Репликация, транскрипция, трансляция

Репликация – синтез дочерней молекулы ДНК на матрице родительской молекулы ДНК, который происходит в процессе деления клетки.

Спиральные цепи в молекуле ДНК соединяются водородными связями. Они очень слабые и легко разрываются. Цепи расходятся, и каждая их них служит матрицей, на которой с помощью особых ферментов собирается соответствующая ей новая спиральная цепь. В результате получаются две дочерние молекулы ДНК. В каждой из них одна нить происходит из материнской молекулы, а другая синтезирована по комплементарному принципу – по принципу соответствия.

Репликация[46]

На рисунке представлен процесс репликации ‒ передача наследственной информации при делении клетки. Связи между азотистыми основаниями водородные. Они весьма слабые, легко разрываются и легко образуются, что очень важно в биохимических процессах. Итак, водородные связи разрываются, ветви молекулы ДНК расходятся. Обратим внимание на самую верхнюю строчку с основаниями, к которым уже присоединились комплементарные (10 строчка снизу). До разрыва связей на том месте соединялись цитозин С и гуанин G. После разрыва связей слева к основанию цитозин С присоединился гуанин G, а к противоположному концу справа к гуанину G присоединился цитозин С. Таким образом на месте одной пары C ‒ G образовались две точно такие же пары. Теперь обратим внимание на самую нижнюю строчку. До разрыва связей в том месте соединялись тимин Т и аденин А. После разрыва водородных связей и разделения ветвей слева к тимину Т присоединился аденин А, а справа к аденину А присоединился тимин Т. Таким образом, вместо одной пары Т ‒ А образовались две такие же пары. Такая точность копирования определяется принципом комплементарности. Впоследствии к азотистым основаниям присоединяются остатки фосфорной кислоты и сахар дезоксирибоза. Так из одной молекулы ДНК появляются две аналогичные молекулы.

Транскрипция – синтез молекулы РНК на матрице ДНК. Другими словами, это перенос генетической информации с ДНК на РНК.

Нити молекулы ДНК разделяются, и одна из них служит матрицей, на основании которой строится молекула РНК. В этой новой молекуле азотистые основания соответствуют основаниям молекулы-матрицы. Например, если в молекуле ДНК на определенном месте находится аденин, то в стоящейся молекуле РНК ему соответствует тимин. А поскольку между основаниями существует взаимно однозначное соответствие (аденин соответствует тимину, гуанин соответствует цитозину), то это и означает перенос информации с одной молекулы на другую. Та нить ДНК, которая служит матрицей для синтеза РНК, называется смысловой. Вторая нить ДНК не кодирует белки и поэтому называется некодирующей, или бессмысленной. Синтез нити РНК на молекуле ДНК осуществляет фермент РНК-полимераза. Он синтезирует до 50 нуклеотидов в секунду.

Транскрипция[47]

На рисунке показан процесс транскрипции ‒ перенос генетической информации с ДНК на РНК. Ветви молекулы ДНК разделились. К одиночным азотистым основаниям присоединяются основания, комплементарные им. Таким образом, информация о последовательности азотистых оснований, идущих вдоль кодирующей ветви ДНК, передается на молекулу РНК. Правда, на РНК это уже будет последовательность не оснований, идущих вдоль ветви ДНК, а оснований, комплементарных им.

Трансляция – синтез белка на матрице иРНК при участии рибосом.

Белок синтезируется, т.е. составляется из отдельных аминокислот, в специальных органеллах ‒ органах клетки. Они называются рибосомами. Тело рибосомы складывается из рибосомальных РНК.

Итак, в процессе транскрипции информационная РНК с матрицы молекулы ДНК копирует информацию о последовательности аминокислот в конкретном белке. Она проходит сквозь поры ядра и входит в рибосому. В свою очередь, транспортные РНК несут с собой аминокислоты и движутся к рибосомам. Причем, каждый вид тРНК предназначен для переноса определенной аминокислоты. Как и в жизни: легковые машины возят людей, самосвалы – щебень, грузовики – мешки с картошкой. На одном конце транспортной РНК находится аминокислота, на другом – антикодон. В рибосоме антикодон транспортной РНК соединяется с соответствующим кодоном информационной РНК, и аминокислота остается в рибосоме. К ней будет прикрепляться другая аминокислота, причем, в той последовательности, в какой находится соответствующий кодон информационной РНК. Таким образом, последовательность аминокислот в цепочке внутри рибосомы будет повторять последовательность кодонов информационной РНК, а значит, и последовательность кодонов в ДНК.

Схема сборки белка[48]

На рисунке представлен процесс трансляции ‒ сборка белка с помощью рибосом. Слева изображена молекула ДНК. Обратим внимание на левую ветвь. На ней закодирована информация, какие аминокислоты и в какой последовательности должны соединяться на определенном участке белка. Молекула РНК в процессе транскрипции копирует информацию: кодону ААА соответствует кодон UUU, кодону GCG ‒ кодон CGC, кодону ATG ‒ кодон UAC. Кодоны последовательно располагаются на молекуле информационной РНК в соответствии с их расположением в молекуле ДНК. Информационная РНК проходит сквозь поры ядерной мембраны и входит в рибосому. Транспортные РНК, на которых прикреплены соответствующие аминокислоты, собирают их в цепочку. К кодону UUU в молекуле информационной РНК присоединяется транспортная РНК, у которой на одном конце находится антикодон ААА, комплементарный кодону UUU, несущий фенилаланин (в таблице аминокислоту следует искать по кодону иРНК, а не по антикодону тРНК). Информационная РНК продвигается по рибосоме. Теперь на очереди кодон CGC. К нему присоединяется транспортная РНК с антикодоном GCG на одном конце и аргинином на другом. Аргинин прикрепляется к фенилаланину. Наконец, наступает очередь кодона UAC. К нему подстраивается транспортная РНК с антикодоном AUG и тирозином, который становится третьим компонентом строящегося белка. Таким образом, аминокислоты на данном участке молекулы белка выстроились в соответствии с информацией, которая была записана в молекуле ДНК.

Молекула ДНК выполняет три основные функции.

1. Хранение наследственной информации. Порядок расположения кодонов в молекуле ДНК определяет порядок расположения аминокислот в молекуле белка, т.е. его первичную структуру. Организмы различаются между собой составом белков. Именно белки определяют свойства клеток и всего организма. Поэтому молекулы ДНК, в которых заключена вся информация о белках, содержат информацию о всех свойствах и признаках организма.

2. Передача наследственной информации следующему поколению. Эта передача осуществляется в процессе репликации.

3. Передача наследственной информации из ядра в цитоплазму. Этот процесс называется транскрипцией.

Различные виды РНК играют различную роль в процессе трансляции – в синтезе белков.

1. Транспортные РНК доставляют аминокислоты к месту сборки белков – в рибосому.

2. Информационная РНК содержит информацию о последовательности аминокислот в белке.

3. Рибосомальные РНК участвуют в сборке белка из отдельных аминокислот на основе иРНК.

Важнейшее открытие биологии XX века – универсальность генетического кода. Оно шокировало ученых. Оказывается генетический код один для всех живых организмов на Земле: и для человека, и для цветка, и для мельчайшей бактерии.

Генетический код – универсальный, т.е. един для всех живых организмов на Земле.

Единство генетического кода ‒ важнейший аргумент в пользу утверждения, что все живые существа на Земле объединяет единый путь эволюции.

Важнейшие положения темы № 8 «Кодирование и воспроизводство

биологической информации»

В живых клетках человека можно найти около 70 химических элементов таблицы Менделеева. Углерод – основа жизни. Органические вещества – это соединения углерода. Практически все химические реакции в клетке протекают в водной среде, и без воды были бы невозможны.

Белки – высокомолекулярные органические вещества, состоящие из аминокислот, соединенных в цепочку. В состав белков, из которых состоят живые существа на Земле, входят 20 аминокислот. Выделяют четыре уровня структуры белка. Ферменты – белки, которые ускоряют ход химических реакций в клетке. Каждый фермент предназначен только для одной-единственной реакции.

Важнейшие процессы, происходящие в клетках живых существ, связаны с передачей генетической информации. В них участвуют два вида нуклеиновых кислот ‒ дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновая кислота (РНК). ДНК представляет собой биополимер, мономером которого является нуклеотид. В состав каждого нуклеотида входят остаток фосфорной кислоты, соединенный с сахаром дезоксирибозой, который соединен с азотистым основанием. Азотистых оснований в молекуле ДНК четыре вида: аденин, тимин, гуанин и цитозин. Азотистые основания одной цепи соединяются с азотистыми основаниями другой цепи согласно принципу комплементарности, или соответствия.

Принцип комплементарности. В молекуле ДНК аденин соединяется только с тимином, гуанин – только с цитозином.

Молекула рибонуклеиновой кислоты (РНК) тоже является биополимером. Каждый мономер молекулы РНК содержит остаток фосфорной кислоты, сахар рибозу и азотистое основание. Причем, три азотистых основания такие же, как в молекуле ДНК, – аденин, гуанин и цитозин, но вместо тимина в молекуле РНК присутствует близкий ему по строению урацил. РНК – одноцепочечная молекула. В зависимости от строения и выполняемой функции различают три вида молекул РНК. Транспортные РНК переносят аминокислоты к месту синтеза белка в рибосому. Рибосомальная РНК образует рибосомы – органеллы, в которых происходит синтез белков. Информационная РНК переносит информацию о структуре белка от ДНК рибосоме.

Информация о последовательности аминокислот в белке кодируется с помощью языка нуклеотидов. 20 аминокислот кодируются нуклеотидами, объединенными в тройки, – кодоны, или триплеты. Кодон (триплет) – тройка нуклеотидов, кодирующая аминокислоту.

Генетический код ‒ таблица соответствия кодонов аминокислотам.

Генетический код обладает следующими свойствами. Каждая аминокислота кодируется более чем одним кодоном (от 2 до 6 кодонов на одну аминокислоту). Каждый кодон соответствует только одной аминокислоте.

Ген – участок молекулы ДНК, служащий матрицей для синтеза одного белка.

Нуклеиновые кислоты участвуют в трех важнейших процессах, протекающих в клетках: репликации, транскрипции и трансляции.

Репликация – синтез дочерней молекулы ДНК на матрице родительской молекулы ДНК, который происходит в процессе деления клетки.

Транскрипция – синтез молекулы РНК на матрице ДНК. Другими словами, это перенос генетической информации с ДНК на РНК.

Трансляция – синтез белка на матрице информационной РНК при участии рибосом.

Молекула ДНК выполняет три основные функции: хранение наследственной информации о структуре белков, передача наследственной информации следующему поколению в процессе репликации, передача наследственной информации из ядра в цитоплазму в процессе транскрипции.

Генетический код – универсальный, т.е. един для всех живых организмов на Земле.

Единство генетического кода ‒ важнейший аргумент в пользу утверждения о том, что все живые существа на Земле объединяет единый путь эволюции.

Вопросы для самоконтроля

1. Что такое клетка?

2. Как была открыта клетка?

3. В чем заключается основное положение клеточной теории?

4. Какую существенную ошибку совершили Матиас Шлейден и Теодор Шванн в своей клеточной теории?

5. Какой фундаментальный вывод клеточной теории сделал Рудольф Вирхов?

6. Какую серьезную ошибку в клеточной теории допустил Рудольф Вирхов?

7. Какие организмы называются эукариотами?

8. Что представляют собой археи?

9. В чем проявляется, прежде всего, различие между клетками?

10. Что позволяет углероду быть основой жизни?

11. Что такое белок?

12. Перечислите уровни структуры белка.

13. Что такое денатурация?

14. Что такое фермент?

15. Что представляет собой молекула ДНК?

16. Сформулируйте принцип комплементарности.

17. Перечислите виды молекул РНК и их основные функции.

18. В чем заключаются различия между молекулами ДНК и РНК?

19. Что такое кодон?

20. Что такое генетический код?

21. Какими свойствами обладает генетический код?

22. Что такое ген?

23. Что такое репликация?

24. Опишите процесс репликации.

25. Что такое транскрипция?

26. Опишите процесс транскрипции.

27. Что такое трансляция?

28. Опишите процесс трансляции.

29. Какие функции выполняет молекула ДНК?

30. Что означает универсальность генетического кода?

Контрольные вопросы

1. Какая особенность в строении углерода делает его важнейшим элементов в живых организмах?

2. Какие физические свойства воды делают ее важнейшим веществом в живых организмах?

3. Для чего люди разогревают пищу?

4. Какую роль играют водородные связи в биохимических процессах?

5. Почему в молекуле ДНК аденин не может соединяться с цитозином, а гуанин – с тимином?

6. Почему молекула ДНК перед делением клетки скручивается и, соединяясь с белком гистоном, превращается в хромосому?

7. Почему хромосома в период между клеточными делениями раскручивается?

Литература к семинару по теме № 8 «Кодирование и воспроизводство

биологической информации»

Основная литература

Данилова В. С., Кожевников Н. Н. Основные концепции современного естествознания. М., Аспект Пресс, 2001. С. 114 – 118, 122 – 128.

Дубнищева Т. Я. Концепции современного естествознания. М., ИВЦ «Маркетинг»; Новосибирск, ЮКЭА, 2000. С. 564 – 589, 657 – 682.

Лихин А. Ф. Концепции современного естествознания. М., Проспект, 2004. С. 194 – 203.

Дополнительная литература

Карпенков С. Х. Концепции современного естествознания. М., Культура и спорт, ЮНИТИ, 1997. С. 303 – 311.

Рузавин Г. И. Концепции современного естествознания. М., Культура и спорт, ЮНИТИ, 1999. С. 164 – 171.

Методические рекомендации для подготовки к семинару по теме № 8 «Кодирование и воспроизводство биологической информации»

Гормоны. Важно обратить внимание на то, что в организме человека имеются две системы управления: нервная система и гормональная система. Следует отметить, что гормоны являются белками. Количество некоторых гормонов в организме настолько ничтожно, что все человечество вырабатывает их всего лишь в количестве нескольких граммов в день. Однако практически ни один процесс в организме без гормонов не обходится. Важно отметить, что гормоны переносятся кровью.

Рассказывая про гормоны, интересно привести некоторые исторические факты. Например, о том, как наблюдательность одного служителя викария[49] помогла сделать открытие: гормон инсулин, снижающий уровень сахара в крови, вырабатывается поджелудочной железой. Другой интересный исторический факт повествует об удивительной интуиции Юлия Цезаря. Он, разумеется, ничего не знал про гормоны адреналин и норадреналин ‒ гормоны, вызывающие соответственно страх и агрессию, расширяющие и сужающие кровеносные сосуды. Но в его лучших легионах служили солдаты, которые при виде врага краснели, а не бледнели.

История исследования структуры молекулы ДНК. В результате длительных исследований в первой половине XX века ученые пришли к выводу о том, что носителями генетической информации являются нуклеиновые кислоты, а не белки. В этом открытии выдающую роль сыграли опыты Фредерика Гриффита в 1928 году, Альфреда Херши и Марты Чейз в 1952 году. Важно подчеркнуть, что ученые пришли к выводу: чтобы понять, как ДНК управляет клеткой, надо выяснить структуру этой молекулы. Исследования Эрвина Чаргаффа 1950 – 1953 годов позволили сформулировать принцип комплементарности. Но решающие исследования провела в 1952 – 1953 годах Розалинд Франклин, работающая под руководством Мориса Уилкинса, когда она исследовала образцы ДНК с помощью рентгеноструктурного анализа. Точку в понимании структуры молекулы ДНК поставили генетик Джеймс Уотсон и физик Фрэнсис Крик. Но следует обратить внимание: ученый мир поразила даже не изящная модель самой молекулы, а гениальная догадка Уотсона и Крика о том, как после разделения ДНК на две ветви исходная структура в точности может восстанавливаться, образуя две молекулы.

Любопытно рассказать, что именно Георгий Антонович Гамов догадался, что кодировать аминокислоты должны кодоны – тройки азотистых оснований. Тот самый Гамов, который разработал гипотезу Большого взрыва.