В метаболизма на тялото водеща роля принадлежи на протеините и нуклеиновите киселини.
Протеиновите вещества формират основата на всички жизненоважни клетъчни структури, имат необичайно висока реактивност и са надарени с каталитични функции.
Нуклеинова киселинаса част от най-важния орган на клетката - ядрото, както и цитоплазмата, рибозомите, митохондриите и др. Нуклеиновите киселини играят важна, първостепенна роля в наследствеността, изменчивостта на тялото и в синтеза на протеини.
План за синтезпротеинът се съхранява в клетъчното ядро и директен синтезвъзниква извън ядрото, така че е необходимо помогнеза доставяне на кодирания план от ядрото до мястото на синтез. като този помогнепредставени от РНК молекули.
Процесът започва в клетъчното ядро:част от „стълбата“ на ДНК се развива и отваря. Благодарение на това РНК буквите образуват връзки с отворените ДНК букви на една от ДНК веригите. Ензимът прехвърля буквите на РНК, за да ги свърже във верига. Ето как буквите на ДНК се „пренаписват“ в буквите на РНК. Новообразуваната РНК верига се разделя и ДНК „стълбата“ се усуква отново.
След допълнителни модификации този тип кодирана РНК е завършен.
РНК излиза от ядротои отива до мястото на протеиновия синтез, където се дешифрират буквите на РНК. Всеки набор от три РНК букви образува "дума", представляваща една специфична аминокиселина.
Друг тип РНК открива тази аминокиселина, улавя я с помощта на ензим и я доставя до мястото на протеинов синтез. Тъй като РНК съобщението се чете и превежда, веригата от аминокиселини нараства. Тази верига се усуква и сгъва в уникална форма, създавайки един вид протеин.
Дори процесът на сгъване на протеини е забележителен: използването на компютър за изчисляване на всички възможности за сгъване на протеин със среден размер, състоящ се от 100 аминокиселини, ще отнеме 10 27 години. И отнема не повече от една секунда, за да се образува верига от 20 аминокиселини в тялото - и този процес се случва непрекъснато във всички клетки на тялото.
Гени, генетичен код и неговите свойства.
На Земята живеят около 7 милиарда души. Освен 25-30 милиона двойки еднояйчни близнаци, генетично всички хора са различни: всеки е уникален, има уникални наследствени характеристики, черти на характера, способности и темперамент.
Тези разлики са обяснени различия в генотипите- набори от гени на организма; Всеки един е уникален. Въплъщават се генетичните характеристики на определен организъм в протеини- следователно структурата на протеина на един човек се различава, макар и много малко, от протеина на друг човек.
Това не означаваче няма двама души с напълно еднакви протеини. Протеините, които изпълняват едни и същи функции, могат да бъдат еднакви или да се различават само леко с една или две аминокиселини един от друг. Но на Земята няма хора (с изключение на еднояйчните близнаци), които да имат еднакви протеини.
Информация за първичната структура на протеинакодиран като последователност от нуклеотиди в част от ДНК молекула - ген – единица наследствена информация на организъм. Всяка ДНК молекула съдържа много гени. Съвкупността от всички гени на един организъм го съставлява генотип .
Кодирането на наследствената информация се извършва с помощта на генетичен код , който е универсален за всички организми и се различава само по редуването на нуклеотиди, които образуват гени и кодират протеини на конкретни организми.
Генетичен код включва триплети от нуклеотидиДНК комбиниране по различни начини последователности(AAT, GCA, ACG, TGC и др.), всеки от които кодира специфичен аминокиселина(който ще бъде интегриран в полипептидната верига).
Аминокиселини 20, А възможностиза комбинации от четири нуклеотида в групи от три – 64 четири нуклеотида са достатъчни, за да кодират 20 аминокиселини
Ето защо една аминокиселинамогат да бъдат кодирани няколко тройки.
Някои триплети изобщо не кодират аминокиселини, но Стартираили спирапротеинова биосинтеза.
Всъщност кодътброи последователност от нуклеотиди в иРНК молекула, защото той премахва информация от ДНК (процес транскрипции) и го превежда в последователност от аминокиселини в молекулите на синтезираните протеини (процесът излъчвания).
Съставът на иРНК включва ACGU нуклеотиди, чиито триплети се наричат кодони: триплетът на ДНК CGT върху иРНК ще стане триплет GCA, а триплетът ДНК AAG ще стане триплет UUC.
Точно иРНК кодонигенетичният код е отразен в записа.
По този начин, генетичен код - единна система за запис на наследствена информация в молекули на нуклеинова киселина под формата на нуклеотидна последователност. Генетичен код базиранотносно използването на азбука, състояща се само от четири букви-нуклеотиди, различаващи се по азотни основи: A, T, G, C.
Основни свойства на генетичния код :
1. Генетичният код е триплет.Триплет (кодон) е последователност от три нуклеотида, кодиращи една аминокиселина. Тъй като протеините съдържат 20 аминокиселини, очевидно е, че всяка от тях не може да бъде кодирана от един нуклеотид (тъй като в ДНК има само четири вида нуклеотиди, в този случай 16 аминокиселини остават некодирани). Два нуклеотида също не са достатъчни за кодиране на аминокиселини, тъй като в този случай могат да бъдат кодирани само 16 аминокиселини. Това означава, че най-малкият брой нуклеотиди, кодиращи една аминокиселина, е три. (В този случай броят на възможните нуклеотидни триплети е 4 3 = 64).
2. Излишък (дегенерация)Кодът е следствие от неговата триплетна природа и означава, че една аминокиселина може да бъде кодирана от няколко триплета (тъй като има 20 аминокиселини и 64 триплета), с изключение на метионин и триптофан, които са кодирани само от един триплет. В допълнение, някои триплети изпълняват специфични функции: в молекулата на иРНК триплетите UAA, UAG, UGA са стоп кодони, т.е. стоп сигнали, които спират синтеза на полипептидната верига. Триплетът, съответстващ на метионин (AUG), разположен в началото на ДНК веригата, не кодира аминокиселина, но изпълнява функцията на иницииране (възбуждащо) четене.
3. Наред с излишъка, кодът има свойството еднозначност: Всеки кодон отговаря само на една специфична аминокиселина.
4. Кодът е колинеарен,тези. последователността на нуклеотидите в гена съвпада точно с последователността на аминокиселините в протеина.
5. Генетичният код не се припокрива и е компактен, т.е. не съдържа „препинателни знаци“. Това означава, че процесът на четене не позволява възможността за припокриване на колони (триплети) и, започвайки от определен кодон, четенето продължава непрекъснато, триплет след триплет, докато сигналите за спиране ( стоп кодони).
6. Генетичният код е универсален, т.е. ядрените гени на всички организми кодират информация за протеините по един и същи начин, независимо от нивото на организация и системното положение на тези организми.
Съществуват таблици с генетичен код за декодиране на иРНК кодони и конструиране на вериги от протеинови молекули.
Реакции на шаблонен синтез.
Реакции, непознати в неживата природа, възникват в живите системи - реакции матричен синтез .
Терминът "матрица"„в технологията те обозначават калъп, използван за отливане на монети, медали и типографски шрифтове: закаленият метал точно възпроизвежда всички детайли на формата, използвана за отливане. Матричен синтезнаподобява отливане върху матрица: новите молекули се синтезират в точно съответствие с плана, заложен в структурата на съществуващите молекули.
Принципът на матрицата се крие в основатанай-важните синтетични реакции на клетката, като синтеза на нуклеинови киселини и протеини. Тези реакции осигуряват точната, строго специфична последователност на мономерните звена в синтезираните полимери.
Тук се извършват насочени действия. издърпване на мономери до определено мястоклетки - в молекули, които служат като матрица, където протича реакцията. Ако такива реакции възникнат в резултат на произволни сблъсъци на молекули, те ще протичат безкрайно бавно. Синтезът на сложни молекули на принципа на шаблона се извършва бързо и точно.
Ролята на матрицатамакромолекули на нуклеинови киселини ДНК или РНК играят в матрични реакции.
Мономерни молекулиот които се синтезира полимера - нуклеотиди или аминокиселини - в съответствие с принципа на комплементарността, са разположени и фиксирани върху матрицата в строго определен, определен ред.
Тогава се случва "омрежване" на мономерни единици в полимерна веригаи готовият полимер се изхвърля от матрицата.
След това матрицата е готовакъм сглобяването на нова полимерна молекула. Ясно е, че както върху даден калъп може да се отлее само една монета или една буква, така и върху дадена матрична молекула може да се „сглоби“ само един полимер.
Матричен тип реакция- специфична особеност на химията на живите системи. Те са в основата на основното свойство на всички живи същества - неговата способност за възпроизвеждане на себеподобни.
ДА СЕ реакции на матричен синтез включват:
1. ДНК репликация - процес на самоудвояване на ДНК молекула, осъществяван под контрола на ензими. Върху всяка от образуваните след разкъсването на водородните връзки ДНК вериги се синтезира дъщерна ДНК верига с участието на ензима ДНК полимераза. Материалът за синтеза е свободните нуклеотиди, присъстващи в цитоплазмата на клетките.
Биологичният смисъл на репликацията се състои в точното предаване на наследствена информация от майчината молекула към дъщерните молекули, което обикновено се случва по време на деленето на соматичните клетки.
Молекулата на ДНК се състои от две допълващи се вериги. Тези вериги се държат заедно чрез слаби водородни връзки, които могат да бъдат разкъсани от ензими.
Молекулата е способна на самодупликация (репликация) и върху всяка стара половина на молекулата се синтезира нова половина.
В допълнение, молекула иРНК може да бъде синтезирана върху молекула ДНК, която след това прехвърля информацията, получена от ДНК, до мястото на синтез на протеини.
Трансферът на информация и протеиновият синтез протичат на матричен принцип, сравним с работата на печатна преса в печатница. Информацията от ДНК се копира многократно. Ако възникнат грешки по време на копирането, те ще се повторят във всички следващи копия.
Вярно е, че някои грешки при копиране на информация с ДНК молекула могат да бъдат коригирани - процесът на отстраняване на грешки се нарича репарация. Първата от реакциите в процеса на пренос на информация е репликацията на молекулата на ДНК и синтеза на нови вериги на ДНК.
2. транскрипция – синтез на i-RNA върху ДНК, процес на отстраняване на информация от ДНК молекула, синтезирана върху нея от i-RNA молекула.
I-RNA се състои от една верига и се синтезира върху ДНК в съответствие с правилото за комплементарност с участието на ензим, който активира началото и края на синтеза на i-RNA молекулата.
Готовата молекула на иРНК навлиза в цитоплазмата върху рибозомите, където се извършва синтеза на полипептидни вериги.
3. излъчване - протеинов синтез с помощта на иРНК; процесът на транслиране на информацията, съдържаща се в нуклеотидната последователност на иРНК в последователността от аминокиселини в полипептида.
4 .синтез на РНК или ДНК от РНК вируси
Последователността на матричните реакции по време на протеиновата биосинтеза може да бъде представена като схема:
|
нетранскрибирана верига на ДНК |
A T G |
G G C |
Т А Т |
|
|
транскрибирана верига на ДНК |
T A C |
Ц Ц Г |
А Т А |
|
|
ДНК транскрипция |
||||
|
иРНК кодони |
A U G |
G G C |
U A U |
|
|
иРНК транслация |
||||
|
тРНК антикодони |
U A C |
Ц Ц Г |
A U A |
|
|
протеинови аминокиселини |
метионин |
глицин |
тирозин |
По този начин, протеинова биосинтеза- това е един от видовете пластичен обмен, по време на който наследствената информация, кодирана в ДНК гените, се внедрява в специфична последователност от аминокиселини в протеинови молекули.
Протеиновите молекули са по същество полипептидни вериги, съставен от отделни аминокиселини. Но аминокиселините не са достатъчно активни, за да се комбинират една с друга сами. Следователно, преди да се комбинират помежду си и да образуват протеинова молекула, аминокиселините трябва активирате. Това активиране става под действието на специални ензими.
В резултат на активирането аминокиселината става по-лабилна и под въздействието на същия ензим се свързва с тРНК. Всяка аминокиселина отговаря стриктно специфична тРНК, който намира„своята“ аминокиселина и трансферив рибозомата.
Следователно различни активирани аминокиселини, свързани с техните тРНК. Рибозомата е като конвейерда сглоби протеинова верига от различни аминокиселини, доставени към нея.
Едновременно с t-RNA, върху която „седи“ собствената му аминокиселина, „ сигнал"от ДНК, която се съдържа в ядрото. В съответствие с този сигнал в рибозомата се синтезира един или друг протеин.
Насочващото влияние на ДНК върху протеиновия синтез не се осъществява директно, а с помощта на специален посредник - матрицаили информационна РНК (m-RNAили i-RNA),който синтезирани в ядротосе влияе от ДНК, така че неговият състав отразява състава на ДНК. Молекулата на РНК е като отливка от формата на ДНК. Синтезираната иРНК навлиза в рибозомата и като че ли я прехвърля в тази структура план- в какъв ред трябва да се комбинират активираните аминокиселини, постъпващи в рибозомата, за да се синтезира определен протеин? В противен случай, генетичната информация, кодирана в ДНК, се прехвърля в иРНК и след това в протеин.
Молекулата на иРНК навлиза в рибозомата и шевовенея. Определя се този негов сегмент, който в момента се намира в рибозомата кодон (триплет), взаимодейства по напълно специфичен начин с тези, които са структурно подобни на него триплет (антикодон) в трансферната РНК, която пренася аминокиселината в рибозомата.
Трансфер РНК с нейната аминокиселина пасвакъм специфичен иРНК кодон и свързвас него; към следващия съседен регион на иРНК друга тРНК е прикрепена към друга аминокиселинаи така нататък, докато се прочете цялата верига на i-RNA, докато всички аминокиселини се редуцират в съответния ред, образувайки протеинова молекула.
И тРНК, която доставя аминокиселината до специфична част от полипептидната верига, освободен от своята аминокиселинаи излиза от рибозомата.
После отново в цитоплазматажеланата аминокиселина може да се присъедини към него и отново ще прехвърлив рибозомата.
В процеса на синтез на протеини участват едновременно не една, а няколко рибозоми - полирибозоми.
Основните етапи на трансфера на генетична информация:
синтез върху ДНК като i-RNA шаблон (транскрипция)
синтез на полипептидна верига в рибозомите според програмата, съдържаща се в иРНК (транслация).
Етапите са универсални за всички живи същества, но времевите и пространствени отношения на тези процеси се различават при про- и еукариотите.
U еукариотитранскрипцията и транслацията са строго разделени в пространството и времето: синтезът на различни РНК се извършва в ядрото, след което молекулите на РНК трябва да напуснат ядрото, преминавайки през ядрената мембрана. След това РНК се транспортират в цитоплазмата до мястото на протеиновия синтез - рибозомите. Едва след това идва следващият етап - излъчването.
При прокариотите транскрипцията и транслацията се извършват едновременно.
По този начин,
мястото на синтез на протеини и всички ензими в клетката са рибозоми - това е като "фабрики"протеин, като монтажен цех, където се доставят всички материали, необходими за сглобяване на полипептидната верига на протеин от аминокиселини. Естество на синтезирания протеинзависи от структурата на i-RNA, от реда на подреждане на нуклеоидите в нея, а структурата на i-RNA отразява структурата на ДНК, така че в крайна сметка специфичната структура на протеина, т.е. редът на подреждане на различни аминокиселините в него, зависи от реда на подреждане на нуклеоидите в ДНК, от структурата на ДНК.
Посочената теория за биосинтеза на протеини се нарича матрична теория.Матрица на тази теория наречена защоточе нуклеиновите киселини играят ролята на матрици, в които е записана цялата информация относно последователността на аминокиселинните остатъци в протеиновата молекула.
Създаване на матрична теория за биосинтеза на протеини и декодиране на аминокиселинния коде най-голямото научно постижение на 20 век, най-важната стъпка към изясняване на молекулярния механизъм на наследствеността.
Тематични задачи
A1. Кое твърдение е грешно?
1) генетичният код е универсален
2) генетичният код е изроден
3) генетичният код е индивидуален
4) генетичният код е триплетен
A2. Един триплет от ДНК кодира:
1) последователност от аминокиселини в протеин
2) един признак на организъм
3) една аминокиселина
4) няколко аминокиселини
A3. „Препинателни знаци” на генетичния код
1) задейства протеиновия синтез
2) спиране на протеиновия синтез
3) кодират определени протеини
4) кодират група аминокиселини
A4. Ако в жаба аминокиселината VALINE е кодирана от триплета GUU, тогава при куче тази аминокиселина може да бъде кодирана от триплети:
1) GUA и GUG
2) UTC и UCA
3) ЦУЦ и ЦУА
4) UAG и UGA
A5. Синтезът на протеини е завършен в момента
1) разпознаване на кодон от антикодон
2) навлизане на иРНК в рибозомите
3) появата на "препинателен знак" върху рибозомата
4) свързване на аминокиселина с т-РНК
A6. Посочете двойка клетки, в които един човек съдържа различна генетична информация?
1) чернодробни и стомашни клетки
2) неврони и левкоцити
3) мускулни и костни клетки
4) езикова клетка и яйце
A7. Функция на иРНК в процеса на биосинтеза
1) съхранение на наследствена информация
2) транспорт на аминокиселини до рибозоми
3) прехвърляне на информация към рибозомите
4) ускоряване на процеса на биосинтеза
A8. Антикодонът на tRNA се състои от UCG нуклеотиди. Кой ДНК триплет му е комплементарен?
Всяка жива клетка е способна да синтезира протеини и тази способност е едно от най-важните и характерни нейни свойства. Биосинтезата на протеини се извършва със специална енергия през периода на растеж и развитие на клетките. По това време активно се синтезират протеини за изграждане на клетъчни органели и мембрани. Синтезират се ензими. Биосинтезата на протеини се извършва интензивно в много възрастни клетки, т.е. тези, които са завършили растежа и развитието си, например в клетките на храносмилателните жлези, които синтезират ензимни протеини (пепсин, трипсин), или в клетките на ендокринните жлези, които синтезират хормон протеини (инсулин, тироксин). Способността да се синтезират протеини е присъща не само на растящите или секреторни клетки: всяка клетка непрекъснато синтезира протеини през целия си живот, тъй като по време на нормалния живот протеиновите молекули постепенно се денатурират, тяхната структура и функции се нарушават. Такива протеинови молекули, които са станали неизползваеми, се отстраняват от клетката. В замяна се синтезират нови пълноценни молекули, в резултат на което съставът и активността на клетката не се нарушават. Способността да се синтезира протеин се предава по наследство от клетка на клетка и се запазва през целия живот.
Основната роля в определянето на структурата на протеините принадлежи на ДНК. Самата ДНК не участва пряко в синтеза. ДНК се съдържа в клетъчното ядро, а протеиновият синтез се осъществява в рибозомите, разположени в цитоплазмата. ДНК съдържа и съхранява само информация за структурата на протеините.
Върху дълга верига на ДНК има един след друг запис на информация за състава на първичните структури на различни протеини. Част от ДНК, съдържаща информация за структурата на един протеин, се нарича ген. Молекулата на ДНК е колекция от няколкостотин гена.
За да разберем как структурата на ДНК определя структурата на протеина, нека дадем пример. Много хора знаят за морзовата азбука, която се използва за предаване на сигнали и телеграми. В азбуката на Морз всички букви от азбуката се обозначават с комбинации от къси и дълги сигнали - точки и тирета. Буквата А е обозначена - -, B - -. и т.н. Колекция от символи се нарича код или шифър. Морзов код е примерен код. След като получи тикерна лента с точки и тирета, някой, който знае морзовата азбука, може лесно да дешифрира написаното.
Макромолекула на ДНК, състояща се от няколко хиляди последователно разположени четири вида нуклеотиди, е код, който определя структурата на редица протеинови молекули. Точно както в Морзовата азбука всяка буква съответства на определена комбинация от точки и тирета, така и в кода на ДНК всяка аминокиселина съответства на определена комбинация от точки и тирета, а в кода на ДНК всяка аминокиселина съответства на определена комбинация от последователно свързани нуклеотиди.
ДНК кодът беше почти напълно дешифриран. Същността на ДНК кода е следната. Всяка аминокиселина съответства на участък от ДНК верига, състояща се от три съседни нуклеотида. Например секцията T-T-T съответства на аминокиселината лизин, секцията A-C-A съответства на цистеин, C-A-A съответства на валин и т.н. и т.н. Да приемем, че нуклеотидите в гена следват следния ред:
A-C-A-T-T-T-A-A-C-C-A-A-G-G-G
Като разделим тази серия на триплети (триплети), можем веднага да дешифрираме кои аминокиселини и в какъв ред се появяват в протеиновата молекула: A-C-A - цистеин; Т-Т-Т - лизин; A-A-C - левцин; C-A-A - валин; G-G-G - пролин. В морзовата азбука има само два знака. За да посочите всички букви, всички цифри и препинателни знаци, трябва да вземете до 5 знака за някои букви или цифри. ДНК кодът е по-прост. Има 4 различни нуклеотида, които са 64. Съществуват само 20 различни нуклеотидни триплета за кодиране на всички аминокиселини.
Транскрипция. За протеинов синтез трябва да се достави програма за синтез към рибозомите, т.е. информация за структурата на протеина, записана и съхранена в ДНК. За протеиновия синтез точните копия на тази информация се изпращат до рибозомите. Това става с помощта на РНК, която се синтезира върху ДНК и точно копира нейната структура. Нуклеотидната последователност на РНК точно повтаря последователността в една от генните вериги. По този начин информацията, съдържаща се в структурата на този ген, се пренаписва в РНК. Този процес се нарича транскрипция (лат. "транскрипция" - пренаписване). От всеки ген може да се премахне произволен брой РНК копия. Тези РНК, които носят информация за състава на протеините в рибозомите, се наричат информационни РНК (i-RNA).
За да разберем как съставът и последователността на нуклеотидите в гена могат да бъдат „пренаписани“ в РНК, нека си припомним принципа на комплементарността, на базата на който е изградена двуверижната ДНК молекула. Нуклеотидите на едната верига определят характера на противоположните нуклеотиди на другата верига. Ако A е на една верига, тогава T е на същото ниво на другата верига, а C винаги е срещу G. Няма други комбинации. Принципът на комплементарност действа и при синтеза на информационна РНК.
Срещу всеки нуклеотид на една от ДНК веригите има комплементарен нуклеотид на информационната РНК (в РНК, вместо тимидил нуклеотид (Т), има уридил нуклеотид (U). Така С РНК стои срещу G ДНК, U РНК стои срещу А ДНК, U РНК стои срещу Т ДНК - И РНК В резултат на това получената РНК верига, в състава и последователността на нейните нуклеотиди, е точно копие на състава и последователността на нуклеотидите на една от ДНК. молекулите на информационната РНК се изпращат до мястото, където се извършва синтеза на протеини, т.е., от цитоплазмата има поток от материал, от който се изграждат аминокиселини в резултат на разграждането на хранителните протеини.
Трансфер РНК. Аминокиселините не навлизат в рибозомата самостоятелно, а са придружени от трансферни РНК (тРНК). Молекулите на тРНК са малки - състоят се само от 70-80 нуклеотидни единици. Техният състав и последователност за някои тРНК вече са напълно установени. Оказа се, че на редица места във веригата на тРНК се срещат 4-7 нуклеотидни единици, комплементарни една на друга. Наличието на комплементарни последователности в молекулата води до факта, че тези области, когато са достатъчно близки, се слепват заедно поради образуването на водородни връзки между комплементарни нуклеотиди. Резултатът е сложна примкова структура, напомняща по форма на лист детелина. Аминокиселина (D) е прикрепена към единия край на tRNA молекулата, а в горната част на „листа на детелина“ има триплет от нуклеотиди (E), който съответства кодово на тази аминокиселина. Тъй като има поне 20 различни аминокиселини, тогава очевидно има поне 20 различни тРНК: за всяка аминокиселина има своя собствена тРНК.
Реакция на матричен синтез. В живите системи срещаме нов тип реакция, като репликация на ДНК или реакция на синтез на РНК. Такива реакции са непознати в неживата природа. Те се наричат реакции на матричен синтез.
Терминът „матрица“ в технологията се отнася до матрица, използвана за отливане на монети, медали и типографски шрифтове: закалените метали точно възпроизвеждат всички детайли на матрицата, използвана за отливане. Матричният синтез е като леене върху матрица: новите молекули се синтезират в точно съответствие с плана, заложен в структурата на съществуващите молекули. Матричният принцип е в основата на най-важните синтетични реакции на клетката, като синтеза на нуклеинови киселини и протеини. Тези реакции осигуряват точната, строго специфична последователност на мономерните звена в синтезираните полимери. Тук има насочено свиване на мономерите към определено място в клетката – върху молекули, които служат като матрица, където протича реакцията. Ако такива реакции възникнат в резултат на произволни сблъсъци на молекули, те ще протичат безкрайно бавно. Синтезът на сложни молекули на принципа на шаблона се извършва бързо и точно.
Ролята на матрицата в матричните реакции се играе от макромолекули на нуклеинови киселини ДНК или РНК. Мономерните молекули, от които се синтезира полимерът - нуклеотиди или аминокиселини - в съответствие с принципа на комплементарността, са разположени и фиксирани върху матрицата в строго определен, определен ред. След това мономерните единици се "омрежват" в полимерна верига и готовият полимер се освобождава от матрицата. След това матрицата е готова за сглобяване на нова полимерна молекула. Ясно е, че както върху даден калъп може да се отлее само една монета или една буква, така и върху дадена матрична молекула може да се „сглоби“ само един полимер.
Матричният тип реакции е специфична черта на химията на живите системи. Те са в основата на основното свойство на всички живи същества - способността му да възпроизвежда себеподобните си.
Излъчване. Информацията за структурата на протеина, записана в иРНК като последователност от нуклеотиди, се прехвърля по-нататък под формата на последователност от аминокиселини в синтезираната полипептидна верига. Този процес се нарича превод. За да разберем как се извършва преводът в рибозомите, тоест преводът на информация от езика на нуклеиновите киселини на езика на протеините, нека се обърнем към фигурата. Рибозомите на фигурата са изобразени като яйцевидни тела, които освобождават иРНК от левия край и започват протеинов синтез. Докато протеиновата молекула се сглобява, рибозомата пълзи по иРНК. Когато рибозомата се движи напред 50-100 A, втора рибозома навлиза в иРНК от същия край, която, подобно на първата, започва синтез и се движи след първата рибозома. След това третата рибозома влиза в i-RNA, четвъртата и т.н. Всички те вършат една и съща работа: всяка синтезира същия протеин, програмиран на тази i-RNA. Колкото по-надясно се движи рибозомата по иРНК, толкова по-голям сегмент от протеиновата молекула се „сглобява“. Когато рибозомата достигне десния край на иРНК, синтезът е завършен. Рибозомата с получения протеин напуска тРНК. След това те се разделят: рибозомата - във всяка иРНК (тъй като е способна да синтезира всеки протеин; естеството на протеина зависи от матрицата), протеиновата молекула - в ендоплазмения ретикулум и се движи по него до онази част от клетката, където този вид протеин е необходим. След кратко време втората рибозома завършва работата си, след това третата и т.н. И от левия край на иРНК в нея влизат все повече и повече нови рибозоми и синтезът на протеини продължава непрекъснато. Броят на рибозомите, които се побират едновременно в молекулата на иРНК, зависи от дължината на иРНК. По този начин, върху молекула иРНК, която програмира синтеза на протеин хемоглобин и чиято дължина е около 1500 A, се поставят до пет рибозоми (диаметърът на рибозомата е приблизително 230 A). Група рибозоми, разположени едновременно върху една иРНК молекула, се нарича полирибозома.
Сега нека разгледаме по-подробно механизма на рибозомата. Докато рибозомата се движи по иРНК, във всеки един момент тя е в контакт с малка част от своята молекула. Възможно е този регион да е с размер само един триплет нуклеотиди. Рибозомата се движи по иРНК не плавно, а периодично, на „стъпки“, триплет след триплет. На известно разстояние от мястото на контакт на рибозомата с и - REC има точка на "сглобяване" на протеина: тук се поставя и работи ензимът протеин синтетаза, създавайки полипептидна верига, т.е. образувайки пептидни връзки между аминокиселини.
Механизмът на "сглобяване" на протеинова молекула в рибозомите се осъществява по следния начин. Във всяка рибозома, която е част от полирибозомата, т.е. движейки се по протежение на иРНК, t-РНК молекулите с „окачени“ върху тях аминокиселини идват от околната среда в непрекъснат поток. Те преминават, докосвайки с кодовия си край мястото на контакт на рибозомата с иРНК, която в момента се намира в рибозомата. Противоположният край на tRNA (носещ аминокиселината) изглежда близо до точката на „сглобяване“ на протеина. Въпреки това, само ако кодовият триплет на тРНК се окаже комплементарен на триплета на иРНК (в момента разположен в рибозомата), аминокиселината, доставена от тРНК, ще стане част от протеиновата молекула и ще бъде отделена от тРНК. Незабавно рибозомата прави „стъпка“ напред по иРНК с един триплет и свободната тРНК се освобождава от рибозомата в околната среда. Тук той улавя нова молекула аминокиселина и я пренася до която и да е от работещите рибозоми. Така постепенно, триплет по триплет, рибозомата се движи по иРНК и расте връзка по връзка - полипептидната верига. Ето как работи рибозомата - тази клетъчна органела, която с право се нарича "молекулен автомат" на протеиновия синтез.
В лабораторни условия изкуственият протеинов синтез изисква огромни усилия, много време и пари. А в живата клетка синтезът на една белтъчна молекула завършва за 1-2 минути.
Ролята на ензимите в биосинтезата на протеини. Не трябва да забравяме, че нито една стъпка в процеса на синтез на протеини не протича без участието на ензими. Всички реакции на протеинов синтез се катализират от специални ензими. Синтезът на иРНК се извършва от ензим, който пълзи по протежение на ДНК молекулата от началото на гена до неговия край и оставя след себе си готовата иРНК молекула. Генът в този процес осигурява само програмата за синтез, а самият процес се осъществява от ензима. Без участието на ензими връзката на аминокиселините с t-RNA не се осъществява. Има специални ензими, които осигуряват улавянето и свързването на аминокиселините с тяхната tRNA. И накрая, в рибозомата, по време на процеса на сглобяване на протеина, работи ензим, който свързва аминокиселините заедно.
Енергия на протеиновата биосинтеза. Друг много важен аспект на биосинтезата на протеина е неговата енергия. Всеки синтетичен процес е ендотермична реакция и следователно изисква енергия. Биосинтезата на протеина представлява верига от синтетични реакции: 1) синтез на иРНК; 2) свързване на аминокиселини с тРНК; 3) „сглобяване на протеини“. Всички тези реакции изискват енергия. Енергията за протеиновия синтез се доставя от реакцията на разцепване на АТФ. Всяка връзка на биосинтеза винаги е свързана с разграждането на АТФ.
Компактност на биологичната организация. При изучаване на ролята на ДНК се оказа, че феноменът на записване, съхраняване и предаване на наследствена информация се случва на ниво молекулярни структури. Благодарение на това се постига невероятна компактност на „работните механизми“, най-голямата ефективност на тяхното разполагане в пространството. Известно е, че съдържанието на ДНК в една човешка сперма е равно на 3,3X10 -12 градуса ДНК съдържа цялата информация, която определя човешкото развитие. Изчислено е, че всички оплодени яйцеклетки, от които са се развили всички хора, живеещи сега на Земята, съдържат толкова ДНК, колкото се побира в обема на главата на карфица.
Олимпиада по биология. Училищен етап. 2016-2017 учебна година.
10-11 клас
1. Неправилна корелация на клетка и тъкан е
А) корен косъм - покривна тъкан
Б) полисадна паренхимна клетка – основна тъкан
Б) защитна клетка - покривна тъкан
Г) клетка придружител – отделителна тъкан
2. За събитие, което ще се проведе след три дни, са необходими узрели круши. Закупените за целта круши обаче още не бяха узрели. Процесът на зреене може да се ускори чрез поставянето им
А) на тъмно място
Б) в хладилника
Б) на перваза на прозореца
Г) в плътен хартиен плик заедно със зрели ябълки
3. Бриофитите успяха да оцелеят на сушата, защото
А) те са първите растения, развили устицата
Б) не изискват влажна среда за репродуктивния цикъл
В) растат ниско над почвата в относително влажни райони
Г) спорофитът е станал независим от гаметофита
4. Бузите на бозайниците са образувани като
А) устройство за събиране на големи количества храна
Б) резултат от структурни особености на черепа и по-специално на челюстите
Б) устройство за засмукване
Г) устройство за дишане
5. Сърцето на крокодил в неговата структура
А) трикамерен с непълна преграда във вентрикула
Б) трикамерен
Б) четирикамерна
Г) четирикамерна с отвор в преградата между вентрикулите
6. Фибриногенът, който е протеин, участва в съсирването на кръвта
А) кръвна плазма
Б) цитоплазма на левкоцити
Б) част от тромбоцитите
Г) образувани по време на разрушаването на червените кръвни клетки
7. Абиотичните фактори включват такава екологична единица като
А) биоценоза
Б) екосистема
Б) население
8. По време на образуването възниква редукционно делене (мейоза).
А) бактериални спори
B) Зооспори на Ulothrix
Б) Маркантски спорове
Г) зооспори на фитофтора
9. От изброените биополимери имат разклонен строеж
Г) полизахариди
10. Фенилкетонурия е генетично заболяване, причинено от рецесивна мутация. Вероятността да имате болно дете, ако и двамата родители са хетерозиготни по тази черта, е
11. Обяснено е сходството в структурата на органите на зрението при главоногите и гръбначните животни.
А) конвергенция
Б) паралелизъм
Б) адаптация
Г) случайно съвпадение
12. Свободно плуващата ларва на асцидиите има хорда и неврална тръба. При възрастни асцидии, водещи заседнал начин на живот, те изчезват. Това е пример
А) адаптации
Б) дегенерация
Б) ценогенеза
13. Водопроводимите елементи на бора са
А) пръстени и спирални съдове
Б) само пръстеновидни съдове
Б) трахеиди
Г) спирални и порести съдове
14. Безплодието е характерно за
Б) ананас
Б) банан
15. В хлоропластите на растителните клетки се намират комплекси за събиране на светлина
А) върху външната мембрана
Б) върху вътрешната мембрана
Б) върху тилакоидната мембрана
Г) в стромата
Част 2.
Съвпадение (6 точки).
2.1. Установете съответствие между признака на сивия плъх и критерия на вида, за който е характерен.
2.2. Установете съответствие между характеристиките на функционалната регулация и нейния метод.
Установете правилната последователност (6 точки).
2.3. Установете правилната последователност от етапи на географско видообразуване.
1) появата на териториална изолация между популациите на един и същи вид
2) разширяване или разчленяване на видовия ареал
3) появата на мутации в изолирани популации
4) запазване чрез естествен подбор на индивиди с признаци, полезни в специфични условия на околната среда
5) загуба на способността на индивиди от различни популации да се кръстосват
2.4. Установете последователността, в която протичат тези процеси по време на митотичното клетъчно делене.
1) хромозомите са разположени по екватора на клетката
2) хроматидите се отклоняват към полюсите на клетката
3) образуват се две дъщерни клетки
4) спирала на хромозомите, всяка от които се състои от две хроматиди
5) деспирални хромозоми
2.5. Предлагат ви се тестови задачи под формата на съждения, с всяка от които трябва или да се съгласите, или да отхвърлите. В матрицата за отговор посочете варианта за отговор „да“ или „не“: (10 точки).
1. Цветовете на нощницата се събират в съцветие чадър.
2. Глистите на миглите нямат анус.
3. Пероксизомата е задължителен органел на еукариотната клетка.
4. Пептидната връзка не е високоенергийна.
5. В чернодробните клетки добавянето на глюкагон предизвиква разграждането на гликогена.
6. Абиотичните фактори не влияят на конкурентните взаимоотношения на два родствени вида.
7. Газообменните функции в листа са възможни благодарение на лещите и хидатодите.
8. Секцията на стомаха на преживните животни, съответстваща на еднокамерния стомах на бозайниците, е търбухът.
9. Дължината на хранителните вериги е ограничена от загубата на енергия.
10. Колкото по-малък е диаметърът на кръвоносните съдове в тялото, толкова по-голяма е линейната скорост на кръвния поток в тях.
Част 3.
3.1. Намерете три грешки в дадения текст. Посочете номерата на изреченията, в които са направени, коригирайте ги (6 точки).
1. Реакциите на матричен синтез включват образуване на нишесте, синтез на иРНК и сглобяване на протеини в рибозоми. 2. Матричният синтез напомня на леене на монети върху матрица: новите молекули се синтезират в точно съответствие с „плана“, присъщ на структурата на съществуващите молекули. 3. Ролята на матрицата в клетката се играе от молекулите на хлорофила и нуклеиновите киселини (ДНК и РНК). 4. Мономерите се фиксират върху матриците, след което се свързват в полимерни вериги. 5. Готовите полимери се отделят от матриците. 6. Старите матрици веднага се разрушават, след което се образуват нови.
Хората имат четири фенотипа според кръвните групи: I(0), II(A), III(B), IV(AB). Генът, който определя кръвната група, има три алела: IA, IB, i0; Освен това алелът i0 е рецесивен по отношение на алелите IA и IB. Родителите имат II (хетерозиготна) и III (хомозиготна) кръвна група. Определете генотипа на кръвните групи на родителите. Посочете възможните генотипове и фенотипове (номер) на кръвната група на децата. Направете диаграма за решаване на задачата. Определете вероятността за наследяване на кръвна група II при деца.
Отговори 10-11 клас
Част 1. Изберете един верен отговор. (15 точки)
2.2. максимум – 3 точки, една грешка – 2 точки, две грешки – 1 точка, три или повече грешки – 0 точки
2.4. максимум – 3 точки, една грешка – 2 точки, две грешки – 1 точка, три или повече грешки – 0 точки
Част 3.
3.1. Намерете три грешки в дадения текст. Посочете номерата на изреченията, в които са направени, коригирайте ги (3b за правилно идентифициране на изречения с грешки и 3b за коригиране на грешки).
1. - реакциите на матричен синтез НЕ включват образуването на нишесте; за него не е необходима матрица;
3. - хлорофилните молекули не са способни да изпълняват ролята на матрица, те нямат свойството на допълване;
6. – матриците се използват многократно.
3.2. Решете задачата (3 точки).
Схемата за решаване на проблема включва:
1) родителите имат кръвни групи: група II - IAi0 (гамети IA, i0), група III - IB IB (гамети IB);
2) възможни фенотипове и генотипове на кръвните групи на децата: група IV (IАIВ) и група III (IВi0);
3) вероятността за наследяване на кръвна група II е 0%.
Форма за отговор
Училищен етап на Всеруската олимпиада по биология
Код на участника___________
Част 1. Изберете един верен отговор. (15 точки)
Част 2.
Част 3.
3.1._______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
3.2. Решението на проблема
През 1869 г. швейцарският биохимик Йохан Фридрих Мишер пръв открива, изолира и описва ДНК от клетъчни ядра. Но едва през 1944 г. О. Ейвъри, С. Маклауд и М. Макарти доказаха генетичната роля на ДНК, т.е. беше надеждно установено, че предаването на наследствена информация е свързано с дезоксирибонуклеинова киселина. Това откритие беше мощен фактор, стимулиращ изучаването на наследствеността на молекулярно ниво. Оттогава започва бързото развитие на молекулярната биология и генетика.
Нуклеинова киселина (от лат. ядро - ядро) са естествени високомолекулни органични съединения, които осигуряват съхранението и предаването на наследствена (генетична) информация в живите организми. Те включват: въглерод (C), водород (H), кислород (O), фосфор (P). Нуклеиновите киселини са неправилни биополимери, състоящи се от мономери - нуклеотиди. Всеки нуклеотид съдържа:
· азотна основа
· едновъглеродна - 5-въглеродна пентозна захар (рибоза или дезоксирибоза),
· остатък от фосфорна киселина.
Има два вида нуклеинови киселини: дезоксирибонуклеинова киселина - ДНК, съдържаща дезоксирибоза, и рибонуклеинова киселина - РНК, съдържаща рибоза.
Нека разгледаме всеки тип нуклеинова киселина.
ДНК се съдържа почти изключително в клетъчното ядро, понякога в органели: митохондрии, пластиди. ДНК е полимерно съединение с постоянно (стабилно) съдържание в клетката.
Структура на ДНК.По своята структура молекулата на ДНК се състои от две полимерни вериги, свързани една с друга и усукани под формата на двойна спирала (фиг. 1).
Модел на структурата на ДНК е създаден през 1953 г. от Д. Уотсън и Ф. Крик, за което и двамата са удостоени с Нобелова награда. Ширината на двойната спирала е само около 0,002 микрона (20 ангстрьома), но дължината й е изключително голяма - до няколко десетки и дори стотици микрометра (за сравнение: дължината на най-голямата протеинова молекула в разгънатата й форма е не надвишава 0,1 микрона).
Нуклеотидите са разположени на разстояние един от друг - 0,34 nm и има 10 нуклеотида на завъртане на спиралата. Молекулното тегло на ДНК е голямо: възлиза на десетки и дори стотици милиони. Например молекулно тегло (М r) най-голямата хромозома на дрозофила е 7,9 10 10.
Основната структурна единица на една верига е нуклеотид, състоящ се от азотна основа, дезоксирибоза и фосфатна група. ДНК съдържа 4 вида азотни бази:
· пурини - аденин (A) и гуанин (G),
· пиримидин - цитозин (С) и тимин (Т).
Общият брой пуринови бази е равен на сумата от пиримидиновите бази.
ДНК нуклеотидите също ще бъдат от 4 вида, съответно: аденил (A), гуанил (G), цитидил (C) и тимидил (T) Всички ДНК нуклеотиди са свързани в полинуклеотидна верига поради остатъци от фосфорна киселина, разположени между дезоксирибози. Една полинуклеотидна верига може да има до 300 000 или повече нуклеотиди.
По този начин всяка ДНК верига представлява полинуклеотид, в който нуклеотидите са подредени в строго определен ред. Азотните бази се доближават толкова близо една до друга, че между тях възникват водородни връзки. Важен модел е ясно очевиден в тяхното подреждане: аденинът (А) на едната верига е свързан с тимина (Т) на другата верига чрез две водородни връзки, а гуанинът (G) на едната верига е свързан с три водородни връзки с цитозин
(C) на друга верига, което води до образуването на A-T и G-C двойки. Тази способност за селективно комбиниране на нуклеотиди се нарича комплементарност, т.е. пространствено и химическо съответствие между двойки нуклеотиди (виж фиг. 2).
Последователността на свързване на нуклеотидите в едната верига е противоположна (комплементарна) на тази в другата, т.е. веригите, които изграждат една ДНК молекула, са многопосочни или антипаралелни. Веригите се усукват една около друга и образуват двойна спирала. Голям брой водородни връзки осигуряват здраво свързване на нишките на ДНК и придават стабилност на молекулата, като същевременно запазват нейната подвижност - под въздействието на ензими тя лесно се развива (деспирали).
ДНК репликация (ДНК редупликация) - процесът на самовъзпроизвеждане (самоудвояване) на макромолекулите на нуклеиновата киселина, осигуряващ точно копиране на генетична информация и нейното предаване от поколение на поколение.
Репликацията на ДНК възниква по време на интерфазата преди клетъчното делене. Майчината ДНК молекула (броят на ДНК веригите в клетката е 2n) под действието на ензимите се развива от единия край, след което дъщерните полинуклеотидни вериги се изграждат от свободни нуклеотиди съгласно принципа на комплементарност на двете вериги. В резултат на шаблонни реакции възникват две дъщерни ДНК молекули, идентични по нуклеотиден състав, в които една от веригите е старата родителска, а другата е нова, новосинтезирана (количеството ДНК в клетката става равно на 4n = 2 X 2n).
Функции на ДНК.
1. Съхраняване на наследствена информация за структурата на протеините или отделните му органели. Най-малката единица генетична информация след нуклеотид са три последователни нуклеотида - триплет. Последователността на триплетите в полинуклеотидна верига определя последователността на аминокиселините в една протеинова молекула (първичната структура на протеина) и представлява ген. Заедно с протеините, ДНК е част от хроматина, веществото, което изгражда хромозомите на клетъчното ядро.
2. Прехвърляне на наследствена информация в резултат на репликация по време на клетъчното делене от майчината клетка към дъщерните клетки.
3. Внедряване на наследствена информация (съхранена под формата на гени) в резултат на реакции на матричен биосинтез чрез производството на протеини, специфични за клетката и организма. В този случай, на една от неговите вериги, съгласно принципа на комплементарност, информационните РНК молекули се синтезират от нуклеотидите на околната среда, заобикаляща молекулата.
РНК е съединение с променливо (лабилно) съдържание в клетката.
Структура на РНК.По отношение на тяхната структура РНК молекулите са по-малки от ДНК молекулите с молекулно тегло от 20-30 хиляди (tRNA) до 1 милион (rRNA); РНК е едноверижна молекула, изградена по същия начин като една от ДНК вериги. РНК нуклеотидните мономери се състоят от азотна основа, рибоза (пентоза) и фосфатна група. РНК съдържа 4 азотни бази:
· пурини - аденин (А);
· пиримидин - гуанин (G), цитозин (C), урацил (U).
В РНК тиминът е заменен от урацил, който е подобен по структура (нуклеотидът е уридил. Нуклеотидите са свързани в полинуклеотидна верига по същия начин, както в ДНК, поради остатъците от фосфорна киселина, разположени между рибозите.
Според местоположението в клетката Сред РНК има: ядрени, цитоплазмени, митохондриални, пластидни.
По изпълнявани функции Сред РНК се различават: транспортна, информационна и рибозомна.
Трансферни РНК (тРНК)
- едноверижен, но имащ триизмерна структура "детелина", създадена от вътрешномолекулни водородни връзки (фиг. 3). tRNA молекулите са най-късите. Състои се от 80-100 нуклеотида. Те представляват около 10% от общото съдържание на РНК в клетката. Те пренасят активирани аминокиселини (всяка тРНК има своя собствена аминокиселина, известни са общо 61 тРНК) към рибозомите по време на протеиновата биосинтеза в клетката.“
Месинджър РНК (иРНК, иРНК) - едноверижна молекула, която се образува в резултат на транскрипция върху ДНК молекула (копира гени) в ядрото и носи информация за първичната структура на една протеинова молекула до мястото на протеинов синтез в рибозомите. Молекулата на иРНК може да се състои от 300-3000 нуклеотида. иРНК представлява 0,5-1% от общото съдържание на РНК в клетката.
Рибозомни РНК (рРНК) - най-големите едноверижни молекули, които заедно с протеините образуват сложни комплекси, които поддържат структурата на рибозомите, върху които се осъществява протеиновият синтез.
rRNA представлява около 90% от общото съдържание на РНК в клетката.
Цялата генетична информация на организма (структурата на неговите протеини) се съдържа в неговата ДНК, състояща се от нуклеотиди, комбинирани в гени. Нека припомним, че генът е единица наследствена информация (участък от ДНК молекула), съдържаща информация за структурата на един протеин - ензим. Наричат се гени, които определят свойствата на организмите структурен.И се наричат гени, които регулират експресията на структурни гени регулаторен.Проявата (експресията) на ген (внедряване на наследствена информация) се осъществява по следния начин:
За осъществяване на генна експресия съществува генетичен код - строго подредена връзка между нуклеотидни бази и аминокиселини (Таблица 12).
Таблица 12 Генетичен код
Основни свойства на генетичния код.
Тройка- кодирането на аминокиселините се извършва от триплети (тройки) нуклеотидни бази. Броят на кодиращите триплети е 64 (4 вида нуклеотиди: A, T, C, G, 4 3 = 64).
Еднозначност- всеки триплет кодира само една аминокиселина.
Дегенерация- броят на кодиращите триплети надвишава броя на аминокиселините (64 > 20). Има аминокиселини, кодирани от повече от един триплет (такива аминокиселини са по-често срещани в протеините). Има три триплета, които не кодират нито една аминокиселина (UAA, UAG, UGA). Те се наричат „безсмислени кодони“ и играят ролята на „стоп сигнали“, показващи края на записа на гена (общият брой на кодиращите кодони е 61).
Неприпокриване (непрекъснатост) - четенето на триплети от ДНК по време на синтеза на иРНК се извършва стриктно по три последователни нуклеотида, без припокриване на съседни кодони. В гена няма „препинателни знаци“.
Универсалност - едни и същи триплети кодират едни и същи аминокиселини във всички организми, живеещи на Земята.
Общи съкращения за имена на аминокиселини:
FEN - фенилаланин; HIS - хистидин;
LEU - левцин; GLN - глутамин;
ILE - изолевцин; GLU - глутаминова киселина;
MET - метионин; LYS - лизин;
VAL - валин; ASN - аспарагин;
SER - серия; ASP - аспарагинова киселина;
PRO - пролин; CIS - цистеин;
TRE - треонин; TRI - триптофан;
ALA - аланин; ARG - аргинин;
TIR - тирозин; GLY - глицин.
По този начин ДНК носителят на цялата генетична информация в клетката не участва пряко в протеиновия синтез (т.е. внедряването на тази наследствена информация). В животинските и растителните клетки молекулите на ДНК са отделени от цитоплазмата чрез ядрената мембрана.плазма, където се осъществява синтеза на протеини. От ядрото към рибозомите, местата за сглобяване на протеини, се изпраща посредник, който носи копираната информация и може да премине през порите на ядрената мембрана. Такъв посредник е информационната РНК, която участва в матричните реакции.
Матрични реакции
- това са реакции на синтез на нови съединения на базата на "стари" макромолекули, които действат като матрица, т.е. форма, образец за копиране на нови молекули. Матричните реакции за внедряване на наследствена информация, в които участват ДНК и РНК, са: 
1. репликация на ДНК- удвояване на ДНК молекулите, благодарение на което се осъществява предаването на генетична информация от поколение на поколение. Матрицата е майчината ДНК, а новите, образувани от тази матрица, са дъщерните, новосинтезирани 2 ДНК молекули (фиг. 4).
2.
Транскрипция(Латинска транскрипция - пренаписване) е синтезът на РНК молекули според принципа на комплементарност върху матрицата на една от ДНК веригите. Възниква в ядрото под действието на ДНК-зависим ензим - РНК полимераза. Месинджър РНК е една
неверижна молекула, а кодирането на гена идва от една верига на двойноверижна ДНК молекула. Ако транскрибираната ДНК верига съдържа нуклеотид G, тогава ДНК полимеразата включва С в иРНК; ако е Т, включва U (РНК не включва тимин Т; Фиг. 5 ). Езикът на ДНК триплетите се превежда на езика на иРНК кодоните (триплетите в иРНК се наричат кодони).
В резултат на транскрипцията на различни гени се синтезират всички видове РНК. След това иРНК, тРНК, рРНК навлизат в клетъчната цитоплазма през порите в ядрената мембрана, за да изпълняват своите функции.
3. Излъчване(лат. translatio - пренасяне, транслация) е синтеза на полипептидни вериги от протеини върху зряла иРНК матрица, осъществявана от рибозоми. Има няколко етапа в този процес:
Първи етап - инициация (начало на синтез - верига). В цитоплазмата рибозома навлиза в един от краищата на иРНК (именно този, от който е започнал синтезът на молекулата в ядрото) и започва синтеза на полипептида. Молекула tRNA, транспортираща аминокиселината метионин (tRNA meth), се свързва с рибозомата и се прикрепя към началото на веригата mRNA (винаги кодирана AUG). До първата тРНК (която няма нищо общо със синтезиращия протеин) се добавя втора тРНК с аминокиселина. Ако антикодонът е тРНК, тогава между аминокиселините възниква пептидна връзка, която се образува от определен ензим. След това tRNA напуска рибозомата (отива в цитоплазмата за нова аминокиселина), а mRNA премества един кодон.
Вторият етап е удължаване (удължаване на веригата). Рибозомата се движи по протежение на молекулата на иРНК не плавно, а периодично, триплет след триплет. 
Третата тРНК с аминокиселина се свързва със своя антикодон с кодона на иРНК. Когато се установи комплементарността на връзката, рибозомата прави още една стъпка един „кодон“ и специфичен ензим „омрежва“ втората и третата аминокиселина с пептидна връзка - образува се пептидна верига. Аминокиселините в растяща полипептидна верига са свързани в последователността, в която са разположени иРНК кодоните, които ги кодират (фиг. 6).
Третият етап е прекратяване (край на синтеза) на веригата. Възниква, когато рибозомата транслира един от трите „безсмислени кодона“ (UAA, UAG, UGA). Рибозомите изскачат от иРНК, протеиновият синтез е завършен.
По този начин, знаейки реда на аминокиселините в протеиновата молекула, е възможно да се определи редът на нуклеотидите (триплетите) във веригата на иРНК, а от него - редът на нуклеотидните двойки в секцията на ДНК и обратно, като се вземе предвид принципът на нуклеотидната комплементарност.
Естествено, в процеса на матрични реакции, поради всякакви причини (естествени или изкуствени), могат да настъпят промени - мутации. Това са генни мутации на молекулярно ниво – резултат от различни повреди в ДНК молекулите. Генните мутации, които възникват на молекулярно ниво, обикновено засягат един или повече нуклеотиди. Всички форми на генни мутации могат да бъдат разделени на две големи групи.
Първа група- изместване на рамката на четене - представлява вмъкване или загуба на една или повече нуклеотидни двойки. В зависимост от местоположението на нарушението се променя един или друг брой кодони. Това е най-тежкото увреждане на гените, тъй като в протеина ще бъдат включени напълно различни аминокиселини.
Такива делеции и вмъквания представляват 80% от всички спонтанни генни мутации.
Най-вредните ефекти са тези на така наречените безсмислени мутации, които са свързани с появата на терминаторни кодони, които причиняват спиранеку протеинов синтез. Това може да доведе до преждевременно прекратяване на протеиновия синтез, който бързо се разгражда. Резултатът е клетъчна смърт или промяна в характера на индивидуалното развитие.
Мутациите, свързани със заместване, делеция или вмъкване в кодиращата част на гена, се проявяват фенотипно като заместване на аминокиселини в протеина. В зависимост от естеството на аминокиселините и функционалното значение на увредената зона се наблюдава пълна или частична загуба на функционалната активност на протеина. По правило това се изразява в намаляване на жизнеспособността, промени в характеристиките на организмите и др.
Втора група- Това са генни мутации с подмяна на двойки нуклеотидни бази. Има два вида основни замествания:
1. Преход- заместване на един пурин с пуринова основа (A с G или G с A) или един пиримидин с пиримидин (C с T или T с C).
2. Трансверсия- заместване на една пуринова основа с пиримидинова база или обратно (А с С, или G с Т, или А с U).
Ярък пример за трансверсия е сърповидно-клетъчната анемия, която възниква поради наследствено нарушение на структурата на хемоглобина. В мутантния ген, кодиращ една от хемоглобиновите вериги, е повреден само един нуклеотид, а в иРНК аденинът е заменен с урацил (GAA с GUA).
В резултат на това настъпва промяна в биохимичния фенотип; в хемоглобиновата верига глутаминовата киселина се заменя с валин. Това заместване променя повърхността на молекулата на хемоглобина: вместо двойновдлъбнат диск, червените кръвни клетки стават сърповидни и или запушват малките съдове, или бързо се отстраняват от кръвообращението, което бързо води до анемия.
По този начин значението на генните мутации за живота на организма варира:
· някои "тихи мутации" не засягат структурата и функцията на протеина (например нуклеотидно заместване, което не води до заместване на аминокиселини);
· някои мутации водят до пълна загуба на протеинова функция и клетъчна смърт (например безсмислени мутации);
· други мутации - с качествена промяна в иРНК и аминокиселини водят до промени в характеристиките на организма;
· и накрая, някои мутации, които променят свойствата на протеиновите молекули, имат вредно въздействие върху жизнената активност на клетките - такива мутации причиняват тежки заболявания (например трансверсии).
1. Обяснете последователността на предаване на генетична информация: ген - протеин - черта.
2. Спомнете си каква структура на протеина определя неговата структура и свойства. Как е кодирана тази структура в молекулата на ДНК?
3. Какво представлява генетичният код?
4. Опишете свойствата на генетичния код.
7. Реакции на матричен синтез. Транскрипция
Информацията за протеина се записва като нуклеотидна последователност в ДНК и се намира в ядрото. Самият протеинов синтез се извършва в цитоплазмата на рибозомите. Следователно протеиновият синтез изисква структура, която да пренася информация от ДНК към мястото на протеиновия синтез. Такъв посредник е информационна или матрична РНК, която предава информация от специфичен ген на ДНК молекула до мястото на протеиновия синтез на рибозомите.
В допълнение към носителя на информация са необходими вещества, които биха осигурили доставката на аминокиселини до мястото на синтез и определяне на тяхното място в полипептидната верига. Такива вещества са трансферни РНК, които осигуряват кодирането и доставянето на аминокиселини до мястото на синтеза. Синтезът на протеини се осъществява върху рибозоми, чието тяло е изградено от рибозомна РНК. Това означава, че е необходим друг вид РНК – рибозомна.
Генетичната информация се реализира в три вида реакции: синтез на РНК, синтез на протеини и репликация на ДНК. Във всяка информацията, съдържаща се в линейна последователност от нуклеотиди, се използва за създаване на друга линейна последователност: или нуклеотиди (в РНК или ДНК молекули), или аминокиселини (в протеинови молекули). Експериментално е доказано, че именно ДНК служи като матрица за синтеза на всички нуклеинови киселини. Тези биосинтетични реакции се наричат матричен синтез.Достатъчната простота на матричните реакции и тяхната едномерност позволиха да се проучи и разбере техният механизъм в детайли, за разлика от други процеси, протичащи в клетката.
Транскрипция
Процесът на биосинтеза на РНК от ДНК се нарича транскрипция.Този процес протича в ядрото. Върху матрицата на ДНК се синтезират всички видове РНК - информационна, транспортна и рибозомна, които впоследствие участват в синтеза на протеини. Генетичният код на ДНК се транскрибира в информационна РНК по време на процеса на транскрипция. Реакцията се основава на принципа на взаимното допълване.
Синтезът на РНК има редица характеристики. Молекулата на РНК е много по-къса и е копие само на малка част от ДНК. Следователно само определен участък от ДНК, където се намира информацията за дадена нуклеинова киселина, служи като матрица. Новосинтезираната РНК никога не остава свързана с оригиналната ДНК матрица, но се освобождава след края на реакцията. Процесът на транскрипция протича на три етапа.
Първи етап - посвещение- началото на процеса. Синтезът на РНК копия започва от определена зона върху ДНК, която се нарича промоутърТази зона съдържа определен набор от нуклеотиди, които са стартови сигнали.Процесът се катализира от ензими РНК полимерази.Ензимът РНК полимераза се свързва с промотора, развива двойната спирала и разкъсва водородните връзки между двете вериги на ДНК. Но само един от тях служи като матрица за синтеза на РНК.
Втора фаза - удължаване.Основният процес се случва на този етап. На една ДНК верига, както на матрица, нуклеотидите са подредени на принципа на комплементарност (фиг. 19). Ензимът РНК полимераза, движейки се стъпка по стъпка по веригата на ДНК, свързва нуклеотидите един с друг, като същевременно непрекъснато развива двойната спирала на ДНК. В резултат на това движение се синтезира РНК копие.
Трети етап - прекратяване на договора.Това е последният етап. Синтезът на РНК продължава до стоп светлина- специфична последователност от нуклеотиди, която спира движението на ензима и синтеза на РНК. Полимеразата се отделя от ДНК и синтезираното РНК копие. В същото време молекулата на РНК се отстранява от матрицата. ДНК възстановява двойната спирала. Синтезът е завършен. В зависимост от секцията на ДНК по този начин се синтезират рибозомни, транспортни и информационни РНК.
Само една от ДНК веригите служи като шаблон за транскрипция на РНК молекула. Въпреки това, различни ДНК вериги могат да служат като шаблон за два съседни гена. Коя от двете вериги ще се използва за синтез се определя от промотора, който насочва ензима РНК полимераза в една или друга посока.
След транскрипция, информационната РНК молекула на еукариотните клетки претърпява пренареждане. Той изрязва нуклеотидни последователности, които не носят информация за този протеин. Този процес се нарича снаждане.В зависимост от типа клетка и етапа на развитие могат да бъдат отстранени различни части от РНК молекулата. Следователно върху една част от ДНК се синтезират различни РНК, които носят информация за различни протеини. Това позволява трансфер на значителна генетична информация от един ген и също така улеснява генетичната рекомбинация.
Ориз. 19. Синтез на информационна РНК. 1 - ДНК верига; 2 - синтезирана РНК
Въпроси и задачи за самоконтрол
1. Какви реакции принадлежат към реакциите на матричен синтез?
2. Каква е изходната матрица за всички реакции на матричен синтез?
3. Как се нарича процесът на биосинтеза на иРНК?
4. Какви видове РНК се синтезират върху ДНК?
5. Установете последователността на иРНК фрагмент, ако съответният фрагмент на ДНК има последователността: AAGCTTCTGATTCTGATCGGACCTAATGA.
8. Биосинтеза на протеини
Протеините са основни компоненти на всички клетки, така че най-важният процес на пластичния метаболизъм е протеиновата биосинтеза. Среща се във всички клетки на организмите. Това са единствените клетъчни компоненти (с изключение на нуклеиновите киселини), чийто синтез се осъществява под пряк контрол на генетичния материал на клетката. Целият генетичен апарат на клетката - ДНК и различни видове РНК - е конфигуриран за синтез на протеини.
гене част от ДНК молекула, отговорна за синтеза на една протеинова молекула. За протеиновия синтез е необходимо специфичен ген от ДНК да бъде копиран под формата на информационна РНК молекула. Този процес беше обсъден по-рано. Синтезът на протеини е сложен многоетапен процес и зависи от активността на различни видове РНК. За директна протеинова биосинтеза са необходими следните компоненти:
1. Информационната РНК е носител на информация от ДНК до мястото на синтеза. Молекулите на иРНК се синтезират по време на процеса на транскрипция.
2. Рибозомите са органели, където се осъществява синтеза на протеини.
3. Набор от необходими аминокиселини в цитоплазмата.
4. Трансфер РНК, кодиращи аминокиселини и транспортирането им до мястото на синтез на рибозомите.
5. АТФ е вещество, което осигурява енергия за процесите на кодиране на аминокиселини и синтезиране на полипептидната верига.
Структура на трансферна РНК и кодиране на аминокиселини
Трансферните РНК (тРНК) са малки молекули с 70 до 90 нуклеотида, представляващи приблизително 15% от всички РНК в клетката. Функцията на tRNA зависи от нейната структура. Изследване на структурата на молекулите на тРНК показа, че те са нагънати по определен начин и имат формата детелина(фиг. 20). Молекулата съдържа бримки и двойни секции, свързани чрез взаимодействието на комплементарни бази. Най-важен е централния цикъл, който съдържа антикодон -нуклеотиден триплет, съответстващ на кода за специфична аминокиселина. Със своя антикодон tRNA може да се комбинира със съответния кодон на mRNA според принципа на комплементарност.
Ориз. 20. Структура на тРНК молекула: 1 - антикодон; 2 - място на прикрепване на аминокиселината
Всяка tRNA може да носи само една от 20 аминокиселини. Това означава, че за всяка аминокиселина има поне една тРНК. Тъй като една аминокиселина може да има няколко триплета, броят на видовете тРНК е равен на броя на триплетите на аминокиселината. Така общият брой на видовете тРНК съответства на броя на кодоните и е равен на 61. Нито една тРНК не отговаря на три стоп кода.
В единия край на tRNA молекулата винаги има гуанинов нуклеотид (5" край), а в другия (3" край) винаги има три CCA нуклеотида. Именно за тази цел се добавя аминокиселината (фиг. 21). Всяка аминокиселина е прикрепена към своята специфична тРНК със съответния антикодон. Механизмът на това прикрепване е свързан с работата на специфични ензими - аминоацил-тРНК синтетази, които прикрепят всяка аминокиселина към съответната тРНК. Всяка аминокиселина има своя собствена синтетаза. Свързването на аминокиселина с tRNA се осъществява с помощта на енергията на ATP, докато високоенергийната връзка се превръща във връзка между tRNA и аминокиселината. Така се активират и кодират аминокиселините.
Етапи на биосинтеза на протеини. Процесът на синтез на полипептидна верига, извършван върху рибозома, се нарича излъчване. Messenger RNA (mRNA) е посредник при предаването на информация за първичната структура на протеина; tRNA транспортира кодирани аминокиселини до мястото на синтез и осигурява последователността на техните връзки. Сглобяването на полипептидната верига се извършва в рибозомите.
