНК соседние нуклеотиды располагаются на расстоянии 0,34 нм друг от друга. Полный оборот спирали включает 10 пар нуклеотидов. Его длина составляет 3,4 нм.
Рис . 11 . Схема строения ДНК (двойная спираль)
Полимерность молекулы ДНК. Молекула ДНК – биоплоимер состоит из сложных соединений – нуклеотидов.
Строение нуклеотида ДНК. Нуклеотид ДНК состоит из 3 звеньев: одно из азотистых оснований (аденин, гуанин, цитозин, тимин); дезокисирибоза (моносахарид); остаток фосфорной кислоты (рис. 12).
Различают 2 группы азотистых оснований:
пуриновые – аденин (А), гуанин (Г), содержащие два бензольных кольца;
пиримидиновые – тимин (Т), цитозин (Ц), содержащие одно бензольное кольцо.
В состав ДНК входят следующие виды нуклеотидов: адениновый (А); гуаниновый (Г); цитозиновый (Ц); тиминовый (Т). Названия нуклеотидов соответствуют названиям азотистых оснований, входящих в их состав: адениновый нуклеотид азотистое основание аденин; гуаниновый нуклеотид азотистое основание гуанин; цитозиновый нуклеотид азотистое основание цитозин; тиминовый нуклеотид азотистое основание тимин.
Соединение двух цепей ДНК в одну молекулу
Нуклеотиды А, Г, Ц и Т одной цепи соединены соответственно с нуклеотидами Т, Ц, Г и А другой цепи водородными связями . Между А и Т формируется две водородные связи, а между Г и Ц – три водородные связи (А=Т, Г≡Ц).
Пары оснований (нуклеотидов) А – Т и Г – Ц называют комплементарными, т. е. взаимно соответствующими. Комплементарность – это химическое и морфологическое соответствие нуклеотидов друг другу в парных цепочках ДНК.
5 ’ 3 ’
1 2 3
3’ 5’
Рис. 12 Участок двойной спирали ДНК. Строение нуклеотида (1– остаток фосфорной кислоты; 2– дезоксирибоза; 3– азотистое основание). Соединение нуклеотидов с помощью водородных связей.
Цепи в молекуле ДНК антипараллельны, т. е. направлены в противоположные стороны, так что 3’- конец одной цепи располагается напротив 5’- конца другой цепи. Генетическая информация в ДНК записана в направлении от 5’ конца к 3’ концу. Эта нить называется смысловой ДНК,
поскольку здесь расположены гены. Вторая нить – 3’–5’ служит эталоном хранения генетической информации.
Cоотношение между числом разных оснований в ДНК установлено Э. Чаргаффом в 1949 г. Чаргафф выявил, что у ДНК различных видов количество аденина равно количеству тимина, а количество гуанина – количеству цитозина.
Правило Э. Чаргаффа :
в молекуле ДНК количество A (адениновых) нуклеотидов всегда равно количеству Т (тиминовых) нуклеотидов или отношение ∑ А к ∑ Т=1. Сумма Г (гуаниновых) нуклеотидов равна сумме Ц (цитозиновых) нуклеотидов или отношение ∑ Г к ∑ Ц=1;
сумма пуриновых оснований (А+Г) равна сумме пиримидиновых оснований (Т+Ц) или отношение ∑ (А+Г) к ∑ (Т+Ц)=1;
Способ синтеза ДНК – репликация . Репликация – это процесс самоудвоения молекулы ДНК, осуществляемый в ядре под контролем ферментов. Самоудовоение молекулы ДНК происходит на основе комплементарности – строгого соответствия нуклеотидов друг другу в парных цепочках ДНК. В начале процесса репликации молекула ДНК раскручивается (деспирализуется) на определенном участке (рис. 13), при этом освобождаются водородные связи. На каждой из цепей, образовавшихся после разрыва водородных связей, при участии фермента ДНК-полимиразы, синтезируется дочерняя цепь ДНК. Материалом для синтеза служат свободные нуклеотиды, содержащиеся в цитоплазме клеток. Эти нуклеотиды выстраиваются комплементарно нуклеотидам двух материнских цепей ДНК. Фермент ДНК-полимераза присоединяет комплементарные нуклеотиды к матричной цепи ДНК. Например, к нуклеотиду А матричной цепи полимераза присоединяет нуклеотид Т и, соответственно, к нуклеотиду Г – нуклеотид Ц (рис. 14). Сшивание комплементарных нуклеотидов происходит с помощью фермента ДНК-лигазы . Так путем самоудвоения синтезируются две дочерние цепи ДНК.
Образовавшиеся две молекулы ДНК из одной молекулы ДНК представляют собой полуконсервативную модель , поскольку состоят из старой материнской и новой дочерней цепей и являются точной копией материнской молекулы (рис. 14). Биологический смысл репликации заключается в точной передаче наследственной информации от материнской молекулы к дочерней.
Рис . 13 . Деспирализация молекулы ДНК с помощью фермента
1
Рис . 14 . Репликация – образование двух молекул ДНК из одной молекулы ДНК: 1 – дочерняя молекула ДНК; 2 – материнская (родительская) молекула ДНК.
Фермент ДНК-полимераза может двигаться вдоль цепи ДНК только в направлении 3’ –> 5’. Поскольку комплементарные цепи в молекуле ДНК направлены в противоположные стороны, и фермент ДНК-полимераза может двигаться вдоль цепи ДНК только в направлении 3’–>5’, то и синтез новых цепей идет антипараллельно (по принципу антипараллельности ).
Место локализации ДНК . ДНК содержится в ядре клетки, в матриксе митохондрий и хлоропластов.
Количество ДНК в клетке постоянно и составляет 6,6х10 -12 г.
Функции ДНК:
Хранение и передача в ряду поколений генетической информации молекулам и - РНК;
Структурная. ДНК является структурной основой хромосом (хромосома на 40% состоит из ДНК).
Видоспецифичность ДНК . Нуклеотидный состав ДНК служит критерием вида.
РНК, строение и функции.
Общая структура .
РНК – линейный биополимер, состоящий из одной полинуклеотидной цепи. Различают первичную и вторичную структуры РНК. Первичная структура РНК представляет собой одноцепочечную молекулу, а вторичная структура имеет форму креста и характерна для т- РНК.
Полимерность молекулы РНК . Молекула РНК может включать от 70 нуклеотидов до 30 000 нуклеотидов. Нуклеотиды, входящие в состав РНК, следующие: адениловый (А), гуаниловый (Г), цитидиловый (Ц), урациловый (У). В составе РНК тиминовый нуклеотид замещен на урациловый (У).
Строение нуклеотида РНК.
Нуклеотид РНК включает 3 звена:
азотистое основание (аденин, гуанин, цитозин, урацил);
моносахарид – рибоза (в рибозе присутствует кислород при каждом атоме углерода);
остаток фосфорной кислоты.
Способ синтеза РНК – транскрипция . Транскрипция, как и репликация, – реакция матричного синтеза. Матрицей является молекула ДНК. Реакция протекает по принципу комплементарности на одной из цепей ДНК (рис. 15). Процесс транскрипции начинается с деспирализации молекулы ДНК на определенном участке. На транскрибируемой цепи ДНК имеется промотор – группа нуклеотидов ДНК, с которой начинается синтез молекулы РНК. К промотору присоединяется фермент РНК-полимераза . Фермент активизирует процесс транскрипции. По принципу комплементарности достраиваются нуклеотиды, поступающие из цитоплазмы клетки к транскрибируемой цепи ДНК. РНК-полимераза активизирует выстраивание нуклеотидов в одну цепь и формирование молекулы РНК.
В процессе транскрипции выделяют четыре стадии: 1) связывание РНК-полимеразы с промотором; 2) начало синтеза (инициация); 3) элонгация – рост цепи РНК, т. е. происходит последовательное присоединение нуклеотидов друг к другу; 4) терминация – завершение синтеза и-РНК.
Рис . 15 . Схема транскрипции
1 – молекула ДНК (двойная цепочка); 2 – молекула РНК; 3–кодоны; 4– промотор.
В 1972 г. американские ученые – вирусолог Х.М. Темин и молекулярный биолог Д. Балтимор на вирусах в опухолевых клетках открыли обратную транскрипцию. Обратная транскрипция – переписывание генетической информации с РНК на ДНК. Процесс протекает с помощью фермента обратной транскриптазы .
Виды РНК по функции
Информационная, или матричная РНК (и-РНК, или м-РНК) переносит генетическую информацию с молекулы ДНК к месту синтеза белка – в рибосому. Синтезируется в ядре при участии фермента РНК-полимеразы. Она составляет 5% от всех видов РНК клетки. и- РНК включает от 300 нуклеотидов до 30 000 нуклеотидов (самая длинная цепь среди РНК).
Транспортная РНК (т-РНК) транспортирует аминокислоты к месту синтеза белка,– в рибосому. Имеет форму креста (рис. 16) и состоит из 70 – 85 нуклеотидов. Ее количество в клетке составляет 10-15 % РНК клетки.
Рис. 16. Схема строения т-РНК: А–Г – пары нуклеотидов, соединенные с помощью водородных связей; Д – место прикрепления аминокислоты (акцепторный участок); Е – антикодон.
3. Рибосомная РНК (р-РНК) синтезируется в ядрышке и входит в состав рибосом. Включает примерно 3000 нуклеотидов. Составляет 85% РНК клетки. Этот вид РНК содержатся в ядре, в рибосомах, на эндоплазматической сети, в хромосомах, в матриксе митохондрий, а также в пластидах.
Основы цитологии. Решение типовых задач
Задача 1
Сколько тиминовых и адениновых нуклеотидов содержится в ДНК, если в ней обнаружено 50 цитозиновых нуклеотидов, что составляет 10% от всех нуклеотидов.
Решение. По правилу комплементарности в двойной цепи ДНК цитозин всегда комплемпентарен гуанину. 50 цитозиновых нуклеотидов составляют 10%, следовательно, согласно правилу Чаргаффа, 50 гуаниновых нуклеотидов также составляют 10%, или (если ∑Ц =10%, то и ∑Г =10%).
Сумма пары нуклеотидов Ц + Г равна 20%
Сумма пары нуклеотидов Т + А = 100% – 20 % (Ц + Г) = 80 %
Для того, чтобы узнать, сколько тиминовых и адениновых нуклеотидов содержится в ДНК, нужно составить следующую пропорцию:
50 цитозиновых нуклеотидов → 10 %
Х (Т + А) →80 %
Х = 50х80:10=400 штук
Согласно правилу Чаргаффа ∑А= ∑Т, следовательно ∑А=200 и ∑Т=200.
Ответ: количество тиминовых, как и адениновых нуклеотидов в ДНК, равно 200.
Задача 2
Тиминовые нуклеотиды в ДНК составляют 18% от общего количества нуклеотидов. Определите процент остальных видов нуклеотидов, содержащихся в ДНК.
Решение. ∑Т=18%. Согласно правилу Чаргаффа ∑Т=∑А, следовательно на долю адениновых нуклеотидов также приходится 18 % (∑А=18%).
Сумма пары нуклеотидов Т+А равна 36 % (18 % + 18 % = 36 %). На пару нуклеотидов Ги Ц приходится: Г+Ц=100 % –36 %=64 %. Поскольку гуанин всегда комплементарен цитозину, то их содержание в ДНК будет равным,
т. е. ∑ Г= ∑Ц=32%.
Ответ : содержание гуанина, как и цитозина, составляет 32 %.
Задача 3
20 цитозиновых нуклеотидов ДНК составляют 10% от общего количества нуклеотидов. Сколько адениновых нуклеотидов содержится в молекуле ДНК?
Решение. В двойной цепочке ДНК количество цитозина равно количеству гуанина, следовательно, их сумма составляет: Ц+Г=40 нуклеотидов. Находим общее количество нуклеотидов:
20 цитозиновых нуклеотидов → 10 %
Х (общее количество нуклеотидов) →100 %
Х=20х100:10=200 штук
А+Т=200 – 40=160 штук
Так как аденин комплементарен тимину, то их содержание будет равным,
т. е. 160 штук: 2=80 штук, или ∑А=∑Т=80.
Ответ : в молекуле ДНК содержится 80 адениновых нуклеотидов.
Задача 4
Допишите нуклеотиды правой цепи ДНК, если известны нуклеотиды ее левой цепи: АГА – ТАТ – ГТГ – ТЦТ
Решение. Построение правой цепи ДНК по заданной левой цепи производится по принципу комплементарности – строгого соответствия нуклеотидов друг другу: аденонивый – тиминовый (А–Т), гуаниновый – цитозиновый (Г–Ц). Поэтому нуклеотиды правой цепи ДНК должны быть следующие: ТЦТ – АТА – ЦАЦ – АГА.
Ответ : нуклеотиды правой цепи ДНК: ТЦТ – АТА – ЦАЦ – АГА.
Задача 5
Запишите транскрипцию, если транскрибируемая цепочка ДНК имеет следующий порядок нуклеотидов: АГА – ТАТ – ТГТ – ТЦТ.
Решение . Молекула и-РНК синтезируется по принципу комплеиентарности на одной из цепей молекулы ДНК. Нам известен порядок нуклеотидов в транскрибируемой цепи ДНК. Следовательно, надо построить комплементарную цепь и-РНК. Следует помнить, что вместо тимина в молекулу РНК входит урацил. Следовательно:
Цепь ДНК: АГА – ТАТ – ТГТ – ТЦТ
Цепь и-РНК: УЦУ – АУА –АЦА –АГА.
Ответ : последовательность нуклеотидов и-РНК следующая: УЦУ – АУА – АЦА –АГА.
Задача 6
Запишите обратную транскрипцию, т. е. постройте фрагмент двухцепочечной молекулы ДНК по предложенному фрагменту и-РНК, если цепочка и- РНК имеет следующую последовательность нуклеотидов:
ГЦГ – АЦА – УУУ – УЦГ – ЦГУ – АГУ – АГА
Решение. Обратная транскрипция – это синтез молекулы ДНК на основе генетического кода и-РНК. Кодирующая молекулу ДНК и-РНК имеет следующий порядок нуклеотидов: ГЦГ – АЦА – УУУ – УЦГ – ЦГУ – АГУ – АГА. Комплементарная ей цепочка ДНК: ЦГЦ – ТГТ – ААА – АГЦ – ГЦА – ТЦА – ТЦТ. Вторая цепочка ДНК: ГЦГ–АЦА–ТТТ–ТЦГ–ЦГТ–АГТ–АГА.
Ответ : в результате обратной транскрипции синтезированы две цепочки молекулы ДНК: ЦГЦ – ТГТ – ААА – АГЦ – ГЦА – ТЦА и ГЦГ–АЦА–ТТТ–ТЦГ–ЦГТ–АГТ–АГА.
Генетический код. Биосинтез белка.
Ген – участок молекулы ДНК, содержащий генетическую информацию о первичной структуре одного определенного белка.
Экзон-интронная структура гена эукариот
промотор – участок ДНК (длиной до 100 нуклеотидов), к которому присоединяется фермент РНК-полимераза , необходимый для осуществления транскрипции;
2) регуляторная зона – зона, влияющая на активность гена;
3) структурная часть гена – генетическая информация о первичной структуре белка.
Последовательность нуклеотидов ДНК, несущая генетическую информацию о первичной структуре белка – экзон . Они также входят в состав и-РНК. Последовательность нуклеотидов ДНК, не несущая генетическую информацию о первичной структуре белка – интрон . Они не входят в состав и-РНК. В ходе транскрипции с помощью специальных ферментов происходит вырезание копий интронов из и-РНК и сшивание копий экзонов при образовании молекулы и-РНК (рис. 20). Этот процесс называется сплайсинг .
Рис . 20 . Схема сплайсинга (формирование зрелой и-РНК у эукариот)
Генетический код – система последовательности нуклеотидов в молекуле ДНК, или и-РНК, которая соответствует последовательности аминокислот в полипептидной цепи.
Свойства генетического кода:
Триплетность (АЦА – ГТГ – ГЦГ…)
Генетический код является триплетным, так как каждая из 20 аминокислот кодируется последовательностью трех нуклеотидов (триплетом , кодоном) .
Существует 64 вида триплетов нуклеотидов (4 3 =64).
Однозначность (специфичность)
Генетический код является однозначным, так как каждый отдельный триплет нуклеотидов (кодон) кодирует только одну аминокислоту, или один кодон всегда соответствует одной аминокислоте (таблица 3).
Множественность (избыточность, или вырожденность)
Одна и та же аминокислота может кодироваться несколькими триплетами (от 2 до 6), т. к. белокобразующих аминокислот –20, а триплетов – 64.
Непрерывность
Считывание генетической информации происходит в одном направлении, слева направо. Если произойдет выпадение одного нуклеотида, то при считывании его место займет ближайший нуклеотид из соседнего триплета, что приведет к изменению генетической информации.
Универсальность
Генетический код характерен для всех живых организмов, и одинаковые триплеты кодируют одну и ту же аминокислоту у всех живых организмов.
Имеет стартовые и терминальные триплеты (стартовый триплет – АУГ, терминальные триплеты УАА, УГА, УАГ). Эти виды триплетов не кодируют аминокислоты.
Неперекрываемость (дискретность)
Генетический код является неперекрывающимся, так как один и тот же нуклеотид не может входить одновременно в состав двух соседних триплетов. Нуклеотиды могут принадлежать только одному триплету, а если переставить их в другой триплет, то произойдет изменение генетической информации.
Таблица 3 – Таблица генетического кода
|
Основания кодонов |
|||||
Примечание: сокращенные названия аминокислот даны в соответствии с международной терминологией.
Биосинтез белка
Биосинтез белка – вид пластического обмена веществ в клетке, происходящий в живых организмах под действием ферментов. Биосинтезу белка предшествуют реакции матричного синтеза (репликация – синтез ДНК; транскрипция – синтез РНК; трансляция – сборка молекул белка на рибосомах). В процессе биосинтеза белка выделяют 2 этапа:
транскрипция
трансляция
В ходе транскрипции генетическая информация, заключенная в ДНК, находящейся в хромосомах ядра, передается молекуле РНК. По завершении процесса транскрипции и-РНК выходит в цитоплазму клетки через поры в мембране ядра, располагается между 2 субъединицами рибосомы и участвует в биосинтезе белка.
Трансляция – процесс перевода генетического кода в последовательность аминокислот. Трансляция осуществляется в цитоплазме клетки на рибосомах, которые располагаются на поверхности ЭПС (эндоплазматической сети). Рибосомы – сферические гранулы, диаметром, в среднем, 20 нм, состоящие из большой и малой субъединиц. Молекула и-РНК располагается между двумя субъединицами рибосомы. В процессе трансляции участвуют аминокислоты, АТФ, и-РНК, т-РНК, фермент амино-ацил т-РНК-синтетаза.
Кодон – участок молекулы ДНК, или и-РНК, состоящий из трех последовательно расположенных нуклеотидов, кодирующий одну аминокислоту.
Антикодон – участок молекулы т-РНК, состоящий из трех последовательно расположенных нуклеотидов и комплементарный кодону молекулы и-РНК. Кодоны комплементарны соответствующим антикодонам и соединяются с ними с помощью водородных связей (рис. 21).
Синтез белка начинается со стартового кодона АУГ . От него рибосома
перемещается по молекуле и-РНК, триплет за триплетом. Аминокислоты поступают по генетическому коду. Встраивание их в полипептидную цепь на рибосоме происходит с помощью т-РНК. Первичная структура т-РНК (цепочка) переходит во вторичную структуру, напоминающую по форме крест, и при этом в ней сохраняется комплементарность нуклеотидов. В нижней части т-РНК имеется акцепторный участок, к которому присоединяется аминокислота (рис.16). Активизация аминокислоты осуществляется при помощи фермента аминоацил т-РНК-синтетазы . Суть этого процесса состоит в том, что данный фермент взаимодействует с аминокислотой и с АТФ. При этом формируется тройной комплекс, представленный данным ферментом, аминокислотой и АТФ. Аминокислота обогащается энергией, активизируется, приобретает способность образовывать пептидные связи с соседней аминокислотой. Без процесса активизации аминокислоты полипептидная цепь из аминокислт сформироваться не может.
В противоположной, верхней части молекулы т-РНК содержится триплет нуклеотидов антикодон , с помощью которого т-РНК прикрепляется к комплементарному ему кодону (рис. 22).
Первая молекула т-РНК, с присоединенной к ней активизированной аминокислотой, своим антикодоном прикрепляется к кодону и-РНК, и в рибосоме оказывается одна аминокислота. Затем прикрепляется вторая т-РНК своим антикодоном к соответствующему кодону и-РНК. При этом в рибосоме оказываются уже 2 аминокислоты, между которыми формируется пептидная связь. Первая т-РНК покидает рибосому, как только отдаст аминокислоту в полипептидную цепь на рибосоме. Затем к дипептиду присоединяется 3-я аминокислота, ее приносит третья т-РНК и т. д. Синтез белка останавливается на одном из терминальных кодонов – УАА, УАГ, УГА (рис. 23).
1 – кодон и-РНК; кодоны UCG – УЦГ ; CUA – ЦУА ; CGU – ЦГУ ;
2– антикодон т-РНК; антикодон GAT – ГАТ
Рис . 21 . Фаза трансляции: кодон и-РНК притягивается к антикодону т-РНК соответствующими комплементарными нуклеотидами (основаниями)
Структура РНК менее упорядочена. Обычно это одноцепочечная молекула, хотя РНК некоторых вирусов состоит из двух цепей. Но даже такая РНК более гибка, чем ДНК. Некоторые участки в молекуле РНК взаимно комплементарны и при изгибании цепи спариваются, образуя двухцепочечные структуры (шпильки). В первую очередь это относится к транспортным РНК (тРНК). Некоторые основания в тРНК подвергаются модификации уже после синтеза молекулы. Например, иногда происходит присоединение к ним метильных групп.
ФУНКЦИЯ НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ Одна из основных функций нуклеиновых кислот состоит в детерминации синтеза белков. Информация о структуре белков, закодированная в нуклеотидной последовательности ДНК, должна передаваться от одного поколения к другому, и поэтому необходимо ее безошибочное копирование, т.е. синтез точно такой же же молекулы ДНК (репликация). Репликация и транскрипция . С химической точки зрения синтез нуклеиновой кислоты это полимеризация, т.е. последовательное присоединение строительных блоков. Такими блоками служат нуклеозидтрифосфаты; реакцию можно представить следующим образом:
Энергия, необходимая для синтеза, высвобождается при отщеплении пирофосфата, а катализируют реакцию особые ферменты ДНК-полимеразы.
В результате такого синтетического процесса мы получили бы полимер со случайной последовательностью оснований. Однако большинство полимераз работает только в присутствии уже существующей нуклеиновой кислоты матрицы, диктующей, какой именно нуклеотид присоединится к концу цепи. Этот нуклеотид должен быть комплементарен соответствующему нуклеотиду матрицы, так что новая цепь оказывается комплементарной исходной. Используя затем комплементарную цепь в качестве матрицы, мы получим точную копию оригинала.
ДНК состоит из двух взаимно комплементарных цепей. В ходе репликации они расходятся, и каждая из них служит матрицей для синтеза новой цепи:
Так образуются две новые двойные спирали с той же последовательностью оснований, что и у исходной ДНК. Иногда в процессе репликации происходит «сбой», и возникают мутации
(см. также
НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ)
.
В результате транскрипции ДНК образуются клеточные РНК (мРНК, рРНК и тРНК):
Они комплементарны одной из цепей ДНК и являются копией другой цепи, за исключением того, что место тимина у них занимает урацил. Таким способом можно получить множество РНК-копий одной из цепей ДНК.
В нормальной клетке передача информации осуществляется только в направлении ДНК
®
ДНК и ДНК
®
РНК. Однако в клетках, инфицированных вирусом, возможны и другие процессы: РНК
®
РНК и РНК
®
ДНК. Генетический материал многих вирусов представлен молекулой РНК, обычно одноцепочечной. Проникнув в клетку-хозяина, эта РНК реплицируется с образованием комплементарной молекулы, на которой, в свою очередь, синтезируется множество копий исходной вирусной РНК:
Вирусная РНК может транскрибироваться ферментом
-
обратной транскриптазой
-
в ДНК, которая иногда включается в хромосомную ДНК клетки-хозяина. Теперь эта ДНК несет вирусные гены, и после транскрипции в клетке может появиться вирусная РНК. Таким образом, спустя длительное время, в течение которого никакого вируса в клетке не обнаруживается, он снова в ней появится без повторного заражения. Вирусы, генетический материал которых включается в хромосому клетки-хозяина, часто являются причиной рака.
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.
