Транскрипция и трансляция
Удвоение ДНК происходит в синтетическом периоде интерфазы. При этом общее число хромосом не меняется, однако каждая из них содержит к началу деления две молекулы ДНК: это необходимо для равномерного распределения генетического материала между дочерними клетками.
Транскрпиция (лат. transcriptio — переписывание)
Образуется несколько начальных кодонов иРНК.
Нити ДНК последовательно расплетаются, освобождая место для передвигающейся РНК-полимеразы. Молекула иРНК быстро растет.
Трансляция (от лат. translatio — перенос, перемещение)
Рибосома делает шаг, и иРНК продвигается на один кодон: такое в фазу элонгации происходит десятки тысяч раз. Молекулы тРНК приносят новые аминокислоты, соответствующие кодонам иРНК. Аминокислоты соединяются друг с другом: между ними образуются пептидные связи, молекула белка растет.
Примеры решения задачи №1
Без практики теория мертва, так что скорее решим задачи! В первых двух задачах будем пользоваться таблицей генетического кода (по иРНК), приведенной вверху.
«Фрагмент цепи ДНК имеет следующую последовательность нуклеотидов: ЦГА-ТГГ-ТЦЦ-ГАЦ. Определите последовательность нуклеотидов во второй цепочке ДНК, последовательность нуклеотидов на иРНК, антикодоны соответствующих тРНК и аминокислотную последовательность соответствующего фрагмента молекулы белка, используя таблицу генетического кода»
По принципу комплементарности мы нашли вторую цепочку ДНК: ГЦТ-АЦЦ-АГГ-ЦТГ. Мы использовали следующие правила при нахождении второй нити ДНК: А-Т, Т-А, Г-Ц, Ц-Г.
Вернемся к первой цепочке, и именно от нее пойдем к иРНК: ГЦУ-АЦЦ-АГГ-ЦУГ. Мы использовали следующие правила при переводе ДНК в иРНК: А-У, Т-А, Г-Ц, Ц-Г.
Зная последовательность нуклеотидов иРНК, легко найдем тРНК: ЦГА, УГГ, УЦЦ, ГАЦ. Мы использовали следующие правила перевода иРНК в тРНК: А-У, У-А, Г-Ц, Ц-Г. Обратите внимание, что антикодоны тРНК мы разделяем запятыми, в отличие кодонов иРНК. Это связано с тем, что тРНК представляют собой отдельные молекулы (в виде клеверного листа), а не линейную структуру (как ДНК, иРНК).
Пример решения задачи №2
«Известно, что все виды РНК синтезируются на ДНК-матрице. Фрагмент цепи ДНК, на которой синтезируется участок центральной петли тРНК, имеет следующую последовательность нуклеотидов: ТАГ-ЦАА-АЦГ-ГЦТ-АЦЦ. Установите нуклеотидную последовательность участка тРНК, который синтезируется на данном фрагменте, и аминокислоту, которую будет переносить эта тРНК в процессе биосинтеза белка, если третий триплет соответствует антикодону тРНК»
Пример решения задачи №3
Длина фрагмента молекулы ДНК составляет 150 нуклеотидов. Найдите число триплетов ДНК, кодонов иРНК, антикодонов тРНК и аминокислот, соответствующих данному фрагменту. Известно, что аденин составляет 20% в данном фрагменте (двухцепочечной молекуле ДНК), найдите содержание в процентах остальных нуклеотидов.
Теперь мы украсили теорию практикой. Что может быть лучше при изучении новой темы? 🙂
© Беллевич Юрий Сергеевич 2018-2020
Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.
2.5. Биосинтез белка и нуклеиновых кислот. Гены, генетический код
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 1027 лет. А для образования в организме цепочки из 20 аминокислот требуется не более одной секунды — и этот процесс происходит непрерывно во всех клетках тела.
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.
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).
Часть триплетов вовсе не кодирует аминокислоты, а запускает или останавливает биосинтез белка.
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 43 = 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.
Существуют таблицы генетического кода для расшифровки кодонов и-РНК и построения цепочек белковых молекул.
§7. Наследственная информация и генетический код
Вспомните, какое строение имеют белки. От чего зависят структура, форма и свойства белковой мо лекулы? Почему белки каждого организма отличаются друг от друга?
Такие признаки живого, как самовоспроизведение, наследственность и изменчивость проявляется уже на молекулярно-генетическом уровне. Они связаны с определенными органическими веществами и с наследственной (генетической) программой организма.
ДНК и гены. К началу 50-х гг. XX в. ученые предположили, что основная функция генов заключается в определении структуры белков, в первую очередь — белков-ферментов. Многочисленные исследования показали, что в основном превращения веществ в живых системах происходят под контролем ферментов. Поэтому учеными было выдвинуто предположение, которое можно сформулировать так: «один ген — один белок-фермент». Лишь открытие двойной спирали молекулы ДНК позволило выяснить общие принципы процесса передачи генетической информации в живом.
Носителями наследственной информации служат молекулы ДНК. В них хранится информация о строении. свойствах, функциях белков каждой клетки и организма в целом. Участок молекулы ДНК, содержащий информацию о структуре одной молекулы белка-фермента, назвали геном (от греч. генос — род, происхождение). Он и является наследственным фактором любого живого тела природы.
Генетический код. В белках встречаются 20 аминокислот, последовательность которых и определяет структуру и свойства белков. Информация о структуре белка должна быть записана в виде нуклеотидной последовательности на ДНК. Правила перевода последовательности нуклеотидов в нуклеиновой кислоте в аминокислотную последовательность белка называют генетическим кодом (от фран. код —-сборник условных сокращенных обозначений и названий).
Он был расшифрован в 60-х гг. XX в. в результате ряда экспериментов и математических расчетов.
Молекула ДНК состоит из набора четырех нуклеотндов (А, Т, Г, Ц). Если каждой аминокислоте соответствовал бы один нуклеотид, то закодировать можно было бы только 4 аминокислоты. Если предположить, что одна аминокислота кодируется сочетанием из двух нуклеотндов, то в этом случае можно закодировать только 42 = 16 аминокислот. Ученые предположили, что одна аминокислота должна кодироваться тремя нуклеотидами. Такого числа комбинаций более чем достаточно для кодирования 20 аминокислот (рис. 29). Кроме того, одной аминокислоте может соответствовать не одно, а несколько таких сочетаний.
Рис. 29. Правило перевода последовательности нуклеотидов в ДНК в последовательность аминокислот в белке
Генетический код обладает рядом свойств (рис. 30). Код приплетен — каждой аминокислоте соответствует сочетание из 3-х нуклеотндов. Всего таких сочетаний — триплетов (кодонов) — 64. Из них 61 триплет смысловой, т. е. соответствуют 20 аминокислотам, а 3 — бессмысленные стоп-кодоны, которые не соответствуют аминокислотам. Ими заполняются промежутки между генами.
Рис. 30. Некоторые свойства генетического кода
Код однозначен — каждый триплет (кодон) соответствует только одной аминокислоте. Код вырожден (избыточен) — имеются аминокислоты, которые кодируются более чем одним триплетом (кодоном). Чаще аминокислоты имеют 2—3 триплета (кодона).
Код универсален — все организмы имеют одинаковый генетический код, т. е. одни и те же аминокислоты у разных организмов кодируются одинаковыми триплетами (кодонами).
Код непрерывен — внутри гена между триплетами (кодонами) нет промежутков.
Код неперекрываем — конечный нуклеотид одного триплета (кодона) не может служить началом другого.
На определенном участке молекулы ДНК с помощью генетического кода зашифрована аминокислотная последовательность молекулы одного белка. Так как синтез белка происходит в цитоплазме, а молекулы ДНК находятся в ядре, то необходима структура, которая копировала бы последовательность нуклеотидов на ДНК и переносила бы ее к месту синтеза белка. Таким посредником служит информационная РНК.
Кроме переносчика информации необходимы вещества, которые обеспечивали бы доставку соответствующих аминокислот к месту синтеза и определяли их места в полипептидной цепи. Такими веществами являются транспортные РНК. Они не только обеспечивают доставку аминокислот к месту синтеза, но и их кодирование. Синтез белка протекает на рибосомах, для сборки которых необходим еще один вид нуклеиновых кислот — рибосомальные РНК. Следовательно, для реализации наследственной информации в живом на молекулярно-генетическом уровне необходимы молекулы ДНК и все виды РНК.