Рассмотрите рисунки 50-53. Какие химические вещества и клеточные органоиды на них изображены? Вспомните, какая структура белка определяет его строение и свойства. Где закодирована эта информация?
Специфичность каждой клетки определяется набором ее белков. Информация о структуре белков отдельной клетки и всего организма является наследственной. С ней связана способность клеток поддерживать высокую степень упорядоченности своей организации.
Генетическая информация и ДНК. Ген (от греч. genos - род, происхождение) - определенная последовательность нуклеотидов участка в молекуле ДНК, несущий информацию о первичной структуре одного белка (полипептида).
Генетическая информация реализуется в реакциях биосинтеза РНК, белка и редупликации ДНК. В каждой из них информация, заключенная в последовательности нуклеотидов одной молекулы, используется для создания другой последовательности: либо нуклеотидов (в РНК или ДНК), либо аминокислот (в белках). ДНК служит матрицей для синтеза всех РНК - информационной, транспортной и рибосомальной, участвующих в биосинтезе белка. Таким образом, каждая молекула является определенной матрицей для другой молекулы. Матрица - это некая форма, служащая шаблоном для получения множества оттисков, стереотипов. В данном случае на матрице ДНК получаются соответствующие молекулы РНК. Такие процессы с использованием матрицы называются реакциями матричного синтеза.
Генетическая информация записана на ДНК в виде последовательности четырех типов нуклеотидов, содержащих различные азотистые основания - аденин (А), тимин (Т), гуанин (Г), цитозин (Ц), т.е. с помощью четырехбуквенного алфавита. Правила перевода последовательности нуклеотидов в нуклеиновой кислоте в аминокислотную последовательность белка
называется генетическим кодом. Он был расшифрован в 60-х гг. XX в. В результате ряда экспериментов и математических расчетов было определено, что одна аминокислота кодируется тремя нуклеотидами. Число различных сочетаний трех нуклеотидов в молекуле ДНК составляет 43, а генетический код состоит из 64 нуклеотидных триплетов - кодонов (43 = 64), которых с избытком хватает для 20 аминокислот (табл. 7). Генетический код записан с помощью кодо- нов иРНК, так как именно на этих молекулах происходит синтез белка.
Таблица 7
Генетический код (кодоны иРНК)
|
Первое основание
|
Второе основание |
Третье основание - |
|||
|
У |
Ц |
А |
Г |
||
|
У |
Фен |
Сер |
Тир |
Цис |
У |
|
Фен |
Сер |
Тир |
Цис |
ц |
|
|
Лей |
Сер |
Стоп-кодон |
Стоп-кодон |
А |
|
|
Лей |
Сер |
Стоп-кодон |
Три |
Г |
|
|
Ц |
Лей |
Про |
Гис |
Apr |
у |
|
Лей |
Про |
Гис |
Apr |
П |
|
|
Лей |
Про |
Глн |
Apr |
А |
|
|
Лей |
Про |
Глн |
Apr |
Г |
|
|
А |
Иле |
Тре |
Асн |
Сер |
У |
|
Иле |
Тре |
Аен |
Сер |
Ц |
|
|
Иле |
Тре |
Лиз |
Apr |
А |
|
|
Мет |
Тре |
Лиз |
Apr |
Г |
|
|
Г |
Вал |
Ала |
Асп |
Гли |
У |
|
Вал |
Ала |
Асп |
Гли |
ц |
|
|
Вал |
Ала |
Глу |
Гли |
А |
|
|
..... |
Вал |
Ала |
Глу |
Гли |
г |
Свойства генетического кода.
1. Код триплетен - каждой аминокислоте соответствует сочетание из трех нуклеотидов. Всего таких сочетаний 64. Из них 61 - смысловые, т.е. соответствуют аминокислотам, а 3 - бессмысленные (стоп-триплеты). Они не кодируют аминокислоты, а заполняют промежутки между генами.
2. Код однозначен - каждый триплет кодирует только одну аминокислоту.
3. Код вырожден (избыточен) - большинство аминокислот кодируется более чем одним триплетом. Например, аминокислота глицин имеет 4 триплета: ЦЦА, ЦЦГ, ЦЦТ, ЦЦЦ. Аминокислотам соответствуют от 2 до 6 триплетов. Только две аминокислоты (метионин и триптофан) имеют по одному триплету.
4. Код универсален - все организмы на нашей планете имеют один и тот же генетический код для записи последовательности аминокислот.
5. Код неперекрываем - конечный нуклеотид одного триплета не может служить началом другого.
6. Код непрерывен - между триплетами, кодирующими аминокислоты, нет промежутков.
Синтез белка происходит в цитоплазме на рибосомах, а информация о структуре белка (последовательности аминокислот) записана в молекуле ДНК в ядре. Для этих реакций необходима структура, которая переносила бы информацию от ДНК к месту синтеза белка. Это информационная, или матричная, РНК. Кроме того, нужно закодировать и доставить аминокислоты к месту сборки белковой молекулы. Эту роль выполняют транспортные РНК.
Транскрипция. Процесс биосинтеза иРНК на ДНК называют транскрипцией (от лат. transcriptio - переписывание). Она происходит в ядре. Транскрипция осуществляется на участке молекулы ДНК - гене, содержащем информацию о конкретном белке. Синтезируемая РНК является копией этого участка ДНК.
Для начала реакции фермент РНК-полимераза соединяется с определенным участком ДНК и раскручивает двойную спираль, разрушая при этом водородные связи между цепями (рис. 50). Одна из цепей ДНК служит матрицей для синтеза иРНК. На ней по принципу
комплементарности выстраиваются нуклеотиды. Фермент РНК-полимераза, шаг за шагом продвигаясь по цепи ДНК, соединяет нуклеотиды между собой. В результате такого движения синтезируется РНК-копия.
Рис. 50. Синтез информационной РНК: 1 - молекула ДНК; 2 - синтезируемая молекула иРНК; 3 - фермент РНК-полимераза; 4 - нуклеотиды
Процесс синтеза иРНК продолжается до стоп-трип- лета, который прекращает движение фермента и синтез РНК. Фермент и синтезированная иРНК отделяются от ДНК - синтез копии завершен. Молекула ДНК восстанавливает после этого свою двойную спираль. Информационная РНК выходит из ядра в цитоплазму и далее участвует в биосинтезе белка.
Биосинтез белка.
Процесс биосинтеза белка, осуществляемый на рибосоме с помощью информационной РНК, называют трансляцией (от лат. translatif) - передача). Перед началом реакции аминокислоты активируются и кодируются транспортными РНК (рис. 51).
Рис. 51. Активирование и кодирование аминокислоты
В ее центральной петле находится антикодон - нуклеотидный триплет, соответствующий кодону определенной аминокислоты на информационной РНК. Своим антикодоном тРНК способна по принципу комплементарности соединяться с соответствующим кодоном на иРНК. Каждая аминокислота присоединяется к своей специфической тРНК с соответствующим антикодоном. Соединение аминокислоты с тРНК осуществляется с помощью специальных ферментов за счет энергии АТФ.
В цитоплазме синтезированная в процессе транскрипции иРНК соединяется с двумя субъединицами рибосомы. В рибосоме имеются два участка, которые могут удерживать две молекулы тРНК с аминокислотой и растущей полипептидной цепью соответственно. По принципу комплементарности первая тРНК с аминокислотой соединяется своим антикодоном с кодоном на иРНК показывается в первом участке рибосомы. Образуется комплекс: рибосома, иРНК, тРНК с аминокислотой (рис. 52). Далее начинается сборка полипептидной цепи. Каждая следующая тРНК с аминокислотой соединяется антикодом с кодоном и РНК. Рибосома передвигается на один триплет. Первая тРНК — аминокислота перемещается во второй участок, а ее место занимает следующая тРНК с аминокислотой. Две аминокислоты сближаются друг с другом, между ними возникает пептидная связь, и образуется дипептид.
Рис. 52. Общая схема биосинтеза белка
Рибосома передвигается вновь на один триплет, первая тРНК освобождается и покидает рибосому. Вторая тРНК с дипептидом перемещается на ее место во второй участок. В рибосому входит третья тРНК с аминокислотой, которая далее соединяется с дипептидом и образуется трипептид. Процесс повторяется. Каждый этап сопровождается расщеплением АТФ и выделением энергии, необходимой для движения рибосомы, иРНК и биосинтеза полипептидной цепи.
Рис. 53. Полирибосома, или полисома: I — схема: 1 - молекула информационной РНК; 2 - субъединицы рибосомы; 3 - синтезируемая полипептидная цепь; 4 - синтезированный белок; II — электронная микрофотография
Как только на иРНК начинаются стоп-кодоны синтез прекращается. Рибосома снимается с иРНК и распадается на две субъединицы. Последняя тРНК также освобождается, а синтезированный полипептид поступает в каналы ЭПС или цитоплазму, где претерпевает изменения и приобретает соответствующие молекуле белка структуры.
Процесс трансляции на одной иРНК обычно осуществляется многократно. Одна иРНК соединяется с несколькими рибосомами, образуя полирибосому, или полисому (рис. 53). На ней одновременно идет синтез многих молекул одного белка.
Ген, генетическая информация, матричный синтез; генетический код и его свойства: триплетность, однозначность, вырожденность (избыточность ), универсальность, неперекрываемость, непрерывность; транскрипция, трансляция, антикодон, полирибосома (полисома).
1. Объясните последовательность передачи наследственной информации: ген - белок. 2. Что такое генетический код? Охарактеризуйте его свойства. 3. Какие виды РНК синтезируются на ДНК? Как называется этот процесс? 4. Опишите процесс трансляции. 5. Каким образом в клетке синтезируются одновременно несколько молекул одного и того же белка? 6. Используя таблицу генетического кода, определите фрагмент иРНК, антикодоны тРНК и аминокислотный состав фрагмента полипептидной цепи, если участок гена на ДНК имеет следующую нуклеотидную последовательность: ГАТГАЦАГГАТГЦЦТГТЦТГТ- ТЦААГГГ АЦТЦАТТ.