В обмене веществ организма ведущая роль принадлежит белкам и нуклеиновым кислотам.

Белковые вещества составляют основу всех жизненно важных структур клетки, обладают необычайно высокой реакционной способностью, наделены каталитическими функциями.

Нуклеиновые кислоты входят в состав важнейшего органа клетки - ядра, а также цитоплазмы, рибосом, митохондрий и т. д. Нуклеиновые кислоты играют важную, первостепенную роль в наследственности, изменчивости организма, в синтезе белка.

План синтеза белка хранится в ядре клетки, а непосредственно синтез происходит вне ядра, поэтому необходима помощь для доставки закодированного плана из ядра к месту синтеза. Такую помощь оказывают молекулы РНК.

Процесс начинается в ядре клетки: раскручивается и открывается часть «лестницы» ДНК. Благодаря этому буквы РНК образуют связи с открытыми буквами ДНК одной из нитей ДНК. Фермент переносит буквы РНК, чтобы соединить их в нить. Так буквы ДНК «переписываются» в буквы РНК. Новообразованная цепочка РНК отделяется, и «лестница» ДНК снова закручивается.

После дальнейших изменений этот вид закодированной РНК готов.

РНК выходит из ядра и направляется к месту синтеза белка, где буквы РНК расшифровываются. Каждый набор из трех букв РНК образует «слово», обозначающее одну конкретную аминокислоту.

Другой вид РНК отыскивает эту аминокислоту, захватывает ее с помощью фермента и доставляет к месту синтеза белка. По мере прочтения и перевода сообщения РНК цепочка аминокислот растет. Эта цепочка закручивается и укладывается в уникальную форму, создавая один вид белка.
Примечателен даже процесс укладки белка: на то, чтобы с помощью компьютера просчитать все возможности укладки белка среднего размера, состоящего из 100 аминокислот, потребовалось бы 10 27 лет. А для образования в организме цепочки из 20 аминокислот требуется не более одной секунды - и этот процесс происходит непрерывно во всех клетках тела.

Гены, генетический код и его свойства .

На Земле живет около 7 млрд людей. Если не считать 25-30 млн пар однояйцовых близнецов, то генетически все люди разные : каждый уникален, обладает неповторимыми наследственными особенностями, свойствами характера, способностями, темпераментом.

Такие различия объясняются различиями в генотипах -наборах генов организма; у каждого он уникален. Генетические признаки конкретного организма воплощаются в белках - следовательно, и строение белка одного человека отличается, хотя и совсем немного, от белка другого человека.

Это не означает , что у людей не встречается совершенно одинаковых белков. Белки, выполняющие одни и те же функции, могут быть одинаковыми или совсем незначительно отличаться одной-двумя аминокислотами друг от друга. Но не существует на Земле людей (за исключением однояйцовых близнецов), у которых все белки были бы одинаковы.

Информация о первичной структуре белка закодирована в виде последовательности нуклеотидов в участке молекулы ДНК – гене – единице наследственной информации организма. Каждая молекула ДНК содержит множество генов. Совокупность всех генов организма составляет его генотип .

Кодирование наследственной информации происходит с помощью генетического кода , который универсален для всех организмов и отличается лишь чередованием нуклеотидов, образующих гены, и кодирующих белки конкретных организмов.

Генетический код состоит из троек (триплетов) нуклеотидов ДНК, комбинирующихся в разной последовательности (ААТ, ГЦА, АЦГ, ТГЦ и т.д.), каждый из которых кодирует определенную аминокислоту (которая будет встроена в полипептидную цепь).

Аминокислот 20 , а возможностей для комбинаций четырех нуклеотидов в группы по три – 64 четырех нуклеотидов вполне достаточно, чтобы кодировать 20 аминокислот

поэтому одна аминокислота может кодироваться несколькими триплетами .

Часть триплетов вовсе не кодирует аминокислоты, а запускает или останавливает биосинтез белка.

Собственно кодом считается последовательность нуклеотидов в молекуле и-РНК , т.к. она снимает информацию с ДНК (процесс транскрипции ) и переводит ее в последовательность аминокислот в молекулах синтезируемых белков (процесс трансляции ).

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

Именно кодонами и-РНК отражается генетический код в записи.

Таким образом, генетический код - единая система записи наследственной ин­формации в молекулах нуклеиновых кислот в виде последова­тельности нуклеотидов. Генетический код основан на использо­вании алфавита, состоящего всего из четырех букв-нуклеотидов, отличающихся азотистыми основаниями: А, Т, Г, Ц.

Основные свойства генетического кода :

1. Генетический код триплетен. Триплет (кодон) - последовательность трех нуклеотидов, кодирующая одну аминокислоту. Поскольку в состав бел­ков входит 20 аминокислот, то очевидно, что каждая из них не может кодироваться одним нуклеотидом (поскольку в ДНК всего четыре типа нуклеотидов, то в этом случае 16 аминокислот оста­ются незакодированными). Двух нуклеотидов для кодирования аминокислот также не хватает, поскольку в этом случае могут быть закодированы только 16 аминокислот. Значит, наименьшее число нуклеотидов, кодирующих одну аминокислоту, оказыва­ется равным трем. (В этом случае число возможных триплетов нуклеотидов составляет 4 3 = 64).

2. Избыточность (вырожденность) кода является следствием его триплетности и означает то, что одна аминокислота может кодироваться несколькими трип­летами (поскольку аминокислот 20, а триплетов - 64), за исключением метионина и триптофана, которые кодируются только одним триплетом. Кроме того, некоторые триплеты вы­полняют специфические функции: в молекуле иРНК триплеты УАА, УАГ, УГА - являются терминирующими кодонами, т. е. стоп-сигналами, прекращающими синтез полипептидной цепи. Триплет, соответствующий метионину (АУГ), стоящий в начале цепи ДНК, не кодирует аминокислоту, а выполняет функцию инициирования (возбуждения) считывания.

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

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

5. Генетический код непере­крываем и компактен , т. е. не содержит «знаков препинания». Это значит, что процесс считывания не допускает возможности перекрывания колонов (триплетов), и, начавшись на определенном кодоне, считывание идет непрерывно триплет за триплетом вплоть до стоп-сигналов (терминирующих кодонов ).

6. Генетический код универсален , т. е. ядер­ные гены всех организмов одинаковым образом кодируют инфор­мацию о белках вне зависимости от уровня организации и систематического положения этих организмов.

Существуют таблицы генетического кода для расшифровки кодонов и-РНК и построения цепочек белковых молекул.

Реакции матричного синтеза .

В живых системах встречается реакции, неизвестные в неживой природе - реакцииматричного синтеза .

Термином "матрица " в технике обозначают форму, употребляемую для отливки монет, медалей, типографского шрифта: затвердевший металл в точности воспроизводит все детали формы, служившей для отливки. Матричный синтез напоминает отливку на матрице: новые молекулы синтезируются в точном соответствии с планом, заложенным в структуре уже существующих молекул.

Матричный принцип лежит в основе важнейших синтетических реакций клетки, таких, как синтез нуклеиновых кислот и белков. В этих реакциях обеспечивается точная, строго специфичная последовательность мономерных звеньев в синтезируемых полимерах.

Здесь происходит направленное стягивание мономеров в определенное место клетки - на молекулы, служащие матрицей, где реакция протекает. Если бы такие реакции происходили в результате случайного столкновения молекул, они протекали бы бесконечно медленно. Синтез сложных молекул на основе матричного принципа осуществляется быстро и точно.

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

Мономерные молекулы , из которых синтезируется полимер, - нуклеотиды или аминокислоты - в соответствии с принципом комплементарности располагаются и фиксируются на матрице в строго определенном, заданном порядке.

Затем происходит "сшивание" мономерных звеньев в полимерную цепь , и готовый полимер сбрасывается с матрицы.

После этого матрица готова к сборке новой полимерной молекулы. Понятно, что как на данной форме может производиться отливка только какой-то одной монеты, одной буквы, так и на данной матричной молекуле может идти "сборка" только какого-то одного полимера.

Матричный тип реакций - специфическая особенность химизма живых систем. Они являются основой фундаментального свойства всего живого - его способности к воспроизведению себе подобного .

К реакциям матричного синтеза относят:

1. репликацию ДНК - процесс самоудвоения молекулы ДНК, осуществляемый под контролем ферментов. На каждой из цепей ДНК, образовавшихся после разрыва водородных связей, при участии фермента ДНК-полимеразы синтезируется дочерняя цепь ДНК. Материалом для синтеза служат свободные нуклеотиды, имеющиеся в цитоплазме клеток.

Биологический смысл репликации заключается в точной передаче наследственной информации от материнской молекулы к дочерним, что в норме и происходит при делении соматических клеток.

Молекула ДНК состоит из двух комплементарных цепей. Эти цепи удерживаются слабыми водородными связями, способными разрываться под действием ферментов.

Молекула способна к самоудвоению (репликации), причем на каждой старой половине молекулы синтезируется новая ее половина.

Кроме того, на молекуле ДНК может синтезироваться молекула и-РНК, которая затем переносит полученную от ДНК информацию к месту синтеза белка.

Передача информации и синтез белка идут по матричному принципу, сравнимому с работой печатного станка в типографии. Информация от ДНК многократно копируется. Если при копировании произойдут ошибки, то они повторятся во всех последующих копиях.

Правда, некоторые ошибки при копировании информации молекулой ДНК могут исправляться - процесс устранения ошибок называется репарацией . Первой из реакций в процессе передачи информации является репликация молекулы ДНК и синтез новых цепей ДНК.

2. транскрипцию – синтез и-РНК на ДНК, процесс снятия информации с молекулы ДНК, синтезируемой на ней молекулой и-РНК.

И-РНК состоит из одной цепи и синтезируется на ДНК в соответствии с правилом комплементарности при участии фермента, который активирует начало и конец синтеза молекулы и-РНК.

Готовая молекула и-РНК выходит в цитоплазму на рибосомы, где происходит синтез полипептидных цепей.

3. трансляцию - синтез белка на и-РНК; процесс перевода информации, содержащейся в последовательности нуклеотидов и-РНК, в последовательность аминокислот в полипептиде.

4 . синтез РНК или ДНК на РНК вирусов

Последовательность матричных реакций при биосинтезе белков можно представить в виде схемы:

нетранскрибируемая цепь ДНК		А Т Г	Г Г Ц	Т А Т
транскрибируемая цепь ДНК		Т А Ц	Ц Ц Г	А Т А
транскрипция ДНК
кодоны мРНК		А У Г	Г Г Ц	У А У
трансляция мРНК
антикодоны тРНК		У А Ц	Ц Ц Г	А У А
аминокислоты белка		метионин	глицин	тирозин

Таким образом, биосинтез белка – это один из видов пластического обмена, в ходе которого наследственная информация, закодированная в генах ДНК, реализуется в определенную последовательность аминокислот в белковых молекулах.

Молекулы белков по существу представляют собой полипептидные цепочки , составленные из отдельных аминокислот. Но аминокислоты недостаточно активны, чтобы соединиться между собой самостоятельно. Поэтому, прежде чем соединиться друг с другом и образовать молекулу белка, аминокислоты должны активироваться . Эта активация происходит под действием особых ферментов.

В результате активирования аминокислота становится более лабильной и под действием того же фермента связывается с т-РНК . Каждой аминокислоте соответствует строго специфическая т-РНК , которая находит «свою» аминокислоту и переносит ее в рибосому.

Следовательно, в рибосому поступают различные активированные аминокислоты, соединенные со своими т-РНК . Рибосома представляет собой как бы конвейер для сборки цепочки белка из поступающих в него различных аминокислот.

Одновременно с т-РНК, на которой «сидит» своя аминокислота, в рибосому поступает «сигнал» от ДНК, которая содержится в ядре. В соответствии с этим сигналом в рибосоме синтезируется тот или иной белок.

Направляющее влияние ДНК на синтез белка осуществляется не непосредственно, а с помощью особого посредника – матричной или информационной РНК (м-РНК или и-РНК), которая синтезируется в ядре под влиянием ДНК, поэтому ее состав отражает состав ДНК. Молекула РНК представляет собой как бы слепок с формы ДНК. Синтезированная и-РНК поступает в рибосому и как бы передает этой структуре план - в каком порядке должны соединяться друг с другом поступившие в рибосому активированные аминокислоты, чтобы синтезировался определенный белок. Иначе, генетическая информация, закодированная в ДНК, передается на и-РНК и далее на белок .

Молекула и-РНК поступает в рибосому и прошивает ее. Тот ее отрезок, который находится в данный момент в рибосоме, определенный кодоном (триплет ), взаимодействует совершенно специфично с подходящим к нему по строению триплетом (антикодоном ) в транспортной РНК, которая принесла в рибосому аминокислоту.

Транспортная РНК со своей аминокислотой подходит к определенному кодону и-РНК и соединяется с ним; к следующему, соседнему участку и-РНК присоединяется другая т-РНК с другой аминокислотой и так до тех пор, пока не будет считана вся цепочка и-РНК, пока не нанижутся все аминокислоты в соответствующем порядке, образуя молекулу белка.

А т-РНК, которая доставила аминокислоту к определенному участку полипептидной цепи, освобождается от своей аминокислоты и выходит из рибосомы.

Затем снова в цитоплазме к ней может присоединиться нужная аминокислота, и она снова перенесет ее в рибосому.

В процессе синтеза белка участвует одновременно не одна, а несколько рибосом - полирибосомы.

Основные этапы передачи генетической информации:

синтез на ДНК как на матрице и-РНК (транскрипция)

синтез в рибосомах полипептидной цепи по программе, содержащейся в и-РНК (трансляция).

Этапы универсальны для всех живых существ, но временные и пространственные взаимоотношения этих процессов различаются у про- и эукариотов.

У эукариот транскрипция и трансляция строго разделены в пространстве и времени: синтез различных РНК происходит в ядре, после чего молекулы РНК должны покинуть пределы ядра, пройдя через ядерную мембрану. Затем в цитоплазме РНК транспортируются к месту синтеза белка - рибосомам. Лишь после этого наступает следующий этап - трансляция.

У прокариот транскрипция и трансляция идут одновременно.

Таким образом,

местом синтеза белков и всех ферментов в клетке являются рибосомы - это как бы «фабрики» белка, как бы сборочный цех, куда поступают все материалы, необходимые для сборки полипептидной цепочки белка из аминокислот. Природа синтезируемого белка зависит от строения и-РНК, от порядка расположения в ней нуклеоидов, а строение и-РНК отражает строение ДНК, так что в конечном итоге специфическое строение белка, т. е. порядок расположения в нем различных аминокислот, зависит от порядка расположения нуклеоидов в ДНК, от строения ДНК.

Изложенная теория биосинтеза белка получила название матричной теории. Матричной эта теория называется потому , что нуклеиновые кислоты играют как бы роль матриц, в которых записана вся информация относительно последовательности аминокислотных остатков в молекуле белка.

Создание матричной теории биосинтеза белка и расшифровка аминокислотного кода является крупнейшим научным достижением XX века, важнейшим шагом на пути к выяснению молекулярного механизма наследственности.

Тематические задания

А1. Какое из утверждений неверно?

1) генетический код универсален

2) генетический код вырожден

3) генетический код индивидуален

4) генетический код триплетен

А2. Один триплет ДНК кодирует:

1) последовательность аминокислот в белке

2) один признак организма

3) одну аминокислоту

4) несколько аминокислот

А3. «Знаки препинания» генетического кода

1) запускают синтез белка

2) прекращают синтез белка

3) кодируют определенные белки

4) кодируют группу аминокислот

А4. Если у лягушки аминокислота ВАЛИН кодируется триплетом ГУУ, то у собаки эта аминокислота может кодироваться триплетами:

1) ГУА и ГУГ

2) УУЦ и УЦА

3) ЦУЦ и ЦУА

4) УАГ и УГА

А5. Синтез белка завершается в момент

1) узнавания кодона антикодоном

2) поступления и-РНК на рибосомы

3) появления на рибосоме «знака препинания»

4) присоединения аминокислоты к т-РНК

А6. Укажите пару клеток в которой у одного человека содержится разная генетическая информация?

1) клетки печени и желудка

2) нейрон и лейкоцит

3) мышечная и костная клетки

4) клетка языка и яйцеклетка

А7. Функция и-РНК в процессе биосинтеза

1) хранение наследственной информации

2) транспорт аминокислот на рибосомы

3) передача информации на рибосомы

4) ускорение процесса биосинтеза

А8. Антикодон т-РНК состоит из нуклеотидов УЦГ. Какой триплет ДНК ему комплементарен?

Любая живая клетка способна синтезировать белки, и эта способность представляет одно из наиболее важных и характерных ее свойств. С особенной энергией идет биосинтез белков в период роста и развития клеток. В это время активно синтезируются белки для построения клеточных органоидов, мембран. Синтезируются ферменты. Биосинтез белков идет интенсивно и во многих взрослых, т. е. закончивших рост и развитие, клетках, например в клетках пищеварительных желез, синтезирующих белки-ферменты (пепсин, трипсин), или в клетках желез внутренней секреции, синтезирующих белки-гормоны (инсулин, тироксин). Способность к синтезу белков присуща не только растущим или секреторным клеткам: любая клетка в течение всей жизни постоянно синтезирует белки, так как в ходе нормальной жизнедеятельности молекулы белков постепенно денатурируются, структура и функции их нарушаются. Такие пришедшие в негодность молекулы белков удаляются из клетки. Взамен синтезируются новые полноценные молекулы, в результате состав и деятельность клетки не нарушаются. Способность к синтезу белка передается по наследству от клетки к клетке и сохраняется ею в течение всей жизни.

Основная роль в определении структуры белков принадлежит ДНК. Сами ДНК непосредственного участия в синтезе не принимают. ДНК содержится в ядре клетки, а синтез белков происходит в рибосомах, находящихся в цитоплазме. В ДНК только содержится и хранится информация о структуре белков.

На длинной нити ДНК следует одна за другой запись информации о составе первичных структур разных белков. Отрезок ДНК, содержащий информацию о структуре одного белка, называют геном. Молекула ДНК представляет собрание нескольких сот генов.

Чтобы разобраться в том, каким образом структура ДНК определяет структуру белка, приведем такой пример. Многие знают об азбуке Морзе, при помощи которой передают сигналы и телеграммы. По азбуке Морзе все буквы алфавита обозначены сочетаниями коротких и длинных сигналов - точкам и тире. Буква А обозначается.--, Б -- --. и т. д. Собрание условных обозначений называют кодом или шифром. Азбука Морзе представляет собой пример кода. Получив телеграфную ленту с точками и тире, знающий код Морзе легко расшифрует написанное.

Макромолекула ДНК, состоящая из нескольких тысяч последовательно расположенных четырех видов нуклеотидов, представляет собой код, определяющий структуру ряда молекул белка. Так же как в коде Морзе каждой букве соответствует определенное сочетание точек и тире, так и в коде ДНК каждой аминокислоте соответствует определенное сочетание точек и тире, так и в коде ДНК каждой аминокислоте соответствует определенное сочетание последовательно связанных нуклеотидов.

Код ДНК удалось расшифровать почти полностью. Сущность кода ДНК состоит в следующем. Каждой аминокислоте соответствует участок цепи ДНК из трех рядом состоящих нуклеотидов. Например, участок Т-Т-Т соответствует аминокислоте лизину, отрезок А-Ц-А - цистеину, Ц-А-А - валину и. т. д. Допустим, что в гене нуклеотиды следуют в таком порядке:

А-Ц-А-Т-Т-Т-А-А-Ц-Ц-А-А-Г-Г-Г

Разбив этот ряд на тройки (триплеты), мы сразу расшифруем, какие аминокислоты и в каком порядке следуют в молекуле белка: А-Ц-А - цистеин; Т-Т-Т - лизин; А-А-Ц - лейцин; Ц-А-А - валин; Г-Г-Г - пролин. В коде Морзе всего два знака. Для обозначения всех букв, всех цифр и знаков препинания приходится брать на некоторые буквы или цифры до 5 знаков. Код ДНК проще. Разных нуклеотидов 4. Число возможных комбинаций из 4 элементов по 3 равно 64. Разных аминокислот всего 20. Таким образом, различных триплетов нуклеотидов с избытком хватает для кодирования всех аминокислот.

Транскрипция. Для синтеза белка в рибосомы должна быть доставлена программа синтеза, т. е. информация о структуре белка, записанная и хранящаяся в ДНК. Для синтеза белка в рибосомы направляются точные копии этой информации. Это осуществляется с помощью РНК, которые синтезируются на ДНК и точно копируют ее структуру. Последовательность нуклеотидов РНК точно повторяет последовательность в одной из цепей гена. Таким образом, информация, содержащаяся в структуре данного гена, как бы переписывается на РНК. Этот процесс называют транскрипцией (лат. "транскрипция" - переписывание). С каждого гена можно снять любое число копий РНК. Эти РНК, несущие в рибосомы информацию о составе белков, называют информационными (и-РНК).

Для того чтобы понять, каким образом состав и последовательность расположения нуклеотидов в гене могут быть "переписаны" на РНК, вспомним принцип комплементарности, на основании которого построена двухспиральная молекула ДНК. Нуклеотиды одной цепи обусловливают характер противолежащих нуклеотидов другой цепи. Если на одной цепи находится А, то на том же уровне другой цепи стоит Т, а против Г всегда находится Ц. Других комбинаций не бывает. Принцип комплементарности действует и при синтезе информационной РНК.

Против каждого нуклеотида одной из цепей ДНК встает комплементарный к нему нуклеотид информационной РНК (в РНК вместо тимидилового нуклеотида (Т) присутствует уридиловый нуклеотид (У). Таким образом, против Г днк встает Ц рнк, против А днк - У рнк, против Т днк - А рнк. В результате образующаяся цепочка РНК по составу и последовательности своих нуклеотидов представляет собой точную копию состава и последовательности нуклеотидов одной из цепей ДНК. Молекулы информационной РНК направляются к месту, где происходит синтез белка, т. е. к рибосомам. Туда же идет из цитоплазмы поток материала, из которого строится белок, т. е. аминокислоты. В цитоплазме клеток всегда имеются аминокислоты, образующиеся в результате расщепления белков пищи.

Транспортные РНК. Аминокислоты попадают в рибосому не самостоятельно, а в сопровождении транспортных РНК (т-РНК). Молекулы т-РНК невелики - они состоят всего из 70-80 нуклеотидных звеньев. Их состав и последовательность для некоторых т-РНК уже установлены полностью. При этом выяснилось, что в ряде мест цепочки т-РНК обнаруживаются 4-7 нуклеотидных звеньев, комплементарных друг другу. Наличие комплементарных последовательностей в молекуле приводит к тому, что эти участки при достаточном сближении слипаются друг с другом благодаря образованию водородных связей между комплементарными нуклеотидами. В результате возникает сложная петлистая структура, напоминающая по форме листок клевера. К одному из концов молекулы т-РНК присоединяется аминокислота (Д), а в верхушке "листка клевера" находится триплет нуклеотидов (Е), который соответствует по коду данной аминокислоте. Так как существует не менее 20 различных аминокислот, то, очевидно, имеется не менее 20 различных т-РНК: на каждую аминокислоту - своя т-РНК.

Реакция матричного синтеза. В живых системах мы встречаемся с новым типом реакций, наподобие редупликации ДНК, или реакцией синтеза РНК. Такие реакции неизвестны в неживой природе. Их называют реакциями матричного синтеза.

Термином "матрица" в технике обозначают форму, употребляемую для отливки монет, медалей, типографского шрифта: затвердевший металл в точности воспроизводит все детали формы, служившей для отливки. Матричный синтез напоминает отливку на матрице: новые молекулы синтезируются в точном соответствии с планом, заложенным в структуре уже существующих молекул. Матричный принцип лежит в основе важнейших синтетических реакций клетки, таких, как синтез нуклеиновых кислот и белков. В этих реакциях обеспечивается точная, строго специфичная последовательность мономерных звеньев в синтезируемых полимерах. Здесь происходит направленное стягивание мономеров в определенное место клетки - на молекулы, служащие матрицей, где реакция протекает. Если бы такие реакции происходили в результате случайного столкновения молекул, они протекали бы бесконечно медленно. Синтез сложных молекул на основе матричного принципа осуществляется быстро и точно.

Роль матрицы в матричных реакциях играют макромолекулы нуклеиновых кислот ДНК или РНК. Мономерные молекулы, из которых синтезируется полимер, - нуклеотиды или аминокислоты - в соответствии с принципом комплементарности располагаются и фиксируются на матрице в строго определенном, заданном порядке. Затем происходит "сшивание" мономерных звеньев в полимерную цепь, и готовый полимер сбрасывается с матрицы. После этого матрица готова к сборке новой полимерной молекулы. Понятно, что как на данной форме может производиться отливка только какой-то одной монеты, одной буквы, так и на данной матричной молекуле может идти "сборка" только какого-то одного полимера.

Матричный тип реакций - специфическая особенность химизма живых систем. Они являются основой фундаментального свойства всего живого - его способности к воспроизведению себе подобного.

Трансляция. Информация о структуре белка, записанная в и-РНК в виде последовательности нуклеотидов, переносится далее в виде последовательности аминокислот в синтезируемой полипептидной цепи. Этот процесс называют трансляцией. Для того чтобы разобраться в том, как в рибосомах происходит трансляция, т. е. перевод информации с языка нуклеиновых кислот на язык белков, обратимся к рисунку. Рибосомы на рисунке изображены в виде яйцевидных тел, унизывающих и-РНК с левого конца и начинает синтез белка. По мере сборки белковой молекулы рибосома ползет по и-РНК. Когда рибосома продвинется вперед на 50-100 А, с того же конца на и-РНК входит вторая рибосома, которая, как и первая, начинает синтез и движется вслед за первой рибосомой. Затем на и-РНК вступает третья рибосома, четвертая и т. д. Все они выполняют одну и ту же работу: каждая синтезирует один и тот же белок, запрограммированный на данной и-РНК. Чем дальше вправо продвинулась рибосома по и-РНК, тем больший отрезок белковой молекулы "собран". Когда рибосома достигает правого конца и-РНК, синтез окончен. Рибосома с образовавшимся белком сходит с и-РНК. Затем они расходятся: рибосома - на любую и-РНК (так как она способна к синтезу любого белка; характер белка зависит от матрицы), белковая молекула - в эндоплазматическую сеть и по ней перемещается в тот участок клетки, где требуется данный вид белка. Через короткое время заканчивает работу вторая рибосома, затем третья и т. д. А с левого конца и-РНК на нее вступают все новые и новые рибосомы, и синтез белка идет непрерывно. Число рибосом, умещающихся одновременно на молекуле и-РНК, зависит от длины и-РНК. Так, на молекуле и-РНК, которая программирует синтез белка гемоглобина и длина которой около 1500 А, помещается до пяти рибосом (диаметр рибосомы приблизительно равен 230 А). Группу рибосом, помещающуюся одновременно на одной молекуле и-РНК, называют полирибосомой.

Теперь остановимся подробнее на механизме работы рибосомы. Рибосома во время движения по и-РНК в каждый данный момент находится в контакте с небольшим учаством ее молекулы. Возможно, размер этого участка составляет всего один триплет нуклеотидов. Рибосома передвигается по и-РНК не плавно, а прерывисто, "шажками", триплет за триплетом. На некотором расстоянии от места контакта рибосомы с и - РЕК находится пункт "сборки" белка: здесь помещается и работает фермент белок - синтетаза, создающий полипептидную цепь, т. е. образующий пептидные связи между аминокислотами.

Сам механизм "сборки" белковой молекулы в рибосомах осуществляется следующим образом. В каждую рибосому, входящую в состав полирибосомы, т. е. движущуюся по и-РНК, из окружающей среды непрерывным потоком идут молекулы т-РНК с "навешанными" на них аминокислотами. Они проходят, задевая своим кодовым концом место контакта рибосомы с и-РНК, который в данный момент находится в рибосоме. Противоположный конец т-РНК (несущий аминокислоту) оказывается при этом вблизи пункта "сборки" белка. Однако только в том случае, если кодовый триплет т-РНК окажется комплементарным к триплету и-РНК (находящемуся в данный момент в рибосоме), аминокислота, доставленная т-РНК, попадет в состав молекулы белка и отделится от т-РНК. Тотчас же рибосома делает "шаг" вперед по и-РНК на один триплет, а свободная т-РНК выбрасывается из рибосомы в окружающую среду. Здесь она захватывает новую молекулу аминокислоты и несет ее в любую из работающих рибосом. Так постепенно, триплет за триплетом, движется по и-РНК рибосома и растет звено за звеном - полипептидная цепь. Так работает рибосома - этот органоид клетки, который с полным правом называют "молекулярным автоматом" синтеза белка.

В лабораторных условиях искусственный синтез белка требует огромных усилий, много времени и средств. А в живой клетке синтез одной молекулы белка завершается в 1-2 мин.

Роль ферментов в биосинтезе белка. Не следует забывать, что ни один шаг в процессе синтеза белка не идет без участия ферментов. Все реакции белкового синтеза катализируются специальными ферментами. Синтез и-РНК ведет фермент, который ползет вдоль молекулы ДНК от начала гена до его конца и оставляет позади себя готовую молекулу и-РНК. Ген в этом процессе дает только программу для синтеза, а сам процесс осуществляет фермент. Без участия ферментов не происходит и соединения аминокислот с т-РНК. Существуют особые ферменты, обеспечивающие захват и соединение аминокислот с их т-РНК. Наконец, в рибосоме в процессе сборки белка работает фермент, сцепляющий аминокислоты между собой.

Энергетика биосинтеза белка. Еще одной очень важной стороной биосинтеза белка является его энергетика. Любой синтетический процесс представляет собой эндотермическую реакцию и, следовательно, нуждается в затрате энергии. Биосинтез белка представляет цепь синтетических реакций: 1) синтез и-РНК; 2) соединение аминокислот с т-РНК; 3) "сборку белка". Все эти реакции требуют энергетических затрат. Энергия для синтеза белка доставляется реакцией расщепления АТФ. Каждое звено биосинтеза всегда сопряжено с распадом АТФ.

Компактность биологической организации. При изучении роли ДНК выяснилось, что явление записи, хранения и передачи наследственной информации осуществляется на уровне молекулярных структур. Благодаря этому достигается поразительная компактность "рабочих механизмов", величайшая экономичность их размещения в пространстве. Известно, что содержание ДНК в одном сперматозоиде человека равно 3.3Х10 -12 степени г ДНК содержится вся информация, определяющая развитие человека. Подсчитано, что все оплодотворенные яйцеклетки, из которых развились все люди, живущие ныне на Земле, содержат столько ДНК, сколько ее умещается в объеме булавочной головки.

Олимпиада по биологии. Школьный этап. 2016-2017 учебный год.

10-11 класс

1. Неправильным соотнесением клетки и ткани является

А) корневой волосок – покровная ткань

Б) клетка полисадной паренхимы – основная ткань

В) замыкающая клетка – покровная ткань

Г) клетка-спутница – выделительная ткань

2. Для мероприятия, которое состоится через три дня необходимы спелые груши. Однако те груши, что были куплены для этой цели, еще не созрели. Процесс созревания можно ускорить, положив их

А) в тёмное место

Б) в холодильник

В) на подоконник

Г) в пакет из плотной бумаги вместе со спелыми яблоками

3. Мохообразным удалось выжить на суше, так как

А) они были первыми растениями, у которых развились устьица

Б) им не требуется влажная среда для репродуктивного цикла

В) они растут, невысоко поднимаясь над почвой, в относительно влажных регионах

Г) спорофит стал независимым от гаметофита

4. Щеки млекопитающих образовались как

А) приспособление для собирания большого количества пищи

Б) результат особенностей строения черепа, и в частности, челюстей

В) приспособление для сосания

Г) приспособление для дыхания

5. Сердце крокодила по своему строению

А) трехкамерное с неполной перегородкой в желудочке

Б) трехкамерное

В) четырехкамерное

Г) четырехкамерное с отверстием в перегородке между желудочками

6. В свертывании крови участвует фибриноген, являющийся белком

А) плазмы крови

Б) цитоплазмы лейкоцитов

В) входящим в состав тромбоцитов

Г) образующимся при разрушении эритроцитов

7. Абиотические факторы включает в себя такая экологическая единица как

А) биоценоз

Б) экосистема

В) популяция

8. Редукционное деление (мейоз) происходит при образовании

А) споры бактерий

Б) зооспоры улотрикса

В) споры маршанции

Г) зооспоры фитофторы

9. Из перечисленных биополимеров разветвленную структуру имеют

Г) полисахариды

10. Фенилкетонурия является генетическим заболеванием, вызванным рецессивной мутацией. Вероятность рождения больного ребенка, если оба родителя гетерозиготные по этому признаку, составляет

11. Сходство в строении органов зрения у головоногих моллюсков и позвоночных животных объясняется

А) конвергенцией

Б) параллелизмом

В) адаптацией

Г) случайным совпадением

12. Свободноплавающая личинка асцидии имеет хорду и нервную трубку. У взрослой асцидии, ведущей сидячий образ жизни, они исчезают. Это является примером

А) адаптации

Б) дегенерации

В) ценогенеза

13. Водопроводящими элементами сосны являются

А) кольчатые и спиралевидные сосуды

Б) только кольчатые сосуды

В) трахеиды

Г) спиралевидные и пористые сосуды

14. Соплодие характерно для

Б) ананаса

В) банана

15. В хлоропластах растительных клеток светособирающие комплексы расположены

А) на наружной мембране

Б) на внутренней мембране

В) на мембране тилакоидов

Г) в строме

Часть 2.

Установите соответствие (6 баллов).

2.1. Установите соответствие между признаком серой крысы и критерием вида, для которого он характерен.

2.2. Установите соответствие между характеристикой регуляции функций и её способом.

Установите правильную последовательность (6 баллов).

2.3. Установите правильную последовательность этапов географического видообразования.

1) возникновение территориальной изоляции между популяциями одного вида

2) расширение или расчленение ареала вида

3) появление мутаций в изолированных популяциях

4) сохранение естественным отбором особей с признаками, полезными в конкретных условиях среды

5) утрата особями разных популяций способности скрещиваться

2.4. Установите, в какой последовательности при митотическом делении клетки происходят указанные процессы.

1) хромосомы располагаются по экватору клетки

2) хроматиды расходятся к полюсам клетки

3) образуются две дочерние клетки

4) хромосомы спирализуются, каждая состоит из двух хроматид

5) хромосомы деспирализуются

2.5. Вам предлагаются тестовые задания в виде суждений, с каждым из которых следует или согласиться или отклонить. В матрице ответов укажите вариант ответа «да» или «нет»: (10 баллов).

1. Цветки паслёновых собраны в соцветие зонтик.

2. У ресничных червей нет анального отверстия.

3. Пероксисома – обязательный органоид эукариотической клетки.

4. Пептидная связь не является макроэргической.

5. В клетках печени добавление глюкагона вызывает распад гликогена.

6. Абиотические факторы не оказывают влияния на конкурентные отношения двух родственных видов.

7. Функции газообмена у листа возможны благодаря чечевичкам и гидатодам.

8. Отделом желудка жвачных, соответствующим однокамерному желудку млекопитающих, является рубец.

9. Длину пищевых цепей ограничивает потеря энергии.

10. Чем меньше диаметр кровеносных сосудов в организме, тем больше в них линейная скорость кровотока.

Часть 3.

3.1. Найдите три ошибки в приведенном тексте. Укажите номера предложений, в которых они сделаны, исправьте их (6 баллов).

1. К реакциям матричного синтеза относят образование крахмала, синтез иРНК, сборку белков в рибосомах. 2. Матричный синтез напоминает отливку монет на матрице: новые молекулы синтезируются в точном соответствии с «планом», заложенном в структуре уже существующих молекул. 3. Роль матрицы в клетке играют молекулы хлорофилла, нуклеиновых кислот (ДНК и РНК). 4. На матрицах фиксируются мономеры, затем они соединяются в полимерные цепи. 5. Готовые полимеры сходят с матриц. 6. Старые матрицы сразу же разрушаются, после чего образуются новые.

У человека имеется четыре фенотипа по группам крови: I(0), II(А), III(В), IV(АВ). Ген, определяющий группу крови, имеет три аллеля: IА, IВ, i0 ; причем аллель i0 является рецессивной по отношению к аллелям IА и IВ. Родители имеют II (гетерозигота) и III (гомозигота) группы крови. Определите генотипы групп крови родителей. Укажите возможные генотипы и фенотипы (номер) группы крови детей. Составьте схему решения задачи. Определите вероятность наследования у детей II группы крови.

Ответы 10-11 класс

Часть 1. Выберите один верный ответ. (15 баллов)

2.2. максимально – 3 б, одна ошибка – 2 б, две ошибки – 1б, три и более ошибки – 0 баллов

2.4. максимально – 3 б, одна ошибка – 2 б, две ошибки – 1б, три и более ошибки – 0 баллов

Часть 3.

3.1. Найдите три ошибки в приведенном тексте. Укажите номера предложений, в которых они сделаны, исправьте их (3б за правильное обнаружение предложений с ошибками и 3 б за исправление ошибок).

1. - к реакциям матричного синтеза НЕ относят образование крахмала, матрица для него не нужна;

3. - молекулы хлорофилла не способны к выполнению роли матрицы, они не обладают свойством комплиментарности;

6. – матрицы используются многократно.

3.2. Решите задачу (3 балла).

Схема решения задачи включает:

1) родители имеют группы крови: II группа – IАi0 (гаметы IА, i0), III группа - IВ IВ (гаметы IВ);

2) возможные фенотипы и генотипы групп крови детей: IV группа (IАIВ) и III группа (IВi0);

3) вероятность наследования II группы крови – 0%.

Бланк ответа

Школьный этап Всероссийской олимпиады по биологии

Код участника_____________

Часть 1. Выберите один верный ответ. (15 баллов)

Часть 2.

Часть 3.

3.1._______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

3.2. Решение задачи

В 1869 г. швейцарский биохимик Иоганн Фридрих Мишер впервые обнаружил, выделил из ядер клеток и описал ДНК. Но только в 1944 г. О. Эйвери, С. Маклеодом и М. Макарти была доказана генетическая роль ДНК, т. е. было достоверно установлено, что передача наследственной информации связана с дезоксирибонуклеиновой кислотой. Это открытие явилось мощным фактором, стимулирующим изучение наследственности на молекулярном уровне. С тех пор началось бурное развитие молекулярной биологии и генетики.

Нуклеиновые кислоты (от лат. nucleus - ядро) - это природные высокомолекулярные органические соединения, обеспечивающие хранение и передачу наследственной (генетической) информации в живых организмах. В их состав входят: углерод (С), водород (Н), кислород (О), фосфор (Р). Нуклеиновые кислоты представляют собой нерегулярные биополимеры, состоящие из мономеров - нуклеотидов. В состав каждого нуклеотида входят:

· азотистое основание,

· простой углерод - 5-углеродный сахар пентоза (рибоза или дезоксирибоза),

· остаток фосфорной кислоты.

Существует два типа нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновая кислота - ДНК, содержащая дезоксирибозу, и рибонуклеиновая кислота - РНК, содержащая рибозу.

Рассмотрим каждый тип нуклеиновых кислот.

ДНК содержится почти исключительно в ядре клетки, иногда в органоидах: митохондриях, пластидах. ДНК - это полимерное соединение с постоянным (стабильным) содержанием в клетке.

Строение ДНК. По своей структуре молекула ДНК представляет собой две полимерные цепи, соединенные между собой и закрученные в форме двойной спирали (рис. 1).

Создана модель структуры ДНК в 1953 г. Д. Уотсоном и Ф. Криком, за что оба были удостоены Нобелевской премии. Ширина двойной спирали всего около 0,002 мкм (20 ангстрем), зато длина ее исключительно велика - до нескольких десятков и даже сотен микрометров (для сравнения: дли­на самой крупной белковой молекулы в развернутом виде не превышает 0,1 мкм).

Нуклеотиды расположены друг от друга на расстоянии - 0,34 нм, а на один виток спирали приходится 10 нуклеотидов. Молекулярная масса ДНК велика: она составляет десятки, и даже сотни миллионов. Например, молекулярная масса (М r ) самой крупной хромосомы дрозофилы равна 7,9 10 10 .

Основной структурной единицей одной цепи является нуклеотид, состоящий из азотистого основания, дезоксирибозы и фосфатной группы. ДНК содержит 4 вида азотистых оснований:

· пуриновые - аденин (А) и гуанин (Г),

· пиримидиновые - цитозин (Ц) и тимин (Т).

Суммарное количество пуриновых оснований равно сумме пиримидиновых.

Нуклеотиды ДНК тоже будут 4 видов соответственно: адениловый (А), гуаниловый (Г), цитидиловый (Ц) и тимидиловый (Т), Все нуклеотиды ДНК соединены в полинуклеотидную цепь за счет остатков фосфорных кислот, расположенных между дезоксирибозами. В полинуклеотидной цепи может быть до 300 000 и более нуклеотидов.

Таким образом, каждая цепь ДНК представляет полинуклеотид, в котором в строго определенном порядке расположены нуклеотиды. Азотистые основания подходят друг к другу настолько близко, что между ними возникают водородные связи. Четко проявляется в их расположении важная закономерность: аденин (А) одной цепи связан с тимином (Т) другой цепи двумя водородными связями, а гуанин (Г) одной цепи связан тремя водородными связями с цитозином (Ц) другой цепи, в результате чего формируются пары А-Т и Г-Ц. Такая способность к избирательному соединению нуклеотидов называется комплементарностью, т. е. пространственное и химическое соответствие между парами нуклеотидов (см. рис. 2).

Последовательность соединения нуклеотидов одной цепи противоположна (комплементарна) таковой в другой, т. е. цепи, составляющие одну молекулу ДНК, разнонаправлены, или антипараллельны. Цепи закручиваются вокруг друг друга и образуют двойную спираль. Большое число водородных связей обеспечивает прочное соединение нитей ДНК и придает молекуле устойчивость, сохраняя в то же время ее подвижность - под влиянием ферментов она легко раскручивается (деспирализуется).

Репликация ДНК (редупликация ДНК) - процесс самовоспроизведения (самоудвоения) макромолекул нуклеиновых кислот, обеспечивающий точное копирование генетической информации и передачу ее от поколения к поколению.

Репликация ДНК происходит в период интерфазы перед клеточным делением. Материнская молекула ДНК (количество цепей ДНК в клетке равно 2n ) под действием ферментов раскручивается с одного конца, а затем из свободных нуклеотидов по принципу комплементарности на обеих цепях достраиваются дочерние полинуклеотидные цепи. В результате матричных реакций возникают две одинаковые по нуклеотидному составу дочерние молекулы ДНК, в которых одна из цепей старая материнская, а другая - новая, вновь синтезированная (количество ДНК в клетке становится равным 4n = 2 X 2n ).

Функции ДНК.

1. Хранение наследственной информации о структуре белков или отдельных ее органоидов. Наименьшей единицей генетической информации после нуклеотида являются три последовательно расположенных нуклеотида - триплет. Последовательность триплетов в полинуклеотидной цепи определяет последовательность расположения аминокислот одной белковой молекулы (первичную структуру белка) и представляет собой ген. Вместе с белками ДНК входят в состав хроматина, вещества, из которого состоят хромосомы ядра клетки.

2. Передача наследственной информации в результате репликаций при клеточном делении от материнской клетки - дочерним.

3. Реализация наследственной информации (хранящейся в виде генов) в результате матричных реакций биосинтеза через выработку специфических для клетки и организма белков. При этом на одной из ее цепей по принципу комплементарности из нуклеотидов окружающей молекулу среды синтезируются молекулы информационной РНК.

РНК - соединение с колеблющимся (лабильным) содержанием в клетке.

Строение РНК. По своей структуре молекулы РНК менее крупные, чем молекулы ДНК с молекулярной массой от 20-30 тыс. (тРНК) до 1 млн (рРНК), РНК - одноцепочечная молекула, построенная так же, как и одна из цепей ДНК. Мономеры РНК - нуклеотиды состоят из азотистого основания, рибозы (пентозы) и фосфатной группы. РНК содержит 4 азотистых основания:

· пуриновые - аденин (А);

· пиримидиновые - гуанин (Г), цитозин (Ц), урацил (У).

В РНК тимин заменен на близкий к нему по строению урацил (нуклеотид - уридиловый. Нуклеотиды соединены в полинуклеотидную цепь так же, как и в ДНК, за счет остатков фосфорных кислот, расположенных между рибозами.

По месту нахождения в клетке среди РНК выделяют: ядерные, цитоплазматические, митохондриальные, пластидные.

По выполняемым функциям среди РНК выделяют: транспортные, информационные и рибосомные.

Транспортные РНК (тРНК) - одноцепочечные, но имеющие трехмерную структуру «клеверный лист», созданную внутримолекулярными водородными связями (рис. 3). Молекулы тРНК - самые короткие. Состоят из 80-100 нуклеотидов. На их долю приходится около 10% от общего содержания РНК в клетке. Они переносят активированные аминокислоты (каждая тРНК свою аминокислоту, всего известно 61 тРНК) к рибосомам при биосинтезе белка в клетке».

Информационная (матричная) РНК (иРНК, мРНК) - одноцепочечная молекула, которая образуется в результате транскрипции на молекуле ДНК (копирует гены) в ядре и несет информацию о первичной структуре одной белковой молекулы к месту синтеза белка в рибосомах. Молекула иРНК может состоять из 300-3000 нуклеотидов. На долю иРНК приходится 0,5-1% от общего содержания РНК в клетке.

Рибосомные РНК (рРНК) - самые крупные одноцепочечные молекулы, образующие вместе с белками сложные комплексы, поддерживающие структуру рибосом, на которых идет синтез белка.

На долю рРНК приходится около 90% от общего содержания РНК в клетке.

Вся генетическая информация организма (структура его белков), заключена в его ДНК, состоящей из нуклеотидов, объединенных в гены. Напомним, что ген - единица наследственной информации (участок молекулы ДНК), содержащая информацию о структуре одного белка - фермента. Гены, обусловливающие свойства организмов, называют структурными. А гены, которые регулируют проявление структурных генов, называют регуляторными. Проявление (экспрессия) гена (реализация наследственной информации) происходит следующим образом:

Для осуществления экспрессии гена существует генетический код - строго упорядоченная зависимость между основаниями нуклеотидов и аминокислотами (табл. 12).

Таблица 12 Генетический код

Основные свойства генетического кода.

Триплетность - кодирование аминокислот осуществляется тройками (триплетами) оснований нуклеотидов. Количество кодирующих триплетов равно 64 (4 вида нуклеотидов: А, Т, Ц, Г, 4 3 = 64).

Однозначность - каждый триплет кодирует только одну аминокислоту.

Вырожденность - число кодирующих триплетов превышает число аминокислот (64 > 20). Существуют аминокислоты, кодируемые более чем одним триплетом (в составе белков такие аминокислоты встречаются чаще). Есть три триплета, не кодирующие ни одну аминокислоту (УАА, УАГ, УГА). Они называются «нонсенс-кодонами» и играют роль «стоп-сигналов», означающих конец записи гена (общее количество кодирующих кодонов - 61).

Неперекрываемость (непрерывность) - считывание триплетов с ДНК при синтезе иРНК идет строго по трем последовательным нуклеотидам, без перекрывания соседних кодонов. Внутри гена нет «знаков препинания».

Универсальность - одни и те же триплеты кодируют одни и те же аминокислоты у всех организмов, живущих на Земле.

Общепринятые сокращения названий аминокислот:

ФЕН - фенилаланин; ГИС - гистидин;

ЛЕЙ - лейцин; ГЛН - глутамин;

ИЛЕ - изолейцин; ГЛУ - глутаминовая кислота;

МЕТ - метионин; ЛИЗ - лизин;

ВАЛ - валин; АСН - аспарагин;

СЕР - серии; АСП - аспарагиновая кислота;

ПРО - пролин; ЦИС - цистеин;

ТРЕ - треонин; ТРИ - триптофан;

АЛА - аланин; АРГ - аргинин;

ТИР - тирозин; ГЛИ - глицин.

Таким образом, ДНК-носитель всей генетической информации в клетке - непосредственного участия в син­тезе белка (т. е. реализации этой наследственной информации) не принимают. В клетках животных и растений Молекулы ДНК отделены ядерной мембраной от цито плазмы, где происходит синтез белков. К рибосомам - местам сборки белков - высылается из ядра посредник, который несет скопированную информацию и способен пройти через поры ядерной мембраны. Таким посредником является информационная РНК, которая участвует в матричных реакциях.

Матричные реакции - это реакции синтеза новых соединений на основе «старых» макромолекул, выполняющих роль матрицы, т. е. формы, образца для копирования новых молекул. Матричными реакциями реализации наследственной информации, в которых принимают участие ДНК и РНК являются:

1. Репликация ДНК - удвоение молекул ДНК, благодаря которым передача генетической информации осуществляется от поколения к поколению. Матрицей является материнская ДНК, а новыми, образованными по этой матрице - дочерние, вновь синтезированные 2 молекулы ДНК (рис. 4).

2. Транскрипция (лат. transcription - переписывание) - это синтез молекул РНК по принципу комплементарности на матрице одной из цепей ДНК. Происходит в ядре под действием фермента ДНК-зависимой - РНК-полимеразы. Информационная РНК - это од нонитевая молекула, и кодирование гена идет с одной нити двунитевой молекулы ДНК. Если в транскрибируемой нити ДНК стоит нуклеотид Г, то ДНК-полимераза включает Ц в состав иРНК, если стоит Т, то включает А в состав иРНК, если стоит Т, включает У (в состав РНК не входит тимин Т; рис. 5). Язык триплетов ДНК переводится на язык кодонов иРНК (триплеты в иРНК называются кодонами).

В результате транскрипции разных генов синтезируются все виды РНК. Затем иРНК, тРНК, рPHK через поры в ядерной оболочке выходят в цитоплазму клетки для выполнения своих функций.

3. Трансляция (лат. translatio - передача, перевод) - это синтез полипептидных цепей белков на матрице зрелой иРНК, осуществляемый рибосомами. В этом процессе выделяют несколько этапов:

Этап первый - инициация (начало синтеза - цепи). В цитоплазме на один из концов иРНК (именно на тот, с которого начинался синтез молекулы в ядре) вступает рибосома и начинает синтез полипептида. Молекула тРНК, транспортирующая аминокислоту метионин (тРНК мет), соединяется с рибосомой и прикрепляется к началу цепи иРНК (всегда кодом АУГ). Рядом с первой тРНК (не имеющей никакого отношения к синтезирующему белку) присоединяется вторая тРНК с аминокислотой. Если антикодон тРНК, то между аминокислотами возникает пептидная связь, которую образует определенный фермент. После этого тРНК покидает рибосому (уходит в цитоплазму за новой аминокислотой), а иРНК перемещается на один кодон.

Второй этап - элонгация (удлинения цепи). Рибосома перемещается по молекуле иРНК не плавно, а прерывисто, триплет за триплетом. Третья тРНК с аминокислотой связывается своим антикодоном с кодоном иРНК. При установлении комплементарности связи рибосома делает еще шаг на один «кодон», а специфический фермент «сшивает» пептидной связью вторую и третью аминокислоту - образуется пептидная цепь. Аминокислоты в растущей полипептидной цепи соединяются в той последовательности, в которой расположены шифрующие их кодоны иРНК (рис. 6).

Третий этап - терминация (окончание синтеза) цепи. Происходит при трансляции рибосомой одного из трех «нонсенс-кодонов» (УАА, УАГ, УГА). Рибосомы соскакивают с иРНК, синтез белка завершен.

Таким образом, зная порядок расположения аминокислот в молекуле белка, можно определить порядок нуклеотидов (триплетов) в цепи иРНК, а по ней - порядок пар нуклеотидов в участке ДНК и наоборот, учитывая принцип комплементарности нуклеотидов.

Естественно, что в процессе матричных реакций вследствие каких-либо причин (естественных или искусственных) могут происходить изменения - мутации. Это генные мутации на молекулярном уровне - результат различных повреждений в молекулах ДНК. Генные мутации, происходящие на молекулярном уровне, затрагивают, как правило, один или несколько нуклеотидов. Все формы генных мутаций можно разделить на две большие группы.

Первая группа - сдвиг рамки считывания - представляет собой вставки или выпадения одной или нескольких пар нуклеотидов. В зависимости от места нарушения изменяется то или иное количество кодонов. Это наиболее тяжелые повреждения генов, так как в белок будут включены совершенно другие аминокислоты.

На такие делеции и вставки приходится 80% всех спонтанных генных мутаций.

Наиболее повреждающим действием обладают так называемые нонсенс-мутации, которые связаны с появлением кодонов-терминаторов, вызывающих останов ку синтеза белка. Это может привести к преждевременному окончанию синтеза белка, который быстро деградирует. Результат - гибель клетки или изменение характера индивидуального развития.

Мутации, связанные с заменой, выпадением или вставкой в кодирующей части гена фенотипически проявляются в виде замены аминокислот в белке. В зависимости от природы аминокислот и функциональной значимости нарушенного участка, наблюдается полная или частичная потеря функциональной активности белка. Как правило, это выражается в снижении жизнеспособности, изменении признаков организмов и т. д.

Вторая группа - это генные мутации с заменой пар оснований нуклеотидов. Существуют два типа замены оснований:

1. Транзиция - замена одного пуринового на пуриновое основание (А на Г или Г на А) или одного пиримидинового на пиримидиновое (Ц на Т или Т на, Ц).

2. Трансверсия - замена одного пуринового основания на пиримидиновое или наоборот (А на Ц, или Г на Т, или А на У).

Ярким примером трансверсии является серповидно-клеточная анемия, возникающая из-за наследственного нарушения структуры гемоглобина. У мутантного гена, кодирующего одну из цепей гемоглобина, нарушен всего один нуклеотид, и в иРНК происходит замена аденина на урацил (ГАА на ГУА).

В результате происходит изменение биохимического фенотипа, в цепи гемоглобина глутаминовая кислота заменена на валин. Эта замена изменяет поверхность гемоглобиновой молекулы: вместо двояковогнутого диска клетки эритроцитов становятся похожи на серпы и либо закупоривают мелкие сосуды, либо быстро удаляются из кровообращения, что быстро приводит к анемии.

Таким образом, значимость генных мутаций для жизнедеятельности организма неодинакова:

· некоторые «молчащие мутации» не оказывают влияния на структуру и функцию белка (например, замена нуклеотида, не приводящая к замене аминокислот);

· некоторые мутации ведут к полной потере функции белка и гибели клеток (например, нонсенс-мутации);

· другие мутации - при качественном изменении иРНК и аминокислот ведут к изменению признаков организма;

· и, наконец, некоторые мутации, изменяющие свойства белковых молекул, оказывают повреждающее действие на жизнедеятельность клеток - такие мутаций обусловливают тяжелое течение болезней (например, трансверсии).

1. Объясните последовательность передачи генетической информации: ген - белок - признак.

2. Вспомните, какая структура белка определяет его строение и свойства. Как закодирована эта структура в молекуле ДНК?

3. Что представляет собой генетический код?

4. Охарактеризуйте свойства генетического кода.

7. Реакции матричного синтеза. Транскрипция

Информация о белке записана в виде нуклеотидной последовательности в ДНК и находится в ядре. Собственно синтез белка происходит в цитоплазме на рибосомах. Следовательно, для синтеза белка необходима структура, которая переносила бы информацию от ДНК к месту синтеза белка. Таким посредником является информационная, или матричная, РНК, которая передает информацию с определенного гена молекулы ДНК к месту синтеза белка на рибосомы.

Кроме переносчика информации необходимы вещества, которые обеспечивали бы доставку аминокислот к месту синтеза и определение их места в полипептидной цепи. Такими веществами являются транспортные РНК, которые обеспечивают кодирование и доставку аминокислот к месту синтеза. Синтез белка протекает на рибосомах, тело которых построено из рибосомальных РНК. Значит, необходим еще один вид РНК - рибосомальные.

Генетическая информация реализуется в трех типах реакций: синтезе РНК, синтезе белка, репликации ДНК. В каждом из них информация, заключенная в линейной последовательности нуклеотидов, используется для создания другой линейной последовательности: либо нуклеотидов (в молекулах РНК или ДНК), либо аминокислот (в молекулах белка). Экспериментально было доказано, что именно ДНК служит матрицей для синтеза всех нуклеиновых кислот. Эти реакции биосинтеза носят название матричного синтеза. Достаточная простота матричных реакций и их одномерность позволили подробно изучить и понять их механизм, в отличие от других процессов, протекающих в клетке.

Транскрипция

Процесс биосинтеза РНК на ДНК называется транскрипцией. Этот процесс протекает в ядре. На матрице ДНК синтезируются все виды РНК - информационная, транспортная и рибосомальная, которые впоследствии участвуют в синтезе белка. Генетический код на ДНК в процессе транскрипции переписывается на информационную РНК. В основе реакции лежит принцип комплементарности.

Синтез РНК имеет ряд особенностей. Молекула РНК значительно короче и является копией только небольшого участка ДНК. Поэтому матрицей служит только определенный участок ДНК, где находится информация о данной нуклеиновой кислоте. Вновь синтезированная РНК никогда не остается связанной с исходной ДНК-матрицей, а освобождается после окончания реакции. Процесс транскрипции протекает в три этапа.

Первый этап - инициация - начало процесса. Синтез РНК-копий начинается с определенной зоны на ДНК, которая называется промотором. Эта зона содержит определенный набор нуклеотидов, которые являются старт-сигналами. Процесс катализируется ферментами РНК-полимеразами. Фермент РНК-полимераза соединяется с промотором, раскручивает двойную спираль и разрушает водородные связи между двумя цепями ДНК. Но только одна из них служит матрицей для синтеза РНК.

Второй этап - элонгация. В эту стадию происходит основной процесс. На одной цепи ДНК, как на матрице, по принципу комплементарности выстраиваются нуклеотиды (рис. 19). Фермент РНК-полимераза, шаг за шагом продвигаясь по цепи ДНК, соединяет нуклеотиды между собой, одновременно постоянно раскручивая дальше двойную спираль ДНК. В результате такого движения синтезируется РНК-копия.

Третий этап - терминация. Это завершающая стадия. Синтез РНК продолжается до стоп-сигнала - определенной последовательности нуклеотидов, которая прекращает движение фермента и синтез РНК. Полимераза отделяется от ДНК и синтезированной РНК-копии. Одновременно с матрицы снимается и молекула РНК. ДНК восстанавливает двойную спираль. Синтез завершен. В зависимости от участка ДНК таким способом синтезируются рибосомальные, транспортные, информационные РНК.

Матрицей для транскрипции молекулы РНК служит только одна из цепей ДНК. Однако матрицей двух соседних генов могут служить разные цепи ДНК. Какая из двух цепей будет использоваться для синтеза, определяется промотором, который направляет фермент РНК-полимеразу в том или ином направлении.

После транскрипции молекула информационной РНК эукариотических клеток подвергается перестройке. В ней вырезаются нуклеотидные последовательности, которые не несут информацию о данном белке. Этот процесс называется сплайсингом. В зависимости от типа клетки и стадии развития могут быть убраны разные участки молекулы РНК. Следовательно, на одном участке ДНК синтезируются разные РНК, которые несут информацию о различных белках. Это обеспечивает передачу значительной генетической информации с одного гена, а также облегчает генетическую рекомбинацию.

Рис. 19. Синтез информационной РНК. 1 - цепь ДНК; 2 - синтезируемая РНК

Вопросы и задания для самоконтроля

1. Какие реакции относятся к реакциям матричного синтеза?

2. Что является исходной матрицей для всех реакций матричного синтеза?

3. Как называется процесс биосинтеза иРНК?

4. Какие виды РНК синтезируются на ДНК?

5. Установите последовательность фрагмента иРНК, если соответствующий фрагмент на ДНК имеет последовательность: ААГЦТЦТГАТТЦТГАТЦГГАЦЦТААТГА.

8. Биосинтез белка

Белки являются необходимыми компонентами всех клеток, поэтому наиболее важным процессом пластического обмена является биосинтез белка. Он протекает во всех клетках организмов. Это единственные компоненты клетки (кроме нуклеиновых кислот), синтез которых осуществляется под прямым контролем генетического материала клетки. Весь генетический аппарат клетки - ДНК и разные виды РНК - настроен на синтез белков.

Ген - это участок молекулы ДНК, ответственный за синтез одной молекулы белка. Для синтеза белка необходимо, чтобы определенный ген с ДНК был скопирован в виде молекулы информационной РНК. Этот процесс был рассмотрен ранее. Синтез белка представляет собой сложный многоэтапный процесс и зависит от деятельности различных видов РНК. Для непосредственного биосинтеза белка необходимы следующие компоненты:

1. Информационная РНК - переносчик информации от ДНК к месту синтеза. Молекулы иРНК синтезируются в процессе транскрипции.

2. Рибосомы - органоиды, где происходит синтез белка.

3. Набор необходимых аминокислот в цитоплазме.

4. Транспортные РНК, кодирующие аминокислоты и переносящие их к месту синтеза на рибосомы.

5. АТФ - вещество, обеспечивающее энергией процессы кодирования аминокислот и синтеза полипептидной цепи.

Строение транспортной РНК и кодирование аминокислот

Транспортные РНК (тРНК) представляют собой небольшие молекулы с количеством нуклеотидов от 70 до 90. На долю тРНК приходится примерно 15 % всех РНК клетки. Функция тРНК зависит от ее строения. Изучение структуры молекул тРНК показало, что они свернуты определенным образом и имеют вид клеверного листа (рис. 20). В молекуле выделяются петли и двойные участки, соединенные за счет взаимодействия комплементарных оснований. Наиболее важной является центральная петля, в которой находится антикодон - нуклеотидный триплет, соответствующий коду определенной аминокислоты. Своим антикодоном тРНК способна соединяться с соответствующим кодоном на иРНК по принципу комплементарности.

Рис. 20. Строение молекулы тРНК: 1 - антикодон; 2 - место присоединения аминокислоты

Каждая тРНК может переносить только одну из 20 аминокислот. Значит, для каждой аминокислоты имеется по меньшей мере одна тРНК. Так как аминокислота может иметь несколько триплетов, то и количество видов тРНК равно числу триплетов аминокислоты. Таким образом, общее число видов тРНК соответствует числу кодонов и равно 61. Трем стоп-кодам не соответствует ни одна тРНК.

На одном конце молекулы тРНК всегда находится нуклеотид гуанин (5"-конец), а на другом (3"-конце) всегда три нуклеотида ЦЦА. Именно к этому концу идет присоединение аминокислоты (рис. 21). Каждая аминокислота присоединяется к своей специфической тРНК с соответствующим антикодоном. Механизм этого присоединения связан с работой специфических ферментов - аминоацил-тРНК-синтетазами, которые присоединяют каждую аминокислоту к соответствующей тРНК. Для каждой аминокислоты имеется своя синтетаза. Соединение аминокислоты с тРНК осуществляется за счет энергии АТФ, при этом макроэргическая связь переходит в связь между тРНК и аминокислотой. Так происходит активирование и кодирование аминокислот.

Этапы биосинтеза белка. Процесс синтеза полипептидной цепи, осуществляемый на рибосоме, называется трансляцией. Информационная РНК (иРНК) является посредником в передаче информации о первичной структуре белка, тРНК переносит закодированные аминокислоты к месту синтеза и обеспечивает последовательность их соединений. В рибосомах осуществляется сборка полипептидной цепи.