Основные положения:
• ДНК переносит генетическую информацию, в которой закодирована последовательность всех клеточных белков.
• Информация может переноситься и в клеточных структурах которые также наследуются.
В каждой живой клетке двойная спираль ДНК несет основную наследственную информацию. У бактерий и архей все информационные последовательности обычно расположены в одной хромосоме. У эукариот почти все гены находятся в ядерных хромосомах, и небольшое количество информационных последовательностей локализовано в митохондриях и хлоропластах (у растений).
ДНК также может являться генетическим материалом вирусов, однако у некоторых вирусов таковым служит РНК. У всех вирусов генетический материал окружен белковой оболочкой. Конечно, вирусы не являются живыми организмами, однако при инфицировании клетки их генетический аппарат функционирует таким же образом, как и у клетки-хозяина.
Клетки также способны хранить информацию, которая не закодирована в последовательностях ДНК. Такой способ наследования называется эпигенетической наследственностью. Формально этим термином описывается ситуация, когда две клетки имеют различный фенотип, хотя последовательности их ДНК в локусе, ответственном за проявление фенотипа, идентичны.
Примером эпигенетического эффекта является поведение белка, вызывающего заболевание коровьего бешенства. На рисунке ниже показано, что белок PrP может или находиться в простой растворимой форме, или принимать конформацию, при которой он образует крупные агрегаты. Образование этих агрегатов является причиной развития заболевания.
Они способны к самовоспроизведению, поскольку под их воздействием вновь синтезированные молекулы PrP принимают конформацию, способствующую агрегации. Аналогичные эффекты обнаружены в дрожжах, и, таким образом, эпигенетическое наследование является достаточно широко распространенной формой передачи наследственной информации. Во всех этих случаях фенотип определяется скорее наличием предсуществующих белковых агрегатов, а не последовательностью гена, кодирующего данный белок.
Мы не знаем, нужна ли клетке информация, заложенная в форме, отличной от последовательности нуклеотидов в ДНК Если бы смогли считать последовательности ДНК, кодирующие все белки, оказались бы они способны к взаимодействию с образованием всех клеточных структур и функций? Если нет, то какова природа информации, которая позволяет клетке образоваться только из уже существующей клетки?
Необходимы ли некие предсуществующие матрицы, на которых в дальнейшем собираются все структуры клетки (Важным фактором является локализация клеточных структур)?
PrP существуют в растворимой форме или приобретают альтернативную конформацию, способную к агрегации.
Под влиянием агрегатов вновь синтезированнные молекулы PrP начинают приобретать конформацию, благоприятствующую агрегации.
Редактор: Искандер Милевски. Дата обновления публикации: 18.3.2021
— Вернуться в содержание раздела «генетика» на нашем сайте
Механизм хранения и реализации наследственной информации
Воспроизводство себе подобных и наследование признаков осуществляются с помощью наследственной информации, которая хранится и передается с помощью нуклеиновых кислот – ДНК и РНК. Мономерами нуклеиновых кислот являются нуклеотиды – соединения, в состав которых входит:
1) азотистое основание.Различают два вида азотистых оснований: пуриновые (аденин и гуанин) и пиримидиновые (урацил, тимин, цитозин). В состав ДНК входят аденин, гуанин, тимин и цитозин. В РНК вместо тимина находится сходное по строению азотистое основание урацил;
2) пятичленный углевод (пентоза). В составе рибонуклеотидов имеется сахар рибоза, а в дезоксирибонуклеотиды входит углевод дезоксирибоза;
3) остаток фосфорной кислоты.
Нуклеотиды ДНК и РНК связаны между собой ковалентными связями и образуют полинуклеотидные цепи. Молекула РНК обычно одночепочечная, исключение составляют РНК некоторых вирусов. Молекула ДНК состоит из двух цепей. Особенностью строения ДНК является то, что одна цепь полностью комплементарна второй цепи. Это связано с комплементарностью (взаимодополнением, взаимным структурным соответствием, рис. 13) азотистых оснований: аденина и тимина (А и Т), гуанина и цитозина (Г и Ц). Комплементарные цепи образуют водородные связи, идут в противоположных направлениях (антипараллельны) и закручены одна вокруг другой (рис. 14).
Рис. 13. Комплементарность азотистых оснований ДНК.
Генетическая информация, содержащаяся в нуклеиновых кислотах, проявляется в образовании белков, которые делают возможным строение живого организма. Белки – полимеры, состоящие из мономеров – аминокислот (азотсодержащих органических соединений). В составе живых организмов имеется 20 аминокислот, образующих белки, но за счет большого количества звеньев белковой цепи (мономеров) число различных белков превышает сотни тысяч. Белки выполняют разнообразные функции в организме: ферментативную, защитную, структурную, двигательную, транспортную, энергетическую, запасающую и др.
Читайте также: Термо фломастер для ткани
Каждой аминокислоте, входящей в белок, соответствует определенный набор из нуклеотидов — так называемый «триплет». Реализация многообразной информации о свойствах организма осуществляется путем синтеза различных белков согласно генетическому коду (совокупности триплетов, соответствующих аминокислотам). Участок молекулы ДНК, служащий матрицей для синтеза одного белка, называют геном.
Процесс воспроизведения и реализации генетической информации путем синтеза белка состоит из трех этапов: репликации, транскрипции, трансляции. Репликация — это удвоение молекулы ДНК, необходимое для последующего деления клеток. В основе способности клеток к самовоспроизведению лежат уникальное свойство ДНК самокопироваться и строго равноценное деление репродуцированных хромосом при митозе. После этого клетка может делиться на две идентичные. В ходе репликации ДНК распределяется на две цепи, а затем из нуклеотидов, находящихся в матриксе ядра, формируется вдоль каждой цепи еще одна цепь, ей комплементарная (рис. 15).
Вторая часть процесса воспроизводства — транскрипция — представляет собой синтез одноцепочечной молекулы информационной РНК (и-РНК) на матрице ДНК. Информационная РНК — копия части молекулы ДНК, одного или группы рядом лежащих генов, несущих информацию о структуре белков, необходимых для выполнения одной функции). Информационная РНК представляет собой своего рода посредника в передаче генетической информации из ядра (от ДНК) в цитоплазму (на рибосомы), где осуществляется синтез белка. Транскрипция также идет по принципу комплементарности, но при синтезе РНК вместо комплементарного аденину тимина в цепь встраивается урацил (рис. 16).
Рис. 15. Схема репликации ДНК.
Рис. 16. Схема транскрипции.
Третья часть процесса воспроизводства — трансляция — это синтез белка на рибосомах (рис. 17). В процессе трансляции участвует РНК трех типов:
1) информационная (или матричная) РНК (иРНК, мРНК) поставляет информацию о последовательности аминокислот в белке;
2) рибосомальная РНК (рРНК) входит в состав рибосом в комплексе с белками;
3) транспортная РНК (тРНК) связывает аминокислоты и доставляет их к месту синтеза белка. В строении тРНК выделяют антикодоновую петлю, на которой расположен особый триплет – антикодон, комплементарный триплетам (кодонам) иРНК, и акцепторный стебель, к которому крепятся те аминокислоты, которые, согласно генетическому коду, соответствуют данному кодону. Поэтому процесс трансляции также идет по принципу комплементарности.
Таким образом, процесс передачи наследственной информации у большинства организмов идет по направлению: ДНК→РНК→белок.
Рис. 17. Схема реализации наследственной информации путем транскрипции и трансляции.
Вопросы для самоконтроля:
1. Перечислите уровни организации живой материи.
2. Какие положения включает в себя клеточная теория?
3. Приведите сравнительную характеристику клеток эукариот и прокариот.
4. В чем сходство в строении митохондрия и хлоропластов?
5. Каково биологическое значение мейоза?
6. Сравните химический состав и структуру ДНК и РНК.
7. В чем проявляется принцип комплементарности? Для каких процессов он характерен?
Биология
Генетическая информация
Население Земли составляет более 7,6 млрд.человек, но найти одинаковых людей просто невозможно. Каждый человек обладает уникальными особенностями, которые сформировались в процессе его развития. У любого организма есть свой генотип, состоящий из определенного набора генов, которые определяют свойства организма или признаки.Все эти факторы являются решающими при формировании и развитии живых существ.
Носителем генетической информации считаются нуклеиновые кислоты. Подробно мы с ними знакомились в 5 уроке «Химический состав клетки».
На молекуле ДНК осуществляется хранение генетической информации, которая записана на ней в виде последовательности нуклеотидов.
Определенный участок ДНК, который выполняет функцию хранения генетической информации,получил название ген.
Информация о синтезе определенного вида белков записана на ДНК в виде сообщений, закодированных последовательностью нуклеотидов. Такие зашифрованные сообщения получили название генетического кода организма.
Генетический код разных организмов обладает рядом общих свойств. Остановимся подробнее на каждом из них.
1. Триплетность – каждая аминокислота кодируется сочетанием из трех расположенных нуклеотидов, получивших название кодон или триплет. Соответственно, единицей генетического кода будет триплет.
Читайте также: Футболка из влагоотводящей ткани
Мы уже знаем, что генетическая информация организма записана на молекуле ДНК посредством сочетания четырех нуклеотидов – аденин (А), гуанин (Г), цитозин (Ц), тимин (Т). Нетрудно посчитать, что число возможных комбинаций из четырех нуклеотидов по три составит 64, этого сочетания вполне достаточно для кодирования 20 аминокислот, входящих в состав белка. Вспомнить строение белка вам поможет урок 5 «Химический состав клетки». В настоящее время установлены кодоны для всех известных аминокислот и составлена таблица генетического кода. В следующем пункте остановимся подробнее на правилах пользования данной таблицы и решении задач по расшифровке генетического кода.
2. Код является множественным, или «вырожденным», в таком случае одна и та же аминокислота способна шифроваться несколькими триплетами. Избыточность генетического кода имеет значение для повышения надежности передачи генетической информации.
Специфичность генетического кода заключается в том, что каждый триплет шифрует только одну аминокислоту.
4. Код считается неперекрывающимся, при этом один и тот же нуклеотид не способен содержаться в составе двух рядом расположенных триплетов.
5. В генетическом коде отсутствуют запятые, то есть если произойдет выпадение одного нуклеотида, его место займет ближайший нуклеотид из соседнего кодона, благодаря чему изменится весь порядок считывания. Данный сбой приводит к появлению различных мутаций на генном уровне. Однако, молекула ДНК весьма длинная и складывается из миллионов нуклеотидных пар, поэтому генетическая информация о структуре белка должна быть разграничена. И действительно, существуют триплеты-инициаторы синтеза белковой молекулы и триплеты, которые прекращают синтез белка. Данные кодоны служат своеобразными знаками препинания генетического кода.
6. Нуклеотидный код является единым для всех живых организмов, в этом проявляется его универсальность. Это свойство кода считается убедительным доказательством общности происхождения живой природы.
Из всего вышесказанного можно сделать вывод о том, что такое генетической информации.
Генетической информации присущи определенные свойства:
Решение задач по расшифровке генетического кода
В молекулярной биологии широко используется таблица генетического кода. Ее применяют для определения последовательности аминокислот в белке.
Используя таблицу для расшифровки генетического кода, следует вспомнить сокращенные названия аминокислот, которые нам понадобятся при решении задач.
Рассмотри алгоритм действий при решении задач на определение генетического кода.
1. Разделим участок молекулы ДНК на отдельные триплеты: ААГ – ЦТТ – ТГЦ – ЦАГ.
2. Первый триплет начинается с аденина А ищем его в первом горизонтальном столбце. Учитываем, что нуклеотиды ДНК расположены в таблице генетического кода в скобках. Второе основание тоже аденинА расположен во втором горизонтальном столбце. Третье основание – гуанин Г, расположен в последнем столбце таблицы генетического кода. На пересечении столбцов мы находим необходимую аминокислоту – Фен, используя таблицу сокращений аминокислот, узнаем, что это фенилаланин.
3. Таким же способом определяем аминокислоты ещё для трех триплетов.
В итоге получаем для триплета ЦТТ – глутаминовая кислота, ТГЦ кодирует треонин, а ЦАГ – валин. Тогда у нас получилась следующая последовательность аминокислот: Фен – Глу – Тре – Вал. Соответственно, из данного отрезка молекулы ДНК образуется белок, состоящий из полученной последовательности аминокислот. Биосинтез белка сложный, многоступенчатый процесс, который рассмотрим в следующем пункте.
Биосинтез белка
Структура любого белка зашифрована в ДНК, которая не участвует в его биосинтезе. Данная молекула работает лишь матрицей для создания иРНК. Впервые в живых организмах мы сталкиваемся с реакциями матричного синтеза. Для неживой природы такие процессы не характерны. Такие реакции происходят очень быстро и точно. Рассмотрим их на примере сборки белковой молекулы.
Биосинтез белка происходит на рибосомах, пребывающих в большей степени в цитоплазме. Значит, с целью передачи генетической информации с ДНК к зоне формирования белка требуется проводник. В качестве его выступает иРНК.
Биосинтез белка включает в себя два последовательных этапа. Остановимся подробнее на каждой из этих стадий — транскрипции и трансляции белка.
1. Непосредственно образованию белка предшествует матричный синтез иРНК, который именуется транскрипция.
Установлено, что РНК синтезируется в ядре клетки на одной из цепочек ДНК согласно принципу комплиментарности. Подробно описан данный принцип в 5 уроке «Химический состав клетки».
Читайте также: Клея спрей для ткани
Процесс транскрипции белка совершается никак не на целой молекуле ДНК, а только на небольшой ее зоне. Активная роль здесь отводится ферменту РНК-полимераза, которая способствует формированию РНК и распознает «знаки препинания». Транскрипция РНК, нужной с целью формирования белка, происходит в несколько последовательных этапов.
Сначала при содействии ферментов разрываются водородные связи в азотистых основаниях цепочки ДНК. В результате этого нити ДНК разъединяются. В этом месте начинается процесс транскрипции РНК – передача данных с ДНК, необходимых в синтезе определенного белка. Фермент перемещается по цепи ДНК и связывает между собой нуклеотиды в увеличивающуюся цепь иРНК. При биосинтезе белка транскрипция способна совершаться синхронно на некоторых генах одной хромосомы, а также на генах, размещенных на разных хромосомах. В следствие обмена генетической информацией формируется иРНК с последовательностью нуклеотидов, являющихся верной копией матрицы ДНК.
Синтезированная в ядре иРНК отделяется от своей матрицы и через поры ядерной оболочки поступает в цитоплазму, где прикрепляется к малой субъединице рибосом.
На специальных генах формируются и два других типа РНК – тРНК и рРНК. Начало и конец синтеза всех типов РНК строго зафиксирован специальными триплетами, выполняющими функцию «знаков препинания».
2. Вторым этапом синтеза белка считается трансляция. Проистекают данные реакции в рибосомах, куда доставляется информация о структуре белка на иРНК. Процесс трансляции заключается в переносе и реализации генетической информации в виде синтеза белка.
Зрелые молекулы иРНК, попав в цитоплазму, присоединяются к рибосомам и затем постепенно протягиваются через ее тело. В каждый момент биосинтеза белка в клетке внутри рибосомы находится незначительный участок иРНК.
Аминокислоты доставляются в рибосомы различными тРНК, которых в клетке несколько десятков.
Трансляция белка наступает со стартового кодона АУГ. Из этой зоны всякая рибосома прерывисто, триплет за триплетом, перемещается по иРНК, что сопровождается увеличением полипептидной цепочки. Количество аминокислот в белке соответствует числу триплетов иРНК.
Встраивание аминокислот исполняется при содействии тРНК – главных агентов биосинтеза белка в организме.
Цепь тРНК своей конфигурацией напоминает листик клевера. На вершине размещается особенный триплет – антикодон, который прикрепляется согласно принципу комплиментарности к конкретному кодону иРНК.
Рассмотрим последовательность ключевых процессов данного этапа биосинтеза белка.
Молекула тРНК, несущая первостепенную аминокислоту, подходит к рибосоме и примыкает антикодоном к комплиментарному ей триплету. Впоследствии к данной рибосоме присоединяется второй комплекс из тРНК и аминокислоты. В итоге между аминокислотами зарождается пептидная связь.
Первая тРНК, сбросив аминокислоту, оставляет рибосому. Затем к сформировавшейся цепочке прикрепляется третья аминокислота, доставленная в рибосому собственной тРНК, потом четвертая и так далее.
Течение биосинтеза белка не прекращается вплоть до тех пор, пока рибосома не достигнет одного из трех стоп-кодонов – УАА, УАГ или УГА.
На этом образование данной белковой цепочки прекращается, а иРНК под действием ферментов распадаются на нуклеотиды.
Всякий этап биосинтеза белка ускоряется подходящим ферментом и снабжается энергией за счет расщепления АТФ.
Большую роль в транспорте белка после его биосинтеза играет эндоплазматическая сеть. Образовавшиеся белки поступают в ее каналы, по которым перемещаются к определенным участкам клетки.
Синтез белковых молекул протекает непрерывно и с большой скоростью: в одну минуту образуется примерно 50-60 тысяч пептидных связей. Синтез одной молекулы длится всего 3-4 секунды.
Для сравнения можно привести пример синтезированного искусственно белка инсулина. Эта молекула состоит из 51 аминокислотного остатка, а для его синтеза потребовалось провести около 5000 операций. В этой работе принимали участие 10 человек в течении трех лет. Как видите, в лабораторных условиях синтез белка требует огромных усилий, времени и средств.
В результате биосинтеза половина белков нашего тела обновляются за 80 дней. За всю свою жизнь человек обновляет весь свой белок около 200 раз.
Синтез белка характерен только для живых существ, значит, является основным отражением свойств живого.
- Свежие записи
- Балкон в многоквартирном доме: является ли он общедомовым имуществом?
- Штраф за остекление балкона в 2022: что это и как избежать наказания
- Штраф за мусор с балкона: сколько заплатить за выбрасывание окурков
- Оформление балконного окна: выбираем шторы из органзы
- Как выбрать идеальные шторы для маленькой кухни с балконом