Відбуваються реакції матричного типу біосинтезу білка. Нуклеїнові кислоти

1. Поясніть послідовність передачі генетичної інформації: ген – білок – ознака.

2. Згадайте, яка структура білка визначає його будову та властивості. Як закодовано цю структуру в молекулі ДНК?

3. Що таке генетичний код?

4. Охарактеризуйте властивості генетичного коду.

7. Реакції матричного синтезу. Транскрипція

Інформація про білку записана у вигляді нуклеотидної послідовності ДНК і знаходиться в ядрі. Власне синтез білка відбувається у цитоплазмі на рибосомах. Отже, для синтезу білка необхідна структура, яка б переносила інформацію від ДНК до місця синтезу білка. Таким посередником є ​​інформаційна, або матрична РНК, яка передає інформацію з певного гена молекули ДНК до місця синтезу білка на рибосоми.

Крім переносника інформації необхідні речовини, які б забезпечували доставку амінокислот до місця синтезу та визначення їх місця в поліпептидному ланцюгу. Такими речовинами є транспортні РНК, які забезпечують кодування та доставку амінокислот до місця синтезу. Синтез білка протікає на рибосомах, тіло яких збудовано з рибосомальних РНК. Значить, необхідний ще один вид РНК – рибосомальний.

Генетична інформація реалізується у трьох типах реакцій: синтез РНК, синтез білка, реплікації ДНК. У кожному з них інформація, що міститься в лінійній послідовності нуклеотидів, використовується для створення іншої лінійної послідовності: або нуклеотидів (у молекулах РНК або ДНК), або амінокислот (у молекулах білка). Експериментально було доведено, що саме ДНК є матрицею для синтезу всіх нуклеїнових кислот. Ці реакції біосинтезу звуться матричного синтезу.Достатня простота матричних реакцій та їх одномірність дозволили докладно вивчити та зрозуміти їхній механізм, на відміну від інших процесів, що протікають у клітині.

Транскрипція

Процес біосинтезу РНК на ДНК називається транскрипцією.Цей процес протікає у ядрі. На матриці ДНК синтезуються всі види РНК – інформаційна, транспортна та рибосомальна, які згодом беруть участь у синтезі білка. Генетичний код на ДНК у процесі транскрипції листується на інформаційну РНК. У основі реакції лежить принцип комплементарності.

Синтез РНК має низку особливостей. Молекула РНК значно коротша і є копією лише невеликої ділянки ДНК. Тому матрицею служить лише певну ділянку ДНК, де знаходиться інформація про дану нуклеїнову кислоту. Знову синтезована РНК ніколи не залишається пов'язаною з вихідною ДНК-матрицею, а звільняється після закінчення реакції. Процес транскрипції протікає три етапи.

Перший етап - ініціація- Початок процесу. Синтез РНК-копій починається з певної зони на ДНК, яка називається промотором.Ця зона містить певний набір нуклеотидів, які є старт-сигналами.Процес каталізується ферментами РНК-полімеразами.Фермент РНК-полімераза з'єднується з промотором, розкручує подвійну спіраль та руйнує водневі зв'язки між двома ланцюгами ДНК. Але тільки одна з них є матрицею для синтезу РНК.

Другий етап - елонгація.У цю стадію відбувається основний процес. В одному ланцюгу ДНК, як у матриці, за принципом комплементарності вибудовуються нуклеотиди (рис. 19). Фермент РНК-полімеразу, крок за кроком просуваючись ланцюгом ДНК, з'єднує нуклеотиди між собою, одночасно постійно розкручуючи далі подвійну спіраль ДНК. Внаслідок такого руху синтезується РНК-копія.

Третій етап - термінація.Це завершальна стадія. Синтез РНК продовжується до стоп-сигналу- певної послідовності нуклеотидів, яка припиняє рух ферменту та синтез РНК. Полімераза відокремлюється від ДНК та синтезованої РНК-копії. Одночасно з матриці знімається молекула РНК. ДНК відновлює подвійну спіраль. Синтез завершено. Залежно від ділянки ДНК у такий спосіб синтезуються рибосомальні, транспортні, інформаційні РНК.

Матрицею для транскрипції молекули РНК служить лише один із ланцюгів ДНК. Однак матрицею двох сусідніх генів можуть бути різні ланцюги ДНК. Який із двох ланцюгів буде використовуватися для синтезу, визначається промотором, який спрямовує фермент РНК-полімеразу в тому чи іншому напрямку.

Після транскрипції молекула інформаційної РНК еукаріотів піддається перебудові. У ній вирізаються нуклеотидні послідовності, які не несуть інформацію про цей білок. Цей процес називається сплайсинг.Залежно від типу клітини та стадії розвитку можуть бути прибрані різні ділянки молекули РНК. Отже, однією ділянці ДНК синтезуються різні РНК, які несуть інформацію про різні білки. Це забезпечує передачу значної генетичної інформації від одного гена, а також полегшує генетичну рекомбінацію.

Мал. 19. Синтез інформаційної РНК. 1 – ланцюг ДНК; 2 - синтезована РНК

Запитання та завдання для самоконтролю

1. Які реакції належать до реакцій матричного синтезу?

2. Що є вихідною матрицею всім реакцій матричного синтезу?

3. Як називається процес біосинтезу іРНК?

4. Які види РНК синтезуються на ДНК?

5. Встановіть послідовність фрагмента іРНК, якщо відповідний фрагмент ДНК має послідовність: ААГЦТЦТГАТТЦТГАТЦГГАЦЦТААТГА.

8. Біосинтез білка

Білки є необхідними компонентами всіх клітин, тому найважливішим процесом пластичного обміну є біосинтез білка. Він протікає у всіх клітинах організмів. Це єдині компоненти клітини (крім нуклеїнових кислот), синтез яких здійснюється під прямим контролем генетичного матеріалу клітини. Весь генетичний апарат клітини – ДНК та різні види РНК – налаштований на синтез білків.

Ген- Це ділянка молекули ДНК, відповідальна за синтез однієї молекули білка. Для синтезу білка необхідно, щоб певний ген ДНК був скопійований у вигляді молекули інформаційної РНК. Цей процес було розглянуто раніше. Синтез білка є складним багатоетапним процесом і залежить від діяльності різних видів РНК. Для безпосереднього біосинтезу білка необхідні такі компоненти:

1. Інформаційна РНК – переносник інформації від ДНК до місця синтезу. Молекули іРНК синтезуються у процесі транскрипції.

2. Рибосоми – органоїди, де відбувається синтез білка.

3. Набір необхідних амінокислот у цитоплазмі.

4. Транспортні РНК, що кодують амінокислоти та переносять їх до місця синтезу на рибосоми.

5. АТФ - речовина, що забезпечує енергією процеси кодування амінокислот та синтезу поліпептидного ланцюга.

Будова транспортної РНК та кодування амінокислот

Транспортні РНК (тРНК) є невеликими молекулами з кількістю нуклеотидів від 70 до 90. На частку тРНК припадає приблизно 15 % всіх РНК клітини. Функція тРНК залежить від її будови. Вивчення структури молекул тРНК показало, що вони згорнуті певним чином і мають вигляд конюшинного листа(Рис. 20). У молекулі виділяються петлі та подвійні ділянки, з'єднані за рахунок взаємодії комплементарних основ. Найважливішою є центральна петля, в якій знаходиться антикодон -нуклеотидний триплет, який відповідає коду певної амінокислоти. Своїм антикодон тРНК здатна з'єднуватися з відповідним кодоном на іРНК за принципом комплементарності.

Мал. 20. Будова молекули тРНК: 1 – антикодон; 2 – місце приєднання амінокислоти

Кожна тРНК може переносити лише одну з 20 амінокислот. Отже, кожної амінокислоти є щонайменше одна тРНК. Оскільки амінокислота може мати кілька триплетів, те й кількість видів тРНК дорівнює числу триплетів амінокислоти. Таким чином, загальна кількість видів тРНК відповідає числу кодонів і дорівнює 61. Трьом стоп-кодам не відповідає жодна тРНК.

На одному кінці молекули тРНК завжди знаходиться гуанін нуклеотид (5"-кінець), а на іншому (3"-кінці) завжди три нуклеотиди ЦЦА. Саме цього кінця йде приєднання амінокислоти (рис. 21). Кожна амінокислота приєднується до своєї специфічної тРНК із відповідним антикодоном. Механізм цього приєднання пов'язаний із роботою специфічних ферментів – аміноацил-тРНК-синтетазами, які приєднують кожну амінокислоту до відповідної тРНК. Для кожної амінокислоти є своя синтетаза. З'єднання амінокислоти з тРНК здійснюється за рахунок енергії АТФ, при цьому макроергічний зв'язок переходить у зв'язок між тРНК та амінокислотою. Так відбувається активування та кодування амінокислот.

Етапи біосинтезу білка. Процес синтезу поліпептидного ланцюга, який здійснюється на рибосомі, називається трансляцією.Інформаційна РНК (іРНК) є посередником передачі інформації про первинну структуру білка, тРНК переносить закодовані амінокислоти до місця синтезу і забезпечує послідовність їх сполук. У рибосомах здійснюється складання поліпептидного ланцюга.

Третинна структура РНК

Вторинна структура РНК

Молекула рибонуклеїнової кислоти побудована з одного полінуклеотидного ланцюга. Окремі ділянки ланцюга РНК утворюють спіралізовані петлі - "шпильки", рахунок водневих зв'язків між комплементарними азотистими основами A-U і G-C. Ділянки ланцюга РНК у таких спіральних структурах антипаралельні, але не повністю комплементарні, в них зустрічаються неспарені нуклеотидні залишки або навіть одноланцюжкові петлі, що не вписуються в подвійну спіраль. Наявність спіралізованих ділянок й у всіх типів РНК.

Одноланцюгові РНК характеризуються компактною та впорядкованою третинною структурою, що виникає шляхом взаємодії спіралізованих елементів вторинної структури. Так, можливе утворення додаткових водневих зв'язків між нуклеотидними залишками, досить віддаленими один від одного, або зв'язків між ОН-групами залишків рибози та основами. Третинна структура РНК стабілізована іонами двовалентних металів, наприклад, іонами Mg 2+ , що зв'язуються не тільки з фосфатними групами, але і з основами.

При реакціях матричного синтезу утворюються полімери, будова яких повністю визначається будовою матриці. В основі реакцій матричного синтезу лежить комплементарна взаємодія між нуклеотидами.

Реплікація (редуплікація, подвоєння ДНК)

Матриця- материнський ланцюжок ДНК
Продукт– новосинтезований ланцюжок дочірньої ДНК
Комплементарністьміж нуклеотидами материнської та дочірньої ланцюжків ДНК

Подвійна спіраль ДНК розкручується на дві одинарні, потім фермент ДНК-полімераза добудовує кожен одинарний ланцюжок до подвійного за принципом комплементарності.

Транскрипція (синтез РНК)

Матриця- кодуючий ланцюжок ДНК
Продукт- РНК
Комплементарністьміж нуклеотидами кДНК та РНК

У певній ділянці ДНК розриваються водневі зв'язки, виходить два одинарні ланцюжки. На одній із них за принципом комплементарності будується іРНК. Потім вона від'єднується і йде в цитоплазму, а ланцюжки ДНК знову з'єднуються між собою.

Трансляція (синтез білка)

Матриця- ІРНК
Продукт- Білок
Комплементарністьміж нуклеотидами кодонів іРНК та нуклеотидами антикодонів тРНК, що приносять амінокислоти

Всередині рибосом до кодонів іРНК за принципом комплементарності приєднуються антикодони тРНК. Рибосома поєднує між собою амінокислоти, принесені тРНК, виходить білок.

7. Утворення поліпептидного ланцюга з послідовно доставлених до мРНКтРНК із відповідними амінокислотами відбувається на рибосомах(Рис. 3.9).

Рибосомиявляють собою нуклеопротеїдні структури, до яких входять три види рРНК та понад 50 специфічних рибосомних білків. Рибосомискладаються з малої та великої субодиниць. Ініціація синтезу поліпептидного ланцюга починається з приєднання малої субодиниці рибосоми до центру зв'язування на мРНКі завжди відбувається за участю метіонінової тРНК особливого типу, яка зв'язується з метіоніновим кодоном АУГ і прикріплюється до так званої Р-ділянки великої субодиниці рибосоми.

Мал. 3.9. Синтез поліпептидного ланцюга на рибосоміПоказано також транскрипцію мРНК та її перенесення через ядерну мембрану в цитоплазму клітини.

Наступний кодон мРНК, розташований слідом за АУГ-ініціюючим кодоном, потрапляє в А-ділянку великої субодиниці рибосомиде він «підставляється» для взаємодії з аміно-ацил-тРНК, що має відповідний антикодон. Після того, як відповідна тРНК зв'язалася з кодоном мРНК, що знаходиться в А-ділянці, відбувається утворення пептидного зв'язку за допомогою пептидилтрансферази, що входить до складу великої субодиниці рибосоми, і аміноацил-тРНК перетворюється на пептидил-тРНК. Це змушує рибосому просунутися на один кодон, перемістити утворену пептидил-тРНК в Р-ділянку і звільнити А-дільницю, яка займає наступний по порядку кодон мРНК, готовий до з'єднання з аміноацил-тРНК, що має відповідний антикодон (рис. 3.10).

Відбувається зростання поліпептидного кола за рахунок багаторазового повторення описаного процесу. Рибосомарухається вздовж мРНК, вивільняючи її ініціюючу ділянку. На ділянці, що ініціює, відбувається складання наступного активного рибосомного комплексу і починається синтез нового поліпептидного ланцюга. Таким чином, до однієї молекули мРНК може приєднатися кілька активних рибосом з утворенням полісоми. Синтез поліпептиду триває доти, доки в А-ділянці не виявиться один із трьох стоп-кодонів. Стоп-кодон розпізнається спеціалізованим білком термінації, який припиняє синтез та сприяє відділенню поліпептидного ланцюга від рибосоми та від мРНК.

Мал. 3.10. Синтез поліпептидного ланцюга на рибосомі. Деталізована схема приєднання до зростаючого поліпептидного ланцюга нової амінокислоти та участь у цьому процесі ділянок А та Р великої субодиниці рибосоми.

Рибосома та мРНКтакож роз'єднуються і готові розпочати новий синтез поліпептидного ланцюга (див. рис. 3.9). Залишається лише нагадати, що білки - це основні молекули, що забезпечують життєдіяльність клітини та організму. Вони і ферменти, що забезпечують весь складний обмін речовин, і структурні білки, що становлять скелет клітини і утворюють міжклітинну речовину, і білки-транспортери багатьох речовин в організмі, як, наприклад, гемоглобін, кисень, що транспортує, і білки-канали, що забезпечують проникнення в клітину і видалення з неї різноманітних сполук.

а) На рибосомах гранулярної ЕПС синтезуються такі білки, які потім

Або виводяться з клітини (експортні білки),
або входять до складу певних мембранних структур (власне мембран, лізосом тощо).

б) При цьому пептидний ланцюг, що синтезується на рибосомі, проникає своїм лідерним кінцем через мембрану в порожнину ЕПС, де потім виявляється весь білок і формується його третинна структура.

2. Тут же (у просвіті цистерн ЕПС) починається модифікація білків - зв'язування їх із вуглеводами чи іншими компонентами.

8. Механізми клітинного поділу.

Нуклеїнові кислоти.

Вперше нуклеїнові кислоти (НК) були виявлені в 1869 швейцарським біохіміком Фрідріхом Мішером.

НК – це лінійні нерозгалужені гетерополімери, мономерами яких є нуклеотиди, пов'язані фосфодіефірними зв'язками.

Нуклеотид складається з:

азотистої основи

Пуринові (аденін (А) та гуанін (Г) - їх молекули складаються з 2-х кілець: 5-ти та 6-ти членного),

Піримидинові (цитозин (Ц), тімін (Т) та урацил (У) – одне шестичленне кільце);

вуглеводу (5-ти вуглецеве цукрове кільце): рибоза або дезоксирибозу;

залишку фосфорної кислоти.

Існує 2 типи НК: ДНК та РНК. ПК забезпечують зберігання, відтворення та реалізацію генетичної (спадкової) інформації. Ця інформація закодована як нуклеотидних послідовностей. Послідовність нуклеотидів відбиває первинну структуру білків. Відповідність між амінокислотами і нуклеотидними послідовностями, що кодують їх, називається генетичним кодом. Одиницею генетичного кодуДНК і РНК є триплет- Послідовність з трьох нуклеотидів.

ДНК (дезоксирибонуклеїнова кислота)– це нуклеїнова кислота, мономерами якої є дезоксирибонуклеотиди; це материнський носій генетичної інформації. Тобто. вся інформація про структуру, функціонування та розвиток окремих клітин та цілісного організму записана у вигляді нуклеотидних послідовностей ДНК.

Первинна структура ДНК – одноланцюжкова молекула (фаги).

Подальше укладання макромолекули полімеру називається вторинною структурою. У 1953 р. Джеймс Вотсона і Френк Крик відкрили вторинну структуру ДНК - подвійну спіраль. У цій спіралі фосфатні угруповання знаходяться зовні спіралей, а основи – усередині та розташовані з інтервалом 0,34 нм. Ланцюги утримуються разом водневими зв'язками між основами і закручені одна навколо іншої навколо спільної осі.

Підстави в антипаралельних нитках за рахунок водневих зв'язків утворюють комплементарні (взаємодоповнювані) пари: А = Т (2 зв'язки) та Г ≡ Ц (3 зв'язки).

Явище комплементарності у будові ДНК у 1951 р. виявив Ервін Чаргафф.

Правило Чаргаффа: число пуринових основ завжди дорівнює числу піримідинових (А+Г)=(Т+Ц).

Третинна структура ДНК – це подальше укладання дволанцюгової молекули в петлі завдяки водневим зв'язкам між сусідніми витками спіралі (суперспіралізація).

Четвертична структура ДНК - це хроматиди (2 нитки хромосоми).

Рентгенограми волокон ДНК, вперше отримані Моррісом Уїлкінсом і Розаліндою Франклін, вказують на те, що молекула має спіральну структуру і містить більше одного полінуклеотидного ланцюга.

Існує кілька сімейств ДНК: А, В, З, D, Z-форми. У клітинах зазвичай зустрічається В-форма. Усі форми, крім Z, правозакручені спіралі.

Реплікація (самоподвоєння) ДНК - Це один з найважливіших біологічних процесів, що забезпечують відтворення генетичної інформації. Реплікація починається з поділу двох комплементарних кіл. Кожен ланцюг використовується як матриця для утворення нової молекули ДНК. У процесі синтезу ДНК беруть участь ферменти. Кожна з двох дочірніх молекул обов'язково включає одну стару спіраль та одну нову. Нова молекула ДНК абсолютно ідентична старій за послідовністю нуклеотидів. Такий спосіб реплікації забезпечує точне відтворення в дочірніх молекулах інформації, що була записана в материнській молекулі ДНК.

В результаті реплікації однієї молекули ДНК утворюється дві нові молекули, які є точною копією вихідної молекули. матриці. Кожна нова молекула складається з двох ланцюгів – одного з батьківських та одного із сестринських. Такий механізм реплікації ДНК називається напівконсервативним.

Реакції, у яких одна молекула гетерополімеру служить матрицею (формою) для синтезу іншої молекули гетерополімеру з комплементарною структурою, називаються реакціями матричного типу. Якщо в ході реакції утворюються молекули тієї ж речовини, яка є матрицею, то реакція називається автокаталітичної. Якщо під час реакції на матриці однієї речовини утворюються молекули іншої речовини, то така реакція називається гетерокаталітичної. Таким чином, реплікація ДНК (тобто синтез ДНК на матриці ДНК) є автокаталітичною реакцією матричного синтезу

До реакцій матричного типу відносяться:

Реплікація ДНК (синтез ДНК на матриці ДНК),

Транскрипція ДНК (синтез РНК на матриці ДНК),

Трансляція РНК (синтез білків на матриці РНК).

Однак існують інші реакції матричного типу, наприклад, синтез РНК на матриці РНК і синтез ДНК на матриці РНК. Два останні типи реакцій спостерігаються при зараженні клітини певними вірусами. Синтез ДНК на матриці РНК ( зворотна транскрипція) широко використовується в генній інженерії.

Усі матричні процеси складаються з трьох етапів: ініціації (початку), елонгації (продовження) та термінації (закінчення).

Реплікація ДНК – це складний процес, у якому бере участь кілька десятків ферментів. До найважливіших з них відносяться ДНК-полімерази (кілька типів), праймази, топоізомерази, лігази та інші. Головна проблема при реплікації ДНК полягає в тому, що в різних ланцюгах однієї молекули залишки фосфорної кислоти направлені в різні боки, але нарощування ланцюгів може відбуватися тільки з кінця, який закінчується групою ВІН. Тому в ділянці, що реплікується, яка називається вилкою реплікації, Реплікація протікає на різних ланцюгах по-різному. На одному з ланцюгів, який називається провідним, відбувається безперервний синтез ДНК на матриці ДНК. На іншому ланцюгу, який називається запізнілим, спочатку відбувається зв'язування праймера- Специфічного фрагмента РНК. Праймер служить затравкою для синтезу фрагмента ДНК, який називається фрагментом Оказаки. Надалі праймер видаляється, а фрагменти Козаки зшиваються між собою в єдину нитку ферменту ДНК-лігази. Реплікація ДНК супроводжується репарацією- Виправленням помилок, що неминуче виникають при реплікації. Існує безліч механізмів репарації.

Реплікація відбувається перед поділом клітини. Завдяки цій здатності ДНК здійснюється передача спадкової інформації від материнської клітини дочірнім.

РНК (рибонуклеїнова кислота)– це нуклеїнова кислота, мономерами якої є рибонуклеотиди.

У межах однієї молекули РНК є кілька ділянок, які комплементні один одному. Між такими комплементарними ділянками утворюються водневі зв'язки. В результаті в одній молекулі РНК чергуються двоспіральні та односпіральні структури, і загальна конформація молекули нагадує конюшинний лист.

Азотисті основи, що входять до складу РНК, здатні утворювати водневі зв'язки з комплементарними основами ДНК і РНК. При цьому азотисті основи утворюють пари А=У, А=Т та Г≡Ц. Завдяки цьому можлива передача інформації від ДНК до РНК, РНК до ДНК і від РНК до білків.

У клітинах виявляється три основних типи РНК, що виконують різні функції:

1. Інформаційна, або матричнаРНК (іРНК, чи мРНК). Функція: матриця синтезу білка. Складає 5% клітинної РНК. Передає генетичну інформацію від ДНК на рибосоми при біосинтезі білка. В еукаріотів іРНК (мРНК) стабілізована за допомогою специфічних білків. Це уможливлює продовження біосинтезу білка навіть у тому випадку, якщо ядро ​​неактивне.

мРНК є лінійним ланцюгом з кількома областями з різною функціональною роллю:

а) на 5"-кінці знаходиться кеп («ковпачок») – захищає мРНК від екзонуклеаз,

б) за ним йде нетрансльована ділянка, комплементарна відділу рРНК, яка входить у малу субодиницю рибосоми,

в) трансляція (зчитування) мРНК починається з ініціюючого кодону АУГ, що кодує метіонін,

г) за ініціюючим кодоном слідує кодуюча частина, що містить інформацію про послідовність амінокислот у білку.

2. Рибосомна, або рибосомальнаРНК (РРНК). становить 85% клітинної РНК. У поєднанні з білком входить до складу рибосом, визначає форму великої та малої рибосомних субодиниць (50-60S- та 30-40S-субодиниць). Беруть участь у трансляції – зчитуванні інформації з іРНК у синтезі білка.

Субодиниці і рРНК, що входять до них, прийнято позначати за їх константою седиментації. S – коефіцієнт седиментації, одиниці Сведберга. Величина S характеризує швидкість осідання частинок при ультрацентрифугуванні та пропорційна їх молекулярній масі. (Так, наприклад, рРНК прокаріотів з коефіцієнтом седиментації 16 одиниць Сведберга позначається як 16S рРНК).

Т.ч., виділяють кілька видів рРНК, що розрізняються за довжиною полінуклеотидного ланцюга, масою та локалізації в рибосомах: 23-28S, 16-18S, 5S та 5,8S. І прокаріотична, і еукаріотична рибосоми містять дві різні високополімерні РНК, по одній на кожну субодиницю, і одну низькомолекулярну РНК - 5S РНК. Еукаріотичні рибосоми також містять низькомолекулярну 5,8S РНК. Н-р, у прокаріотів синтез 23S, 16S і 5S рРНК, у еукаріотів - 18S, 28S, 5S і 5,8S.

80S-рибосома (еукаріотична)

Мала 40S субодиниця Велика 60S субодиниця

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

5,8 SрРНК (~155 н.),

5SрРНК (~121 н.),

~30 білків. ~45 білків.

70S-рибосома (прокаріотична)

Мала 30S субодиниця Велика 50S субодиниця

16SрРНК, - 23SрРНК,

~20 білків. ~30 білків.

Велика молекула високополімерної рРНК (константа седиментації 23-28S, локалізована в 50-60S субодиницях рибосом.

Мала молекула високополімерної рРНК (константа седиментації 16-18S, локалізована в 30-40S субодиницях рибосом.

У всіх без винятку рибосом присутня низькополімерна 5S рРНК, локалізована в 50-60S субодиницях рибосом.

Низькополімерна рРНК з константою седиментації 5,8S характерна лише для еукаріотичних рибосом.

Т.о., до складу рибосом входить три типи рРНК у прокаріотів і чотири типи рРНК у еукаріотів.

Первинна структура рРНК - один полірибонуклеотидний ланцюг.

Вторинна структура рРНК – спіралізація самої він полірибонуклеотидної ланцюга (окремі ділянки ланцюга РНК утворюють спіралізовані петлі – «шпильки»).

Третинна структура високополімерних рРНК – взаємодії спіралізованих елементів вторинної структури.

3. ТранспортнаРНК (ТРНК). Складає 10% клітинної РНК. Переносить амінокислоту доречно синтезу білка, тобто. до рибосом. Для кожної амінокислоти є своя тРНК.

Первинна структура тРНК – один полірибонуклеотидний ланцюг.

Вторинна структура тРНК – модель «конюшинний лист», у цій структурі 4 дволанцюжкові та 5 одноланцюжкових ділянок.

Третинна структура тРНК - стабільна, молекула згортається в Г-подібну структуру (2 майже перпендикулярні один одному спіралі).

Усі типи РНК утворюються внаслідок реакцій матричного синтезу. Найчастіше матрицею служить одне із ланцюгів ДНК. Таким чином, біосинтез РНК на матриці ДНК є гетерокаталітичною реакцією матричного типу. Цей процес називається транскрипцієюі контролюється певними ферментами – РНК-полімеразами (транскриптазами).

Синтез РНК (транскрипція ДНК) полягає у переписуванні інформації з ДНК на мРНК.

Відмінності синтезу РНК від синтезу ДНК:

Асиметричність процесу: як матриця використовується лише один ланцюг ДНК.

Консервативність процесу: молекула ДНК після синтезу РНК повертається у вихідний стан. При синтезі ДНК молекули наполовину оновлюються, що робить напівконсервативною реплікацію.

Синтез РНК не вимагає для свого початку ніякого травлення, а при реплікації ДНК необхідна РНК-затравка.

В основі передачі та реалізації спадкової інформації лежать реакції матричного синтезу. Їх лише три: реплікація ДНК, транскрипція та трансляція. Всі ці реакції відносяться до реакцій пластичного обміну, потребують витрат енергії та участі ферментів.

Реплікація.

Реплікація– самоподвоєння молекул ДНК – лежить в основі передачі спадкової інформації з покоління до покоління. В результаті реплікації однієї материнської молекули ДНК утворюються дві дочірні, кожна з яких є подвійною спіралью, в якій одна нитка ДНК - материнська, а інша знову - синтезована. Для реплікації необхідні різні ферменти, нуклеотиди та енергія.

За допомогою спеціальних ферментів розриваються водневі зв'язки, що з'єднують комплементарні підстави двох ланцюгів материнської ДНК. Нитки ДНК розходяться. Молекули ферменту ДНК-полімерази рухаються вздовж материнських ланцюгів ДНК та послідовно з'єднують нуклеотиди, формуючи дочірні ланцюги ДНК. Процес приєднання нуклеотидів іде за принципом комплементарності. В результаті формуються дві молекули ДНК ідентичні материнській та одна одній.

Біосинтез білка.

Біосинтез білка, тобто. процес реалізації спадкової інформації, що протікає у два етапи. На першому етапі інформація про первинну структуру білка листується з ДНК на іРНК. Цей процес називається транскрипцією. Другий етап – трансляція – відбувається на рибосомах. У результаті трансляції відбувається синтез білка з амінокислот відповідно до послідовністю записаної в иРНК, тобто. послідовність нуклеотидів перетворюється на послідовність амінокислот. Таким чином, процес реалізації спадкової інформації можна виразити схемою:

ДНК → іРНК → білок → властивість, ознака

Транскрипція– синтез інформаційної РНК на матриці ДНК. Цей процес відбувається там, де є ДНК. У еукаріотів транскрипція відбувається в ядрі, мітохондріях і хлоропластах (у рослин), а у прокаріотів безпосередньо в цитоплазмі. При транскрипції молекула ДНК є матрицею, іРНК продуктом реакції.

Транскрипція починається з поділу ланцюгів ДНК, яке відбувається як при реплікації (водневі зв'язки розриваються з допомогою ферментів). Потім фермент РНК-полімеразу послідовно за принципом комплементарності з'єднує нуклеотиди в ланцюг, синтезуючи молекулу іРНК. Молекула іРНК, що утворилася, відокремлюється і направляється в цитоплазму «на пошуки» рибосоми.

Синтез білка на рибосомах називається трансляцією. Трансляція в еукаріотів відбувається на рибосомах, які знаходяться в цитоплазмі, на поверхні ЕПС, в мітохондріях і в хлоропластах (у рослин), а у прокаріотів на рибосомах в цитоплазмі. У трансляції беруть участь іРНК, тРНК, рибосоми, амінокислоти, молекули АТФ, ферменти.

· Амінокислотислужать матеріалом синтезу молекули білка.

· АТФє джерелом енергії для з'єднання амінокислот один з одним.

· Ферментиберуть участь у приєднанні амінокислот до тРНК та у поєднанні амінокислот один з одним.

· Рибосомискладаються з молекул рРНК і білка, що формують активний центр, у якому відбуваються основні події трансляції.

· Інформаційна РНКу разі є матрицею для синтезу молекули білка. Триплети іРНК, кожен із яких кодує якусь амінокислоту, називаються кодонами.

· Транспортні РНКпідносять амінокислоти до рибосом і беруть участь у перекладі послідовності нуклеотидів в послідовність амінокислот. Транспортні РНК, як та інші види РНК, синтезуються на матриці ДНК. Вони мають вигляд конюшинного листа (рис. 28.3). Три нуклеотиди, розташовані на вершині центральної петлі, молекули тРНК утворюють. антикодон.

Хід трансляції.

Трансляція починається зі зв'язування іРНК із рибосомою. Рибосома рухається іРНК, щоразу переміщаючись на один триплет. В активному центрі рибосоми можуть одночасно перебувати два триплети (кодону) іРНК. До кожного з цих кодонів підходить тРНК, що має комплементарний антикодон і несе певну амінокислоту. Між кодонами та антикодонами утворюються водневі зв'язки, що утримують тРНК в активному центрі. У цей час утворюється пептидна зв'язок між амінокислотами. Поліпептидний ланцюг, що росте, «підвішується» на тРНК, який увійшов до активного центру останнього. Рибосома просувається однією триплет вперед, у результаті активному центрі виявляється новий кодон і відповідна тРНК. ТРНК, що звільнилася, відокремлюється від іРНК і відправляється за новою амінокислотою.

Надіслати свою гарну роботу до бази знань просто. Використовуйте форму нижче

Студенти, аспіранти, молоді вчені, які використовують базу знань у своєму навчанні та роботі, будуть вам дуже вдячні.

Розміщено на http://www.allbest.ru/

1. Реакції матричного синтезу

У живих системах зустрічаються реакції, невідомі в неживій природі - реакції матричного синтезу.

Терміном "матриця" в техніці позначають форму, що вживається для виливки монет, медалей, друкарського шрифту: затверділий метал точно відтворює всі деталі форми, що служила для виливки. Матричний синтез нагадує виливок на матриці: нові молекули синтезуються у точній відповідності до плану, закладеного у структурі вже існуючих молекул.

Матричний принцип є основою найважливіших синтетичних реакцій клітини, як-от синтез нуклеїнових кислот і білків. У цих реакціях забезпечується точна, суворо специфічна послідовність мономерних ланок синтезованих полімерах.

Тут відбувається спрямоване стягування мономерів у певне місце клітини – на молекули, що служать матрицею, де реакція протікає. Якби такі реакції відбувалися внаслідок випадкового зіткнення молекул, вони протікали б нескінченно повільно. Синтез складних молекул на основі матричного принципу здійснюється швидко та точно.

Роль матриці у матричних реакціях грають макромолекули нуклеїнових кислот ДНК або РНК.

Мономірні молекули, з яких синтезується полімер, - нуклеотиди або амінокислоти - відповідно до принципу комплементарності розташовуються та фіксуються на матриці у строго визначеному, заданому порядку.

Потім відбувається "зшивання" мономерних ланок у полімерний ланцюг, і готовий полімер скидається з матриці.

Після цього матриця готова до збирання нової полімерної молекули. Зрозуміло, що як на цій формі може проводитися виливок тільки якоїсь однієї монети, однієї літери, так і на цій матричній молекулі може йти "складання" лише одного полімеру.

Матричний тип реакцій - специфічна особливість хімізму живих систем. Вони є основою фундаментального властивості всього живого - його здатність до відтворення собі подібного.

До реакцій матричного синтезу відносять:

1. реплікацію ДНК - процес самоподвоєння молекули ДНК, здійснюваний під контролем ферментів. На кожному з ланцюгів ДНК, що утворилися після розриву водневих зв'язків, за участю ферменту ДНК-полімерази синтезується дочірній ланцюг ДНК. Матеріалом для синтезу є вільні нуклеотиди, що є в цитоплазмі клітин.

Біологічний сенс реплікації полягає у точній передачі спадкової інформації від материнської молекули до дочірніх, що у нормі і відбувається при розподілі соматичних клітин.

Молекула ДНК і двох комплементарних ланцюгів. Ці ланцюги утримуються слабкими водневими зв'язками, здатними розриватися під впливом ферментів.

Молекула здатна до самоподвоєння (реплікації), причому на кожній старій половині молекули синтезується її нова половина.

Крім того, на молекулі ДНК може синтезуватися молекула іРНК, яка потім переносить отриману від ДНК інформацію до місця синтезу білка.

Передача інформації та синтез білка йдуть за матричним принципом, який можна порівняти з роботою друкарського верстата в друкарні. Інформація від ДНК багаторазово копіюється. Якщо при копіюванні будуть помилки, то вони повторяться у всіх наступних копіях.

Щоправда, деякі помилки при копіюванні інформації молекулою ДНК можуть виправлятися - процес усунення помилок називається репарацією. Першою з реакцій у процесі передачі є реплікація молекули ДНК і синтез нових ланцюгів ДНК.

2. транскрипцію - синтез і-РНК на ДНК, процес зняття інформації з молекули ДНК, що синтезується на ній молекулою і-РНК.

І-РНК складається з одного ланцюга та синтезується на ДНК відповідно до правила комплементарності за участю ферменту, який активує початок та кінець синтезу молекули і-РНК.

Готова молекула і-РНК виходить у цитоплазму на рибосоми, де відбувається синтез поліпептидних ланцюгів.

3. трансляцію - синтез білка на і-РНК; процес перекладу інформації, що міститься в послідовності нуклеотидів і-РНК, послідовність амінокислот в поліпептиді.

4. синтез РНК чи ДНК на РНК вірусів

Таким чином, біосинтез білка - це один із видів пластичного обміну, в ході якого спадкова інформація, закодована в генах ДНК, реалізується у певну послідовність амінокислот у білкових молекулах.

Молекули білків по суті є поліпептидні ланцюжки, складені з окремих амінокислот. Але амінокислоти недостатньо активні, щоб поєднатися між собою самостійно. Тому, перш ніж з'єднатися один з одним та утворити молекулу білка, амінокислоти мають активуватися. Ця активація відбувається під впливом спеціальних ферментів.

Внаслідок активування амінокислота стає більш лабільною і під дією того ж ферменту зв'язується з т-РНК. Кожній амінокислоті відповідає суворо специфічна т-РНК, яка знаходить свою амінокислоту і переносить її в рибосому.

Отже, рибосому надходять різні активовані амінокислоти, з'єднані зі своїми т-РНК. Рибосома являє собою ніби конвеєр для складання ланцюжка білка з різних амінокислот, що надходять до нього.

Одночасно з т-РНК, на якій «сидить» своя амінокислота, рибосому надходить «сигнал» від ДНК, яка міститься в ядрі. Відповідно до цього сигналу в рибосомі синтезується той чи інший білок.

Напрямний вплив ДНК на синтез білка здійснюється не безпосередньо, а за допомогою особливого посередника - матричної або інформаційної РНК (м-РНК або РНК), яка синтезується в ядрі під впливом ДНК, тому її склад відображає склад ДНК. Молекула РНК є як би зліпок з форми ДНК. Синтезована і-РНК надходить у рибосому і як би передає цій структурі план - в якому порядку повинні з'єднуватися один з одним активовані амінокислоти, що надійшли в рибосому, щоб синтезувався певний білок. Інакше генетична інформація, закодована в ДНК, передається на і-РНК і далі на білок.

Молекула і-РНК надходить у рибосому та прошиває її. Той її відрізок, який знаходиться в даний момент у рибосомі, визначений кодоном (триплет), взаємодіє абсолютно специфічно з відповідним до нього за будовою триплетом (антикодоном) транспортної РНК, яка принесла в рибосому амінокислоту.

Транспортна РНК зі своєю амінокислотою підходить до певного кодону іРНК і з'єднується з ним; до наступної, сусідній ділянці і-РНК приєднується інша т-РНК з іншою амінокислотою і так доти, доки не буде раховано весь ланцюжок і-РНК, поки не нанижуться всі амінокислоти у відповідному порядку, утворюючи молекулу білка.

А т-РНК, яка доставила амінокислоту до певної ділянки поліпептидного ланцюга, звільняється від своєї амінокислоти і виходить із рибосоми. матричний клітина нуклеїновий ген

Потім знову в цитоплазмі до неї може приєднатися потрібна амінокислота і вона знову перенесе її в рибосому.

У процесі синтезу білка бере участь одночасно одна, а кілька рибосом - полирибосомы.

Основні етапи передачі генетичної інформації:

синтез на ДНК як на матриці і-РНК (транскрипція)

синтез у рибосомах поліпептидного ланцюга за програмою, що міститься в іРНК (трансляція).

Етапи універсальні всім живих істот, але тимчасові і просторові взаємини цих процесів різняться у про- і еукаріотів.

У еукаріотів транскрипція і трансляція строго розділені в просторі і часі: синтез різних РНК відбувається в ядрі, після чого молекули РНК повинні залишити межі ядра, пройшовши через ядерну мембрану. Потім у цитоплазмі РНК транспортуються до місця синтезу білка – рибосом. Лише після цього наступає наступний етап – трансляція.

У прокаріотів транскрипція і трансляція йдуть одночасно.

Таким чином, місцем синтезу білків і всіх ферментів у клітині є рибосоми - це як би "фабрики" білка, як би складальний цех, куди надходять усі матеріали, необхідні для збирання поліпептидного ланцюжка білка з амінокислот. Природа білка, що синтезується, залежить від будови і-РНК, від порядку розташування в ній нуклеоїдів, а будова і-РНК відображає будову ДНК, так що в кінцевому підсумку специфічна будова білка, тобто порядок розташування в ньому різних амінокислот, залежить від порядку розташування нуклеоїдів у ДНК, від будови ДНК.

Викладена теорія біосинтезу білка отримала назву матричної теорії. Матричною ця теорія називається тому, що нуклеїнові кислоти відіграють як би роль матриць, в яких записано всю інформацію щодо послідовності амінокислотних залишків у молекулі білка.

Створення матричної теорії біосинтезу білка та розшифрування амінокислотного коду є найбільшим науковим досягненням XX століття, найважливішим кроком на шляху до з'ясування молекулярного механізму спадковості.

Алгоритм розв'язання задач.

Тип 1. Самокопіювання ДНК. Один із ланцюжків ДНК має таку послідовність нуклеотидів: АГТАЦЦГАТАЦТЦГАТТТАЦГ... Яку послідовність нуклеотидів має другий ланцюжок тієї ж молекули? Щоб написати послідовність нуклеотидів другого ланцюжка молекули ДНК, коли відома послідовність першого ланцюжка, достатньо замінити тимін на аденін, аденін на тимін, гуанін-цитозин і цитозин на гуанін. Зробивши таку заміну, отримуємо послідовність: ТАЦТГГЦТАТГАГЦТАААТГ... Тип 2. Кодування білків. Ланцюжок амінокислот білка рибонуклеази має такий початок: лізин-глутамін-треонін-аланін-аланін-аланін-лізин... З якої послідовності нуклеотидів починається ген, який відповідає цьому білку? І тому слід скористатися таблицею генетичного коду. Для кожної амінокислоти знаходимо кодове позначення у вигляді відповідної трійки нуклеотидів і виписуємо його. Маючи в своєму розпорядженні ці трійки один за одним у такому ж порядку, в якому йдуть відповідні їм амінокислоти, отримуємо формулу будови ділянки інформаційної РНК. Як правило таких трійок кілька, вибір робиться за Вашим рішенням (але береться тільки одна з трійок). Рішень відповідно може бути кілька. Тип 3. Декодування молекул ДНК. З якої послідовності амінокислот починається білок, якщо він закодований такою послідовністю нуклеотидів: АЦГЦЦЦАТГГЦЦГГТ... За принципом комплементарності знаходимо будову ділянки інформаційної РНК, що утворюється на даному відрізку молекули ДНК: УГЦГГГУАЦЦГГЦЦА... Потім звертаємося до таблиці починаючи з першої, знаходимо та виписуємо відповідну їй амінокислоту: Цистеїн-гліцин-тирозин-аргінін-пролін-...

2. Конспект з біології в 10 «А» класі на тему: Біосинтез білків

Мета: Ознайомити з процесами транскрипції та трансляції.

Освітня. Ввести поняття гена, триплету, кодону, коду ДНК, транскрипції та трансляції, пояснити сутність процесу біосинтезу білків.

Розвиваюча. Розвиток уваги, пам'яті, логічного мислення. Тренування просторової уяви.

Виховна. Виховання культури праці на уроці, поваги до чужої праці.

Обладнання: Дошка, таблиці з біосинтезу білків, магнітна дошка, динамічна модель.

Література: підручники Ю.І. Полянського, Д.К. Бєляєва, А.О. Рувінського; "Основи цитології" О.Г. Машанової, "Біологія" В.М. Яригіна, «Гени та геноми» Сінгер і Берг, шкільний зошит, Н.Д.Лісова навч. Посібник для 10 класу "Біологія".

Методи та методичні прийоми: оповідання з елементами бесіди, демонстрація, тестування.

Послідовність матричних реакцій при біосинтезі білків можна подати у вигляді схеми:

Варіант 1

1. Генетичний код – це

а) система запису порядку розташування амінокислот у білку за допомогою нуклеотидів ДНК

б) ділянка молекули ДНК із 3-х сусідніх нуклеотидів, що відповідає за постановку певної амінокислоти в молекулі білка

в) властивість організмів передавати генетичну інформацію від батьків потомству

г) одиниця зчитування генетичної інформації

40. Кожна амінокислота кодується трьома нуклеотидами – це

а) специфічність

б) триплетність

в) виродженість

г) неперекриваність

41. Амінокислоти шифруються більш ніж одним кодоном - це

а) специфічність

б) триплетність

в) виродженість

г) неперекриваність

42. У еукаріотів один нуклеотид входить до складу тільки одного кодону - це

а) специфічність

б) триплетність

в) виродженість

г) неперекриваність

43. Усі живі організми нашій планеті мають однаковий генетичний код - це

а) специфічність

б) приниженість

в) виродженість

г) неперекриваність

44. Поділ по три нуклеотиди на кодони чисто функціональний і існує лише на момент процесу трансляції

а) код без ком.

б) триплетність

в) виродженість

г) неперекриваність

45. Кількість смислових кодонів у генетичному коді

Розміщено на Allbest.ru

Подібні документи

Вивчення будови гена еукаріотів, послідовності амінокислот у білковій молекулі. Аналіз реакції матричного синтезу, процесу самоподвоєння молекули ДНК, синтезу білка на матриці та-РНК. Огляд хімічних реакцій, які у клітинах живих організмів.

презентація , доданий 26.03.2012


Основні види нуклеїнових кислот. Будова та особливості їх будови. Значення нуклеїнових кислот всім живих організмів. Синтез білків у клітині. Зберігання, перенесення та передача у спадок інформації про структуру білкових молекул. Будова ДНК.

презентація , додано 19.12.2014


Визначення поняття та опис загальних особливостей трансляції як процесу синтезу білка за матрицею РНК, що здійснюється у рибосомах. Схематичне уявлення синтезу рибосом у еукаріотів. Визначення сполученості транскрипції та трансляції у прокаріотів.

презентація , додано 14.04.2014


Первинна, вторинна та третинна структури ДНК. Властивості генетичного коду. Історія відкриття нуклеїнових кислот, їх біохімічні та фізико-хімічні властивості. Матрична, рибосомальна, транспортна РНК. Процес реплікації, транскрипції та трансляції.

реферат, доданий 19.05.2015


Сутність, склад нуклеотидів, їх фізичні властивості. Механізм редуплікації дезоксирибонуклеїнової кислоти (ДНК), транскрипція її з перенесенням спадкової інформації на РНК та механізм трансляції – синтез білка, що спрямовується цією інформацією.

реферат, доданий 11.12.2009


Особливості застосування методу ядерного магнітного резонансу (ЯМР) для дослідження нуклеїнових кислот, полісахаридів та ліпідів. Дослідження методом ЯМР комплексів нуклеїнових кислот з протеїнами та біологічними мембранами. Склад та структура полісахаридів.

курсова робота , доданий 26.08.2009


Нуклеотиди як мономери нуклеїнових кислот, їх функції у клітині та методи дослідження. Азотисті основи, що не входять до складу нуклеїнових кислот. Будова та форми дезоксирибонуклеїнових кислот (ДНК). Види та функції рибонуклеїнових кислот (РНК).

презентація , додано 14.04.2014


Історія вивчення нуклеїнових кислот. Склад, структура та властивості дезоксирибонуклеїнової кислоти. Уявлення про ген і генетичний код. Вивчення мутацій та його наслідків щодо організму. Виявлення нуклеїнових кислот у рослинних клітинах.

контрольна робота , доданий 18.03.2012


Відомості про нуклеїнові кислоти, історія їх відкриття та поширення в природі. Будова нуклеїнових кислот, номенклатура нуклеотидів. Функції нуклеїнових кислот (дезоксирибонуклеїнова – ДНК, рибонуклеїнова – РНК). Первинна та вторинна структура ДНК.

реферат, доданий 26.11.2014


Загальна характеристика клітини: форма, хімічний склад, відмінності еукаріотів від прокаріотів. Особливості будови клітин різних організмів. Внутрішньоклітинний рух цитоплазми клітини, метаболізм. Функції ліпідів, вуглеводів, білків та нуклеїнових кислот.