Реалізація спадкової інформації генів у еукаріотів. Реалізація генетичної інформації

У першій чверті XX ст. було показано, що елементарні успадковані ознаки обумовлені матеріальними одиницями спадковості - генами, локалізованими в хромосомах, де вони розташовуються послідовно один за одним лінійному порядку. На цій основі Т. X. Морган був розроблений хромосомна теорія спадковості,за що він отримав у 1933 р. Нобелівську премію з фізіології та медицини «за відкриття, пов'язані з участю хромосом у спадковості».

Вчені намагалися визначити і «продукти» діяльності генів, тобто ті молекули, які синтезуються у клітинах під їх контролем. У роботах Ефруссі, Бідла та Татума напередодні Другої світової війни була висунута ідея про те, що гени продукують білки, але для цього ген повинен зберігати інформацію для синтезу певного білка (ферменту). Складний механізм реалізації інформації, укладеної в ДНК, та її переведення у форму білка було розкрито лише у 60-ті роки минулого століття.

ГЕНЕТИЧНИЙ КІД.Уявлення у тому, що у гені закодована інформація про первинної структурі білка, було викладено Ф. Криком у його гіпотезі послідовності,згідно з якою послідовність структурних елементів гена визначає послідовність амінокислотних залишків у синтезованому поліпептидному ланцюгу. Автор гіпотези припускав, що код, швидше за все триплетен, що одиниця, що кодує, представлена ​​трьома парами основ ДНК, розташованими в певній послідовності. Дійсно, чотири пари основ ДНК: А-Т, Т-А, Г-Ц, Ц-Г можуть закодувати лише 4 амінокислоти, якщо припустити, що кожна пара відповідає одній амінокислоті. Відомо, що білки складаються з 20 основних амінокислот. Якщо припустити, що кожній амінокислоті відповідають дві пари основ, можна закодувати 16 амінокислот (4 2). Цього також замало. При триплетності ж коду з чотирьох пар основ можна скласти 64 кодони (4 3), і цього більш ніж достатньо для кодування 20 амінокислот. Експериментальні докази того, що генетичний код триплетен були опубліковані в 1961 р. (Ф. Крик та ін.). У цьому ж році на V Міжнародному біохімічному конгресі в Москві М. Ніренберг та Дж. Маттей повідомили про розшифрування першого кодону (УУУ - кодону для фенілаланіну) і, що ще важливіше, запропонували метод визначення складу кодонів у безклітинній системі білкового синтезу.

Відразу виникли два питання: чи є код, що перекривається, і чи вироджений код?

Якби кодони перекривалися, то заміна однієї пари підстав призводила б до заміни відразу двох або трьох амінокислот в білку, що синтезується. Насправді цього немає, і генетичний код вважають неперекривається.

Код є виродженим,так як майже кожна амінокислота пов'язана з більш ніж одним кодоном, які визначають їх розстановку в первинній структурі поліпептидного ланцюга, що синтезується. Тільки дві амінокислоти – метіонін та триптофан – пов'язані з одиничними кодонами – АУГ та УГГ відповідно. Розстановку кожної з трьох амінокислот - аргініну, лейцину та серину - у первинній структурі поліпептидного ланцюга визначають шість кодонів тощо (див. табл. 3.2).

До особливостей генетичного коду належить також його універсальність(Він переважно однаковий для всіх живих організмів). Проте виявлено й винятки із цього правила. У 1981 р. було завершено визначення повної нуклеотидної послідовності мітохондріальної ДНК людини, що містить 16569 нуклеотидних пар. Отримані результати свідчать про те, що мітохондріальні геноми вищих і нижчих еукаріотів, що кодують приблизно один і той же набір функцій, характеризуються відмінностями в смисловому значеннідеяких кодонів, правила антикодон-кодонового впізнавання та загальної структурної організації. Так, виявилося, що, на відміну від звичайного універсального коду, кодон АУА замість ізолейцину кодує метіонін, а триплети АГА і АГГ є не аргініновими кодонами, а сигналами термінації. трансляції; триптофан кодується як триплет УГГ, так і триплет УГА, який зазвичай виконує функцію термінаторного кодону.

У генетичному коді різні кодони однієї амінокислоти, тобто кодони-синоніми, майже завжди знаходяться в тому самому квадраті і відрізняються один від одного по останньому з трьох нуклеотиду (виняток становлять лише кодони аргініну, серена і лейцину, що мають по шість кодонів , які не можуть розміститися в одному квадраті, де розміщуються всього чотири кодони). Генетичний кодмає лінійний порядок зчитування та характеризується колінеарністю , т. е. збігом порядку розташування кодонів в мРНК з порядком розташування амінокислот синтезується напівдипептидного ланцюга.

СИНТЕЗБІЛКА У КЛІТЦІ. Відтворення та дія генів пов'язані з матричними процесами: синтезом макромолекул-ДНК, РНК, білків. Вище вже розглядалася реплікація як процес, що забезпечує відтворення генетичної інформації. Сучасна теорія гена- досягнення молекулярної генетики - цілком спирається на успіхи біохімії у вивченні матричних процесів. І навпаки, метод генетичного аналізу робить істотний внесок у вивчення матричних процесів, які самі перебувають під генетичним контролем. Розглянемо дію гена, що забезпечує транскрипцію,або синтез РНК, та трансляцію,чи синтез білка.

ТранскрипціяДНК, це - перенесення генетичної інформації, закодованої в послідовності пар нуклеотидів, з дволанцюгової молекули ДНК на одноланцюгову молекулу РНК. При цьому матрицею для синтезу РНК служить лише один ланцюг ДНК, що називається смисловий.

У транскрипції, як і в інших матричних процесах, Розрізняють три стадії: ініціацію, елонгаціюі термінацію.Фермент, який здійснює цей процес, називають ДНК-залежною РНК-полімеразою або просто РНК~полімеразою;при цьому полімеризація полірибонуклеотиду (РНК) відбувається в напрямку від 5"- до З"-кінця зростаючого ланцюга.

Синтез ферментів та інших білків, необхідні життєдіяльності та розвитку організмів, відбувається переважно першої стадії інтерфази, на початок реплікації ДНК.

В результаті транскрипції спадкова інформація, записана в ДНК гена, транскрибується(переписується) в нуклеотидну послідовність морок. Синтез мРНК починається з ділянки ініціації транскрипції промотором.Промотор розташований перед геном і включає близько 80 пар нуклеотидів (у вірусів і бактерій ця ділянка відповідає приблизно одному витку спіралі ДНК і включає близько 10 пар нуклеотидів). У нуклеотидних послідовностях промоторів часто зустрічаються пари AT, тому їх називають ТАТА-послідовностями.

Транскрипція здійснюється за допомогою ферментів РНК-полімераз. У еукаріотів відомі три типи РНК-полімераз: I - відповідальний за синтез рРНК, II - за синтез мРНК; III -за синтез тРНК та низькомолекулярної рРНК - 5S РНК.

РНК-полімераза міцно зв'язується з промотором та роз'єднує нуклеотиди комплементарних ланцюгів. Потім цей фермент починає рухатися вздовж гена (молекули ДНК) і в міру роз'єднання ланцюгів веде на одній з них (смисловий) синтез мРНК, приєднуючи згідно з принципом комплементарно аденін до тиміну, урацил до аденіну, гуанін до цитозину та цитозин до гуаніну. Ті ділянки ДНК, на яких полімераза утворила мРНК, знову з'єднуються, а молекула мРНК, що синтезується, поступово відокремлюється від ДНК. Закінчення синтезу мРНК визначається ділянкою зупинки транскрипції - термінатором.Нуклеотидні послідовності промотора та термінатора впізнаються спеціальними білками, що регулюють активність РНК-полімерази.

Перед виходом з ядра до початкової частини мРНК (5"-кінцю) приєднується залишок метильованого гуаніну, званий «ковпачком», а до кінця мРНК (З"-кінцю) - близько 200 залишків аденілової кислоти. У такому вигляді зріла мРНК проходить через ядерну мембрану в цитоплазму рибосоми і з'єднується з нею. Вважають, що у еукаріотів «ковпачок» мРНК бере участь у зв'язуванні її з малою субодиницею рибосоми.

Трансляція мРНК.Це синтез білка на рибосомах, що спрямовується матрицею мРНК. При цьому інформація перекладається з чотирилітерного алфавіту нуклеїнових кислотна двадцятилітерний алфавіт амінокислотних послідовностей поліпептидних ланцюгів.

У цьому вся процесі розрізняють три стадії.

Активація вільних амінокислот – освіта аміноациладенілатіввнаслідок взаємодії амінокислот з АТФ під контролем ферментів, специфічних для кожної амінокислоти. Ці ферменти - аміноацилтРНКсинтета-зи- беруть участь і у наступній стадії.

Аміноацилування тРНК - приєднання амінокислотних залишків до тРНК шляхом взаємодії тРНК та комплексу аміноацил-тРНК-синтетази з аміноациладенілатами. У цьому кожен амінокислотний залишок приєднується до свого специфічного класу тРНК.

Власне трансляція або полімеризація амінокислотних залишків з утворенням пептидних зв'язків.

Таким чином, при трансляції послідовність розташування нуклеотидів в мРНК переводиться у відповідну, суворо впорядковану послідовність розташування амінокислот в молекулі білка, що синтезується. У процесі трансляції беруть участь мРНК, рибосоми, тРНК, аміноацил-тРНК-синтетази.

Сигналом ініціації трансляціїу про- та еукаріотів служить кодон АУТ, якщо він розташований на початку мРНК. У цьому випадку його «дізнається» спеціалізована ініціююча формілметіонінова (у бактерій) або метіонінова (у еукаріотів) тРНК. В інших випадках кодон АУГ «читається» як метіоніновий. Сигналом ініціації може бути кодон ГУГ. Ця взаємодія відбувається на рибосомі в її аміноацильному центрі (А-центрі), що знаходиться переважно на малій субодиниці рибосоми.

Взаємодія кодону АУГ інформаційної РНК, малої субодиниці рибосоми та формілметіоніл-тРНК утворює комплекс ініціації.Суть цієї взаємодії у тому, що до кодону АУГ на мРНК приєднується своїм антикодом.

УАЦ тРНК, що захопила і несе молекулу амінокислоти метіоніну (у ініціаторної бактерій є тРНК, яка переносить формілметіонін). Потім до цього комплексу, що складається з малої субодиниці рибосоми (30S *), мРНК і тРНК, приєднується велика субодиниця рибосоми (50S *). В результаті утворюється повністю зібрана рибосома, що включає одну молекулу мРНК та ініціаторну тРНК з амінокислотою. У рибосомі є аміноациловийі пептидильнийцентри.

Перша амінокислота (метіонін) спочатку потрапляє до аміноацильного центру. У процесі приєднання більшої субодини рибосоми мРНК просувається на один кодон, тРНК з аміноацильного центру переміщається в пептидильний центр. До аміноацильного центру надходить наступний кодон мРНК, який може з'єднатися з антикодоном наступної аміноацил-тРНК. З цього моменту починається друга стадія трансляції. елонгація,в ході якої багаторазово повторюється цикл приєднання молекул амінокислот до зростаючого поліпептидного ланцюга. Так, до аміноацильного центру рибосоми надходить відповідно до кодону інформаційної РНК друга молекула тРНК, яка несе чергову амінокислоту. Ця тРНК своїм антикодоном поєднується з комплементарним кодоном мРНК. Відразу ж за допомогою пептицилтрансферази попередня амінокислота (метіонін) з'єднується своєю карбоксильною групою (СООН) з аміногрупою (NH 2) нової амінокислоти. Між ними утворюється пептидна зв'язок. При цьому виділяється молекула води:

В результаті мРНК, що доставила метіонін, звільняється, а в аміноацильному центрі до тРНК виявляється вже приєднаним дипептид. Для подальшого здійснення процесу елонгації має бути звільнений аміноацильний центр, що й відбувається.

В результаті процесу трансляції комплекс дипептидил-тРНК просувається з аміноацильного центру в пептидильний. Це відбувається завдяки переміщенню рибосоми на один кодон за участю ферменту транслоказита білкового фактора елонгації. ТРНК, що звільнилася, і кодон мРНК, який був пов'язаний з нею, виходять з рибосоми. Наступна тРНК доставляє в аміноацильний центр, що звільнився, амінокислоту відповідно до кодону, що надійшли туди. Ця амінокислота за допомогою пептидного зв'язку з'єднується із попередньою. При цьому рибосома просувається ще на один кодон, і процес повторюється до тих пір, поки в аміноацильний центр не надійде один з трьох кодонів, що термінують (нонсенс-кодонів), тобто УАА, УАГ або У ГА.

Після надходження до аміноацильного центру рибосоми термінуючого кодону настає третій етап синтезу поліпептиду. термінація.Вона починається з приєднання до термінуючого кодону мРНК одного з білкових факторів термінації, що призводить до блокування подальшої елонгації ланцюга. Термінація синтезу призводить до звільнення синтезованого поліпептидного ланцюга та субодиниць рибосоми, які після звільнення дисоціюють і можуть взяти участь у синтезі наступного поліпептидного ланцюга,

Весь процес трансляції супроводжується розщепленням молекул ГТФ (гуанозинтрифосфату), причому потрібна участь додаткових білкових факторів, специфічних для процесів ініціації (факторів ініціації), елонгації (факторів елонгації) та термінації (факторів термінації). Ці білки є інтегральною частиною рибосоми, а приєднуються до неї певних етапах трансляції. У загальних рисахпроцес трансляції однаковий у всіх організмів.

Процес синтезу білка дуже складний. Крім згаданих, його перебіг забезпечують багато інших ферментів. У E. coli відкрито близько 100 генів, які контролюють синтез поліпептидів та утворення різних елементів, що входять в апарат трансляції. Оскільки молекула мРНК виявляється досить довгою, до неї може приєднатися кілька рибосом. У кожній з рибосом, пов'язаних з однією молекулою мРНК, йде синтез тих самих молекул білка, проте цей синтез знаходиться на різних стадіяхщо визначається тим, яка з них раніше і яка пізніше вступила у зв'язок з молекулою мРНК. У міру того, як рибосома просувається вздовж мРНК (від неї 5"- до З"-кінцю), що ініціює ділянку ланцюга вивільняється, на ньому відбуваєтьсязбирання наступного активного рибосомного комплексу, і на тій же матриці знову починається синтез поліпептиду. При взаємодії декількох активних рибосом з однією молекулою мРНК утворюється полірибосома,або полісома.

Поліпептидні ланцюги, що утворюються при синтезі білка, зазнають посттрансляційних перетворень і надалі виконують свої специфічні функції. Первинна структураполіпептиду визначається послідовністю розташування у ньому амінокислот. Поліпептидні ланцюги мимоволі формують певну вториннуструктуру, що визначається природою бічних груп амінокислотних залишків (α-спіраль, складчастий β-шар, випадковий клубок). Всі ці та інші структурні особливості визначають деяку фіксовану тривимірну конфігурацію, яку називають третинної(або просторовою) структурою поліпептиду,відбиває власне справи спосіб укладання даної полипептидной ланцюга в тривимірному просторі.

Білки можуть складатися з одного або кількох поліпептидних ланцюгів. У другому випадку їх називають олігомірними білками.Для них характерна певна четвертинна структура.Під цим терміном мають на увазі загальну конфігурацію білка, що виникла при асоціації всіх поліпептидних ланцюгів, що входять до її складу. Зокрема, структурна модель людського гемоглобіну включає два α-ланцюги і два β-ланцюги, які пов'язані між собою і утворюють четвертинну білкову структуру.

Точність поліпептидного синтезу залежить від правильності утворення системи водневих зв'язків між кодонами та антикодонами. До замикання чергового пептидного зв'язку за допомогою рибосом здійснюється перевірка правильності утворення пари кодон – антикодон. Пряме свідчення на користь активної ролі рибосом у контролі комплементарності кодон-антикодонового зв'язку - виявлення мутацій, що змінюють рибосомні білки і таким чином впливають на точність трансляції. Питання мутаціях буде розглянуто у розділі 6.

СПЕЦІАЛІЗОВАНИЙ ПЕРЕНОС ГЕНЕТИЧНОЇ ІНФОРМАЦІЇ. РЕПЛІКАЦІЯ РНК. Відомі три види процесів, у межах яких здійснюється спеціалізоване перенесення генетичної інформації. Одне з них - перенесення інформації від РНК до РНК - вдається зафіксувати лише у клітинах, заражених вірусами, генетичний матеріал представлений РНК. Це, зокрема, вірус тютюнової мозаїки та багато інших вірусів рослин, що містять РНК бактеріофаги та деякі інші віруси тварин, такі, як поліовіруси. Ці вірусні геномні РНК, одноланцюгові або дволанцюгові, несуть гени, що кодують специфічні РНК-реплікази, які за РНК-матрицею можуть синтезувати комплементарні молекули РНК. Вони можуть служити матрицями для синтезу аналогічним способом копій батьківських ланцюгів РНК. Перенесення генетичної інформації від РНК до РНК також ґрунтується на принципі комплементарних основ у батьківському та дочірньому ланцюгах РНК.

Зворотній транскрипції.Даний вид спеціалізованого перенесення генетичної інформації немає від ДНК до РНК, а навпаки від РНК до ДНК, виявлено у клітинах тварин, інфікованих вірусами певного типу. Це особливий тип РНК-вірусів, званих ретровірус.В даний час встановлено, що ще один тип вірусів - ДНК-вірус гепатиту Уу своєму розвитку також використовує перенесення інформації від РНК до ДНК.

Ретровіруси містять молекули одноланцюгової РНК, при цьому кожна вірусна частка має дві копії РНК-генома, тобто віруси цього типу є єдиним відомим різновидом диплоїдних вірусів. Вперше вони були виявлені за здатністю викликати утворення пухлин у тварин. Перший вірус цього був описаний в 1911г. Пептоном Раусом, який виявив інфекційну саркому у курей.

Після проникнення РНК ретровірусу в клітину господаря вірусний ген піддається зворотної транскрипції.При цьому спочатку утворюється дуплекс РНК-ДНК, а потім дволанцюжкова ДНК. Ці етапи передують експресії вірусних генів лише на рівні білків та освіті РНК-геномів.

Фермент, який каталізує комплементарне копіювання РНК з утворенням ДНК, називається зворотною транскриптазою.Він міститься в ретровірусних частинках (віріонах) і активізується після потрапляння вірусу в клітину та руйнування його ліпідно-глікопротеїнової оболонки.

З'являється все більше даних про те, що зворотна транскрипція відбувається і в різних еукаріотичних клітинах, А зворотна транскриптаза відіграє у процесах перебудови геному.

Зворотні транскриптази ретровірусів - це по суті ДНК-полімерази, які можуть використовуватися in vitro як матриця ДНК. Проте набагато ефективніше вони працюють на РНК. Як і всі ДНК-полімерази, зворотні транскриптази не здатні ініціювати синтез нових ланцюгів ДНК. Але якщо синтез вже ініційований за допомогою праймерної РНК або 3"-кінцевої ділянки ДНК, фермент ефективно здійснює синтез, використовуючи ланцюг ДНК як матрицю.

Ретровіруси виявились дуже корисним інструментом сучасних генно-інженерних досліджень. Вони є джерелом для отримання практично чистої зворотної транскриптази - ферменту, що грає найважливішу рольу численних роботах, що базуються на клонуванні еукаріотичних генів. Так, очищену індивідуальну мРНК, що кодує білка, що цікавить дослідника, як правило, виділити набагато легше, ніж фрагмент ДНК геному, що кодує цей білок. Потім за допомогою зворотної транскриптази можна отримати ДНК-копію цієї мРНК і вбудувати її у відповідну плазміду для клонування та вироблення значних кількостей потрібної ДНК.

Трансляція ДНК.Третій вид спеціалізованого перенесення генетичної інформації від ДНК безпосередньо до білка вдалося спостерігати лише у лабораторії in vitro. У цих умовах деякі антибіотики, зокрема стрептоміцин і неоміцин, що взаємодіють з рибосомами, можуть так змінювати їх властивості, що рибосоми починають використовувати як матрицю замість мРНК одноланцюжкову ДНК, з якою послідовність основ безпосередньо переводиться в амінокислотну послідовність синтезованого поліпептиду.

Етапи реалізації генетичної інформації

I. Т ранскрипція - синтез всіх видів РНК на матриці ДНК. Транскрипція, або переписування, відбувається не на всій молекулі ДНК, а на ділянці, що відповідає за певний білок (ген). Умови, необхідні для транскрипції:

а) розкручування ділянки ДНК за допомогою білків-ферментів, що розплітають.

б) наявність будівельного матеріалуяк АТФ. ГТФ. УТФ. 1ДТФ

в) ферменти трансктипції – РНК-полімерази I, II, III

г) енергія як АТФ.

Транскрипція відбувається за принципом комплементарності. При цьому за допомогою спеціальних білків-ферментів ділянка подвійний спіраліДНК розкручується, є матрицею синтезу иРНК. Далі вздовж ланцюга ДНК

рухається фермент РНК-полімераза, з'єднуючи між собою нуклеотиди за принципом комплементарності в ланцюг РНК, що росте. Далі одноланцюжкова РНК відокремлюється від ДНК і через пори в мембрані ядра залишає клітинне ядро ​​(рис. 5)

Рис. 5 Схематичне зображення транскрипції.

Відмінності в транскрипції про- та еукаріотів.

за хімічної організаціїспадкового матеріалу еукаріоти та прокаріоти принципово не відрізняються. Відомо, що генетичний матеріал представлений ДНК.

Спадковий матеріал прокаріотів міститься в кільцевій ДНК, яка розташовується в цитоплазмі клітини. Гени прокаріотів складаються повністю з кодуючих нуклеотидних послідовностей.

Гени еукаріотів містять інформативні ділянки -екзони, які несуть інформацію про амінокислотну послідовність білків, і неінформативні ділянки - інтрони, що не несуть інформації.

Відповідно, транскрипція інформаційної РНК у еукаріотів проходить у 2 етапи:

S) переписуються (транскрибуються) всі ділянки (інтрони та екзони) -така іРНК прийнято називати незрілої або про-іРПК.

2). процессинг- Дозрівання матричної РНК. За допомогою спеціальних ферментів вирізають інтронні ділянки, потім зшиваються екзони. Явище зшивання екзонів прийнято називати сплайсингом. Посттранскрипційне дозрівання молекули РНК відбувається у ядрі.

ІІ. Трансляція (Translation), чи біосинтез білка. Суть трансляції -переведення чотирилітерного шифру азотистих основ на 20-літерний «словник» амінокислот.

Процес трансляції полягає у перенесенні закодованої в іРНК генетичної інформації в амінокислотну послідовність білка. Здійснюється біосинтез білка в цитоплазмі на рибосомах і складається з кількох етапів:

1. Підготовчий етап(активація амінокислот), полягає у ферментативному зв'язуванні кожної амінокислоти зі своєю тРНК та утворенні комплексу амінокислота - тРНК.

2. Власне синтез білка, який включає три стадії:

а) ініціація - іРНК пов'язується з малою субодиницею рибосоми, першими кодонами, що ініціюють, є АУТ або ГУГ. Цим кодонам відповідає комплекс метіоніл-тРНК. Разом з тим, в ініціації бере участь три білкові: фактори, що полегшують зв'язування мРНК з великою субчастицею рибосоми, утворюється ініціаторний комплекс

б) елонгація - подовження поліпептидного ланцюжка. Процес здійснюється в 3 кроки і полягає у зв'язуванні кодону мРНК з антикодоном тРНК за принципом комплементарності активному центрірибосоми, потім в освіті пептидного зв'язку між двома залишками амінокислот і переміщенні дипептиду на крок вперед і, відповідно, пересування рибосоми вздовж іРНК на один код вперед

в) термінація - закінчення трансляції, залежить від присутності в іРНК термінуючих кодонів або "стоп-сигналів" (УАА, УГА, УАГ) та білкових ферментів - факторів термінації (рис. 6).

Рис. 6. Схема трансляції

а) стадія елонгації;

б) надходження синтезованого білка в ендоплазматичну мережу

У клітині для синтезу білка використовується не одна, а кілька рибосом. Такий працюючий комплекс іРНК із кількома рибосомами прийнято називати полірибосомою. У такому разі синтез білка відбувається швидше, ніж при використанні лише однієї рибосоми.

Вже в ході трансляції білок починає укладатися в тривимірну структуру, а при вкрай важливості в цитоплазмі приймає четвертинну організацію.

Рис 7 Роль нуклеїнових кислот у передачі генетичної інформації

Лексико-граматичні завдання:

бути

визначатися

кодувати чим

характеризуватися

називатися

Завдання №1.Слова та словосполучення, дані у дужках, напишіть у правильній формі.

1. Усі морфологічні, анатомічні та функціональні особливостібудь-якої клітини та організму в цілому визначаються (структура специфічних білків).

2. Послідовність розташування амінокислот у поліпептидному ланцюжку визначається (послідовність) нуклеотидів у ділянці ДНК, яку прийнято називати (ген), а послідовність нуклеотидів у ДНК прийнято називати (генетичний код).

3. Кожна амінокислота кодується (група з трьох нуклеотидів), яку прийнято називати (триплет).

4. Генетичний код характеризується ( наступні ознаки: триплетність, виродженість, безперервність, лінійність і відсутність ком, універсальність).

5. 20 амінокислот кодуються (одні й самі триплети).

Завдання №2.Замість точок використовуйте короткі та повні формипричастя, утворені від дієслів кодуватись - закодуватися.

1. Послідовність нуклеотидів у ДНК, певні амінокислоти в молекулі білка, прийнято називати генетичним кодом.

2. Одна й та сама кислота має бути... кількома триплетами.

3. 20 амінокислот... одними й тими самими триплетами.

4. Розрізняють структурні гени, ... структурні та ферментні білки, а також гени з інформацією для синтезу тРНК та рРНК та ін.

5. Наступним етапом реалізації генетичної інформації, ... у гені, є транскрипція.

принципово (не) відрізняються суттєво по якомуознакою

значно

По хімічній організації матеріалу спадковості еукаріоти та прокаріоти принципово не відрізняються. Генетичний матеріалвони представлений ДНК.

Завдання №3. Прочитайте частину тексту «Відмінність транскрипції у про- та еукаріотів». Розкажіть про етапи реалізації спадкової інформації.

Завдання №4. Закінчіть речення, спираючись на інформацію тексту.

1. Спадковий матеріал прокаріотів міститься в.

2. Гени прокаріотів складаються повністю з.

3. Гени еукаріотів містять.

4. Транскрипція у еукаріотів відбувається в.

5. Трансляція полягає в перенесенні закодованої в іРНК генетичної інформації.

6. Трансляція здійснюється в цитоплазмі на.

Завдання№5. Складіть схему етапів трансляції та розкажіть за схемою про поетапне здійснення трансляції.

Рішеннятипових завдань

Ділянки структурних генів у про- та еукаріотів мають подібні послідовності нуклеотидів:

ЦАТ-ГТЦ-АЦА-"ПТД-ТГА-ААА-ЦАА-ЦЦГ-АТА-ЦЦЦ-ЦТГ-ЦГГ-ЦТТ-ГГА-АЦА-АТА. Причому, у еукаріотів послідовність нуклеотидів АЦА-ТТЦ-ТГА-ААА та ГГА-АЦА -АТА кодують інтронні ділянки для і-РНК Використовуючи словник генетичного коду, визначте:

а) яку послідовність нуклеотидів матиме іРНК, що транскрибується з цієї ділянки ДНК у прокаріотів;

б) яку послідовність нуклеотидів матиме іРНК, що транскрибується з цієї ділянки ДНК у еукаріотів;

в) яку послідовність амінокислот матиме білок, що кодується даною ділянкою гена у про- та еукаріотів.

Тема 9. Ген,його будова та функції.

Відомо, що матеріальними носіями генетичної інформації гени. Ген - елементарна одиницяспадковості, що визначає розвиток будь-якої ознаки організму. Гени знаходяться в хромосомах і

займають певне місце - локус. З точки зору молекулярної біологіїген - це ділянка молекули ДНК, в якій закодовано інформацію про синтез певного білка. Етапи реалізації генетичної інформації, закодованої в гені, можна подати у вигляді схеми:

Молекулярні механізми реалізації генетичне ської інформаціїормації

Основні положення теорії гена:

1. Ген займає певне місце(локус) у хромосомі.

2. Ген (цистрон) – частина молекули ДНК, яка відрізняється певною послідовністюнуклеотидів і є функціональною одиницю спадкової інформації. Кількість нуклеотидів, що входять до складу різних генів, є різною.

3. У межах одного гена можуть спостерігатися рекомбінації (обмін ділянками. Такі ділянки цистрона називаються реконами).

4. Ділянки, де може змінюватися послідовність нуклеотидів, називаються мутонами.

5. Існують функціональні та структурні гени. Структурні гени кодують синтез білкової молекули. Розрізняють структурні гени, що кодують структурні білки, так і ферментні білки, а також гени з інформацією про синтез тРНК, рРНК та ін.

6. Функціональні гени не кодують білок, а контролюють та спрямовують діяльність структурних генів.

7. Розташування триплетів нуклеотидів у структурних генах коллін єарно відповідає розташуванню амінокислот в молекулі білка.

8. Ділянки молекули ДНК, що входять до складу гена, здатні до відновлення, тобто. до репарації, у зв'язку з цим, не всі зміни послідовності нуклеотидів у ділянці ДНК ведуть до мутацій.

9. Генотип складається з окремих генів (дискретен), але функціонує як єдине ціле, т.к. гени здатні взаємодіяти, впливати один на одного. На функцію генів впливають чинники як внутрішньої, і зовнішнього середовища.

Ген має низку властивостей:

Дискретність дії;

Стабільність (постійність);

Передача спадкової інформації у незмінному вигляді, за відсутності мутації;

Лабільність (зміна) генів, пов'язана з їхньою здатністю до мутацій;

Специфічність – кожен ген обумовлює розвиток певної ознаки;

Плейотропія – один ген може відповідати за кілька ознак;

Експресивність – ступінь вираженості ознаки;

Пенентратність - частота прояву гена серед його носіїв.

Геном людини містить близько 30 тисяч генів. Одні з них активні, інші заблоковані. Весь обсяг генетичної інформації перебуває під суворим контролем регуляторних механізмів. Усі гени взаємопов'язані між собою, утворюючи єдину систему. Регуляція їхньої активності здійснюється за складними механізмами.

Сюди включаються процеси регуляції активності генів на етапах транскрипції (до, під час, після неї), трансляції (до, під час, після неї), а також узгодженого каскадного групового регулювання роботи генів (їх експресії), участі в даному процесігормонів (сигнальних речовин); хімічної модифікації ДНК (рис.8).

Рис. 8. Схема регуляції транскрипції структурних генів у прокаріотичної клітини на кшталт індукції.

Експресія (прояв активності гена) окремого гена залежить від того, в якому стані даний гензнаходиться. З цієї причини існує різна пенінт рантності(відсотковий кількісний фенотипічний прояв

гена) та експресивності (ступінь вираженості гена). Ці поняття були вперше введені в генетику М.В. Тимофєєвим-Рессовським. Конкретний генотип людини визначається фенотиповим ступенем виразності патологічної ознаки, детермінованим певним геном (експресивністю), навіть аж до відсутності клінічної картинипатології за наявності в генотипі мутантних алелів.

Лексико-граматичні завдання:

Завдання №1.Замініть придаткові визначальні причетні обороти.

1. Ген - одиниця спадковості, що визначає розвиток будь-якої однієї ознаки.

2. Гени, що знаходяться в хромосомах, займають певне місце – локус.

3. Реалізацію інформації, яка закодована в гені, подають у вигляді схеми.

4. Ген – частина молекули ДНК, яка відрізняється певною послідовністю нуклеотидів.

5. Кількість нуклеотидів, що входять до складу різних генів, є різною.

Завдання №2.Замініть пасивні конструкції активними.

1. Синтез білкової молекули кодується структурними генами.

2. Діяльність структурних генів контролюється та спрямовується функціональними генами.

щовпливає на що Гени здатні впливати один на одного.на функцію чоговпливають фактори внутрішнього та зовнішнього середовища

Завдання №3. Напишіть речення, розкриваючи дужки.

1. Екзонні ділянки генів кодують (Первинна структура білка).

2. Інтронні ділянки гена грають (Структурна, допоміжна роль).

3. Ген - частина молекули ДНК, яка є (функціональна одиниця спадкової інформації).

Завдання №4. прочитайте частину тексту про базових положенняхтеорії генів і напишіть визначення: а) локусу, б) реконів, в) мутонів.

Завдання№5. Використовуючи цю інформаціюзакінчити фрази.

1. Стабільністю прийнято називати 1.... передавати спадкову властивість генів... інформацію в незмінному

2. Лабільність генів - це... 2.... ступінь виразності

ознаки.

3. Пенентральність генів – це 3.... частота прояву гена

серед його носіїв.

4. Експресивність генів - ... 4.... пов'язана з їх здібностями до

мутаціям

Рішення типовихзавдань

1. Ділянка структурного гена має таку послідовність нуклеотидів:

АТА-ЦІА-А1^-ЦТА-ГГА-ЦГА-ГТА-ЦАА

АГА-ТЦА-ЦГА-ААА-АТГ. Використовуючи словник генетичного коду, визначте:

а) яку послідовність нуклеотидів матиме про-іРНК, що транскрибується з цієї ділянки;

б) відомо, що кодони 3,4,5,9,10,11,12 у про-іРНК входить до складу інтронів. Яку послідовність матиме іРНК;

в) яку послідовність амінокислот матиме фрагмент білка, що кодується вказаною ділянкою гена;

г) напишіть, які антикодони мають бути у тРНК, які забезпечують синтез цього фрагмента білка.

2. Ділянки структурних генів у про- та еукаріотів мають подібні послідовності нуклеотидів:

ЦАТ-ГТЦ-А1ТА-ТТЦ-ТГА-ААА-ЦАА-Ц1^^ АЦА-АТА. Слід зазначити, що послідовності нуклеотидів АЦА-ТТЦ-ТГА-ААА та ГГА-АЦА-АТА кодують інтронні ділянки еукаріотів. Визначте:

а) послідовність нуклеотидів у первинному транскрипті у еукаріотів;

б) як прийнято називати дозрівання іРНК? Визначте нуклеотидну послідовність іРНК.

в) яка відмінність у послідовності амінокислот у білках у прокаріотів та еукаріотів. Поясніть причину цієї відмінності.

Етапи реалізації генетичної інформації - поняття та види. Класифікація та особливості категорії "Етапи реалізації генетичної інформації" 2017, 2018.

Запитання 1. Згадайте повне визначенняпоняття «життя».

У середині XIXв. Фрідріх Енгельс писав: «Життя є спосіб існування білкових тіл, суттєвим моментом якого є постійний обмін речовин з навколишнім зовнішньою природою, причому із припиненням цього обміну речовин припиняється і життя, що призводить до розкладання білка». на сучасному рівнізнань це класичне визначення життя доповнено уявленням про виняткову значущість нуклеїнових кислот — молекул, які містять генетичну інформацію, що дозволяє організмам самовідновлюватись та відтворюватись (розмножуватися).

Наведемо одне з сучасних визначень: «Живі тіла, що існують на Землі, являють собою відкриті системи, що саморегулюються і самовідтворюються, побудовані з біополімерів — білків і нуклеїнових кислот». При цьому поняття «відкрита система» має на увазі зазначений ще Ф. Енгельсом обмін речовинами та енергією з довкіллям(харчування, дихання, виділення); поняття «саморегуляція» - здатність до підтримки сталості хімічного складу, структури та властивостей. Важливою умовою успішної саморегуляції є подразливість - здатність організму реагувати на інформацію, що надходить із зовнішнього світу.

Запитання 2. Назвіть основні властивостігенетичного коду та поясніть їх значення.

Можна виділити сім основних властивостей генетичного коду.

Триплетність. Три нуклеотиди, що стоять поспіль, кодують одну амінокислоту.

Однозначність. Один триплет не може кодувати більше однієї амінокислоти.

Надмірність. Одна амінокислота може бути кодована більш ніж одним триплетом.

Безперервність. Між триплетами не існує «розділових знаків». Якщо "рамку зчитування" зрушити на один нуклеотид, весь код буде розшифрований неправильно. Як приклад наведемо пропозицію, що складається з трилітерних слів: жив був кіт кіт був сірий. Тепер зрушимо «рамку зчитування» на одну літеру: ілбілк відк відбув сер.

Генетичний код є таким, що не перекривається. Будь-який нуклеотид може входити до складу лише одного триплету.

Полярність. Існують триплети, що визначають початок та кінець окремих генів.

Універсальність. У всіх живих організмів один і той же триплет кодує ту саму амінокислоту.

Питання 3. Яка сутність процесу передачі спадкової інформації з покоління до покоління та з ядра до цитоплазми, до місця синтезу білка?

При передачі спадкової інформації з покоління до покоління молекули ДНК подвоюються в процесі дуплікації. Кожна дочірня клітина отримує одну із двох ідентичних молекул ДНК. При безстатевому розмноженні генотип дочірнього організму ідентичний материнському. При статевому розмноженні організм нащадка отримує власний диплоїдний набір хромосом, зібраний з материнського гаплоїдного і гаплоїдного батьківського наборів.

p align="justify"> При передачі спадкової інформації з ядра в цитоплазму ключовим процесом є транскрипція - синтез РНК на ДНК. Синтезована молекула іРНК є комплементарною копією певного фрагмента ДНК - гена та містить інформацію про будову певного білка. Така молекула іРНК є посередником між сховищем генетичної інформації – ядром та цитоплазмою з рибосомами, де утворюються білки. Рибосоми використовують іРНК як матрицю (інструкцію) для синтезу білка в процесі трансляції.

Запитання 4. Де синтезуються рибонуклеїнові кислоти?

Рибонуклеїнові кислоти синтезуються у ядрі. Утворення рРНК і збирання субодиниць рибосом відбуваються в особливих ділянках ядра - ядерцях. Невелика кількість РНК синтезується в мітохондріях та пластидах, де є власна ДНК та власні рибосоми.

Питання 5. Розкажіть, де відбувається синтез білка та як він здійснюється.

Синтез білка відбувається у цитоплазмі та здійснюється за допомогою спеціалізованих органоїдів – рибосом. Молекула іРНК з'єднується з рибосомою тим кінцем, з якого має розпочатися синтез білка. Амінокислоти, необхідні синтезу білкового ланцюга, доставляються молекулами транспортних РНК (тРНК). Кожна тРНК може переносити лише одну з 20 амінокислот (наприклад, тільки аланін). Яку саме амінокислоту переносить тРНК, визначає триплет нуклеотидів, розташований на верхівці центральної петлі тРНК, - антикодон.

Якщо антикодон виявиться комплементарним триплету нуклеотидів іРНК, що знаходиться в Наразів контакті з рибосомою відбудеться тимчасове зв'язування тРНК з іРНК, і амінокислота буде включена в білковий ланцюг.

На наступному етапі тРНК, що звільнилася, піде в цитоплазму, а рибосома зробить «крок» і зрушиться до наступного триплету іРНК. Потім до цього триплету підійде тРНК з відповідним антикодоном і доставить чергову амінокислоту, яка буде приєднана до білка, що росте.

Генетичний код– спосіб запису в молекулі ДНК інформації про кількість та порядок розташування амінокислот у білку.

Властивості:

Триплетність - одна амінокислота кодується трьома нуклеотидами

Неперекриваність - один і той же нуклеотидні може входити одночасно до складу двох або більше триплетів

Однозначність (специфічність) - певний кодон відповідає лише одній

Універсальність – генетичний код працює однаково в організмах різного рівняскладності - від вірусів людини

Виродженість (надмірність) - одній і тій же амінокислоті може відповідати кілька кодонів.

14.Етапи реалізації спадкової інформації у прокаріотів та еукаріотів.

Реплікація (синтез) ДНК

Синтез ДНК завжди починається в певних точках. Фермент топоізомеразу розкручує спіраль. Геліказа руйнує водневі зв'язки між ланцюгами ДНК та утворює вилку реплікацій. SSB-білки перешкоджають повторному формуванню водневих зв'язків.

РНК-праймаз синтезує короткі фрагменти РНК (праймери), які приєднуються до 3"-кінця.

ДНК-полімераза починають від праймера та синтезує дочірній ланцюг (5" 3")-

Напрямок синтезу одного ланцюга ДНК збігається з напрямом руху виделки реплікацій, тому цей ланцюг синтезується безперервно. Тут синтез іде швидко. Напрямок синтезу другого ланцюга протилежний напряму вилки реплікацій. Тому синтез цієї ланцюга відбувається як окремих ділянок і йде повільно (фрагменти Оказаки).

Дозрівання ДНК: відщеплюється РНК-праймери, добудовуються нуклеотиди, що відсутні, фрагменти ДНК з'єднуються за допомогою лігази. Топоізомераза розкручує спіраль.

Етапи реалізації спадкової інформації (у еукаріотів)

1.Транскрипція

2.Процесінг

3.Трансялція

4.Посттрансляційні зміни

Трансляція– синтез молекули РНК з урахуванням молекули ДНК. Ключовий фермент - РНК-полімераза.

РНК-полімераза повинна розпізнати промотер та взаємодіяти з ним. Промотер - особлива ділянка ДНК, яка розташовується перед інформативною частиною гена. Взаємодія з промотором потрібна для активації РНК-полімерази. Після активації РНК-полімеразу забезпечує розрив водневих зв'язків між ланцюгами ДНК.

Синтез РНК завжди відбувається за певним кодогенним ланцюгом ДНК. На цьому ланцюгу промотер розташовується ближче до 3 "-кінцю.

Синтез РНК відбувається за принципами комплементарності та антипаралельності.

РНК-полімераза досягає стоп-кодону (термінатор або термінує кодон). Це є сигналом для припинення синтезу. Фермент інактивується, відділяється від ДНК, при цьому звільняється знову синтезована молекула ДНК – первинний трансткрипт – про-РНК. Відновлюється вихідна структура ДНК.

Особливості будови гена еукаріотів:

У еукаріотів гени включають різні за функцією ділянки

А) Інтрони-фрагменти ДНК (гену), які не кодують амінокислоти в білку

Б) Екзони – ділянки ДНК, які кодують амінокислоти у білку.

Уривчаста природа гена була виявлена ​​Роберцем і Шарпом (Ноб. Премія 1903г).

Кількість інтронів та екзонів у різних генах сильно відрізняється.

Процесинг(дозрівання)

Відбувається дозрівання первинного транскрипту та утворюється зріла молекула матричної РНК, яка може брати участь у синтезі білка на рибосомах.

На 5"- кінці РНК формується особлива ділянка (структура) - КЕП або шапочка. КЕП забезпечує взаємодію з малою субодиницею рибосоми.

На 3" кінці РНК приєднується від 100 до 200 молекул нуклеотидів, що несуть аденін (поліА). При синтезі білка ці нуклеотиди поступово відщеплюється, руйнування поліА є сигналом для руйнування молекул РНК.

До деяких нуклеотидів РНК приєднується група CH 3 – метилювання. Це підвищує стійкість ДНК до дії ферментів цитоплазми.

Сплайсинг – відбувається вирізування інтронів та зшивання між собою екзонів. Фермент рестриктазу видаляє, лігаза-зшиває)

Зріла матрична РНК включає:

Лідер забезпечує зв'язування матричної РНК із субодиницею рибосоми.

СК – стартовий кодон – однаковий у всіх матричних РНК, що кодує амінокислоту

Кодуюча ділянка кодує амінокислоти в білку.

Стоп-кодон – сигнал про припинення синтезу білка.

Під час процесингу відбувається жорсткий відбір у цитоплазму із ядра виходить близько 10% молекул від числа первинних транскриптів.

Альтернативний сплайсинг

Людина має 25-30 тисяч генів.

Однак у людини виділено близько 100 тисяч білків.

Альтернативний сплайсинг - це ситуація, при якій у клітинах різних тканин один і той же ген забезпечує синтез однакових молекул проРНК. У різних клітинахпо-різному визначається кількість і межі між екзонами та інтронами. В результаті з однакових первинних транскриптів виходять різні мРНК та синтезуються різні білки.

Альтернативний сплайсинг підтверджено приблизно для 50% генів людини.

Трансляція – це процес складання пептидного ланцюга на рибосомах згідно з інформацією, закладеною в іРНК.

1.Ініціація (початок)

2.Елонгація (подовження молекули)

3.Термінація (кінець)

Ініціація.

Молекула матрРНК за допомогою КЕПу контактує з малою субодиницею рибосоми. За допомогою лідера РНК зв'язується із субодиницею рибосоми. До стартового кодону приєднується транспРНК, яка несе транспортну кислоту метіонін. Потім приєднується велика субодиниця рибосоми. У цілій рибосомі формується два активні центри: аміноацильний та пептидильний. Аміноакцильний вільний, а пептидильний зайнятий тРНК з метіоніном.

Елонгація.

В аміноакцильний цент входить мРНК, антикодон якої відповідає кодуючим.

Після цього рибосома зсувається щодо мРНК на 1 кодон. При цьому аміноакцильний центр звільняється. У пептидильному центрі знаходиться мРНК, що з'єднується з другою амінокислотою. Процес циклічно повторюється.

3.Термінація

До аміноацильного центру надходить стоп-кодон, який розпізнається спеціальним білком, це є сигналом для припинення синтезу білка. Субодиниці рибосоми роз'єднуються, звільняючи при цьому мРНК і знову синтезується поліпептид.

4. Пострансляційні зміни.

При трансляції утворюється первинна структура поліпептиду. Це недостатньо для виконання функцій білка, тому білок змінюється, що забезпечує його активність.

Утворюється:

А) вторинна структура (водневі зв'язки)

Б)глобула – третинна структура (дисульфідні зв'язки)

В) четвертинна структура – ​​гемоглобін

Г)Глікозилювання – приєднання до білка залишків цукрів (антитіла)

д) розщеплення великого поліпептиду на кілька фрагментів.

Відмінності у реалізації спадкової інформації прокаріотів та еукаріотів:

1.У прокаріотів відстутсвують екзони та інтрони, тому відсутні етапи процесингу та сплайсингу.

2.У прокаріотів транскрипція і трансляція відбувається одночасно, тобто. йде синтез РНК і починається синтез ДНК.

3.У еукаріотів синтез різних видівРНК контролюється різними ферментами. У прокаріотів всі типи РНК синтезуються одним ферментом

4.У еукаріотів кожен ген має свій власний унікальний промотер, у прокаріотів один промотер може контролювати роботу декількох генів.

5. Тільки у прокаріот є система Оперону

Біологія Загальна біологія. 10 клас. Базовий рівеньСивооков Владислав Іванович

13. Реалізація спадкової інформації у клітині

Згадайте!

Яка структура білків та нуклеїнових кислот?

Які типи РНК вам відомі?

Де утворюються субодиниці рибосом?

Яку функцію рибосоми виконують у клітині?

Обов'язковою умовою існування всіх живих організмів є здатність синтезувати білкові молекули. Класичне визначенняФ. Енгельса: «Життя є спосіб існування білкових тіл…» не втратило свого значення у світлі сучасних наукових відкриттів. Білки в організмі виконують тисячі різноманітних функцій, роблячи нас такими, якими ми є. Ми відрізняємося один від одного ростом і кольором шкіри, формою носа та кольором очей, у кожного з нас свій темперамент та свої звички; ми всі індивідуальні і водночас дуже подібні. Наша схожість і наші відмінності – це схожість і відмінності нашої білкового складу. Кожен вид живих організмів має свій специфічний набір білків, який і визначає унікальність цього виду. Але при цьому білки, що виконують подібні функції у різних організмах, можуть бути дуже схожі, а часом практично однакові, кому б вони не належали. Причому найменше відмінностей у білках, які забезпечують життєво важливі фізіологічні функції.

У мітохондріях працює фермент - цитохром С, який відіграє найважливішу роль у забезпеченні клітин енергією. У процесі еволюції поява цитохромів дозволила сформувати ефективну системуЕнергозабезпечення клітини і в результаті призвело до виникнення еукаріотів. Тому невипадково будова цитохрому З однаково переважають у всіх еукаріотичних клітинах – в усіх тварин, рослин та грибів.

Отже, всі властивості будь-якого організму визначаються його білковим складом. Причому структура кожного білка, своєю чергою, визначається послідовністю амінокислотних залишків.

Отже, у результаті спадкова інформація, що передається з покоління до покоління, повинна містити відомості про первинну структуру білків. Інформація про будову всіх білків організму укладена в молекулах ДНК і називається генетичною інформацією.

генетичний код.Яким чином послідовність мономерів – нуклеотидів у ланцюзі ДНК може визначати послідовність амінокислотних залишків у молекулі білка? Чотирьома типами нуклеотидів повинні бути закодовані 20 типів амінокислот, з яких складаються всі білкові молекули. Якби одній амінокислоті відповідав один нуклеотид, то чотири типи нуклеотидів могли б визначати лише чотири типи амінокислот. Це явно не підходить. Якщо припустити, кожен тип амінокислот визначається двома нуклеотидами, то, маючи вихідно чотири типу підстав, можна закодувати 16 різних амінокислот (4?4). Цього теж недостатньо. Нарешті, якщо кожній амінокислоті будуть відповідати три нуклеотиду, що стоять поспіль, тобто триплет, то таких поєднань може бути 64 (4?4?4), і цього більш ніж достатньо, щоб зашифрувати 20 типів амінокислот.

Набір поєднань із трьох нуклеотидів, що кодують 20 типів амінокислот, що входять до складу білків, називають генетичним кодом(Рис. 42). В даний час код ДНК повністю розшифрований, і ми можемо говорити про певні властивості, характерні для цієї унікальної біологічної системи, що забезпечує переведення інформації з «мови» ДНК на «мову» білка

Перша властивість коду - триплетність. Три нуклеотиди, що стоять поспіль, — «ім'я» однієї амінокислоти. Один триплет не може кодувати дві різні амінокислоти - код однозначний. Але при цьому кожна амінокислота може визначатися більш ніж одним триплетом, тобто генетичний код надмірний. Будь-який нуклеотид може входити до складу лише одного триплету, отже, код є неперекривається. Деякі триплети є своєрідними. дорожніми знаками», які визначають початок та кінець окремих генів (УАА, УАГ, УГА – стоп-кодони, що не кодують амінокислоти, АУГ – старт-кодон, кодує амінокислоту метіонін). У тварин і рослин, у грибів, бактерій і вірусів той самий триплет кодує один і той же тип амінокислоти, тобто генетичний код однаковий для всіх живих істот. УніверсальністьКод ДНК підтверджує єдність походження всього живого на нашій планеті.

Рис. 42. Генетичний код

Отже, послідовність триплетів у ланцюзі ДНК визначає послідовність амінокислот у білковій молекулі. Ген– це ділянка молекули ДНК, що кодує первинну структуру одного поліпептидного ланцюга..

Транскрипція(Від лат. transcription- Переписування). Інформація про структуру білків зберігається у вигляді ДНК у ядрі клітини, а синтез білків відбувається на рибосомах у цитоплазмі. Як посередник, що передає інформацію про будову певної білкової молекули до місця її синтезу, виступає інформаційна РНК.

Уявіть бібліотеку з унікальним фондом, книги з якої додому не видають. Для вашої роботи та вирішення якоїсь важливого завданнянеобхідно отримати інформацію, записану в одній із цих книг. Ви приходите в бібліотеку, і для вас роблять ксерокопію потрібного розділу певного тому. Не маючи можливості забрати книгу, ви отримуєте копію її фрагмента і, йдучи з бібліотеки, забирайте цю копію з собою, щоб на основі записаних у ній відомостей виконати необхідну роботу: сконструювати прилад, синтезувати якусь речовину, спекти пиріг або пошити сукню, т. е. отримати результат.

Такою бібліотекою є клітинне ядро, де зберігаються унікальні томи – молекули ДНК, ксерокопія – це иРНК, а результат – синтезована білкова молекула.

p align="justify"> Інформаційна РНК є копією одного гена. Дволанцюжкова молекула ДНК розкручується на певній ділянці, водневі зв'язки між нуклеотидами, стоять одиннавпроти друга, розриваються, і на одному з ланцюгів ДНК за принципом комплементарності синтезується іРНК. Навпроти тиміну молекули ДНК встає аденін молекули РНК, навпроти гуаніну – цитозин, цитозину – гуанін, а навпроти аденіну – урацил (згадайте відмітні особливостібудови РНК, § 9). У результаті формується ланцюжок РНК, який є комплементарною копією певного фрагмента ДНК і містить інформацію про будову певного білка. Процес синтезу РНК на ДНК називають транскрипцією(Рис. 43).

Трансляція(Від лат. translation- Передача). Молекули іРНК виходять через ядерні пори в цитоплазму, де розпочинається другий етап реалізації спадкової інформації – переклад інформації з «мови» РНК на «мову» білка. Процес синтезу білка називають трансляцією(Див. рис. 43). Для цього процесу інформації про структуру полипептидной ланцюга, записаної з допомогою генетичного коду в молекулах иРНК, явно недостатньо. Ми не отримаємо речового результату, маючи на руках лише «листки ксерокопії». Необхідні амінокислоти, з яких, згідно з наявним планом, збиратимуться молекули білка. Потрібні структури, в яких безпосередньо відбуватиметься синтез – рибосоми. Не обійтися також без ферментів, що здійснюють цю збірку, та молекул АТФякі забезпечать цей процес енергією. Тільки при виконанні всіх умов білок буде синтезований.

Молекула іРНК з'єднується з рибосомою тим кінцем, з якого має розпочатися синтез білка. Амінокислоти, необхідні для збирання білка, доставляються до рибосоми спеціальними. транспортними РНК(ТРНК). Кожна тРНК може переносити тільки свою амінокислоту, ім'я якої визначається триплетом нуклеотидів – антикодоном, розташованим у центральній петлі молекули тРНК (рис. 44). Якщо антикодон будь-якої тРНК виявиться комплементарним триплету іРНК, який зараз знаходиться в контакті з рибосомою, відбудеться впізнавання і тимчасове зв'язування тРНК і іРНК (рис. 45). Одночасно на рибосомі є дві тРНК з відповідними амінокислотами. Розміщена на малюнку зліва амінокислота серин (сір) відокремлюється від своєї тРНК і утворює пептидний зв'язокз амінокислотою аспарагін (АСП).

Рис. 43. Взаємозв'язок між процесами транскрипції та трансляції

Рис. 44. Будова тРНК

Рис. 45. Трансляція

Звільнена тРНК (АГА) йде в цитоплазму, а рибосома робить «крок», зрушуючи на один триплет по ланцюгу іРНК. До цього нового триплету (ЦГУ) підійде інша тРНК і принесе амінокислоту аргінін (арг), яка приєднається до білка, що росте. Так, крок за кроком рибосома пройде по всій іРНК, забезпечуючи зчитування закодованої в ній інформації. Таким чином, включення амінокислот у зростаючий білковий ланцюг відбувається строго послідовно відповідно до послідовності розташування триплетів у ланцюзі іРНК.

Процеси подвоєння ДНК (§ 9), синтезу РНК та білків у неживої природине трапляються. Вони відносяться до так званих реакцій матричного синтезу . Матрицями, т. е. тими молекулами, які є основою отримання безлічі копій, є ДНК і РНК. Матричний типреакцій є основою здатності живих організмів відтворювати собі подібних.

Освіта в клітинах інших органічних молекул, таких як жири, вуглеводи, вітаміни і т. д. пов'язана з дією білків-каталізаторів (ферментів). Наприклад, ферменти, що забезпечують синтез жирів у людини, «роблять» людські ліпіди, а аналогічні каталізатори у соняшнику – олія. Ферменти вуглеводного обміну у тварин утворюють резервну речовину глікоген, а рослин при надлишку глюкози синтезується крохмаль.

Питання для повторення та завдання

1. Згадайте повне визначення поняття «життя».

2. Назвіть основні властивості генетичного коду та поясніть їхнє значення.

3. Які процеси лежать в основі передачі спадкової інформації з покоління в покоління та з ядра до цитоплазми, до місця синтезу білка?

4. Де синтезуються всі види рибонуклеїнових кислот?

5. Розкажіть, де відбувається синтез білка та як він здійснюється.

6 . Розгляньте рис. 40. Визначте, у якому напрямку – праворуч наліво чи ліворуч – рухається щодо іРНК зображена на малюнку рибосома. Доведіть свою точку зору.

Подумайте! Виконайте!

1. Чому вуглеводи не можуть виконувати функції зберігання інформації?

2. Яким чином реалізується спадкова інформація про структуру та функції небілкових молекул, що синтезуються в клітині?

3. При якому структурному станімолекули ДНК можуть бути джерелом генетичної інформації?

4. Які особливості будови молекул РНК забезпечують їх функцію перенесення інформації про структуру білка від хромосом до його синтезу?

5. Поясніть, чому молекула ДНК не могла бути побудована з трьох типів нуклеотидів.

6. Наведіть приклади технологічних процесів, в основі яких лежить матричний синтез

7. Уявіть, що в ході якогось експерименту для синтезу білка були взяті тРНК із клітин крокодила, амінокислоти мавпи, АТФ дрозда, іРНК білого ведмедя, необхідні ферменти квакші та рибосоми щуки. Чий білок був синтезований? Поясніть свою точку зору.

Робота з комп'ютером

Зверніться до електронної програми. Вивчіть матеріал та виконайте завдання.