В первой четверти XX в. было показано, что элементарные наследуемые признаки обусловлены материальными единицами наследственности - генами, локализованными в хромосомах, где они располагаются последовательно друг за другом в линейном порядке. На этой основе Т. X. Морганом была разработана хромо­сомная теория наследственности, за что он получил в 1933 г. Нобе­левскую премию по физиологии и медицине «за открытия, свя­занные с ролью хромосом в наследственности».

Ученые пытались определить и «продукты» деятельности генов, т. е. те молекулы, которые синтезируются в клетках под их контролем. В работах Эфрусси, Бидла и Татума накануне второй мировой войны была выдвинута идея о том, что гены продуцируют белки, но для этого ген должен хранить инфор­мацию для синтеза определенного белка (фермента). Сложный механизм реализации информации, заключенной в ДНК, и ее перевода в форму белка был раскрыт лишь в 60-е годы прош­лого века.

ГЕНЕТИЧЕСКИЙ КОД .Представление о том, что в гене закодирована информация о первичной структуре белка, было изложено Ф. Криком в его ги­потезе последовательности, согласно которой последовательность структурных элементов гена определяет последовательность амино­кислотных остатков в синтезируемой полипептидной цепи. Автор гипотезы предполагал, что код, скорее всего триплетен, что коди­рующая единица представлена тремя парами оснований ДНК, рас­положенными в определенной последовательности. Действительно, четыре пары оснований ДНК: А-Т, Т-А, Г-Ц, Ц-Г - могут за­кодировать лишь 4 аминокислоты, если допустить, что каждая пара соответствует одной аминокислоте. Известно, что белки со­стоят из 20 основных аминокислот. Если предположить, что каж­дой аминокислоте соответствуют две пары оснований, то мож­но закодировать 16 аминокислот (4 2). Этого также недостаточно. При триплетности же кода из четырех пар оснований можно со­ставить 64 кодона (4 3), и этого более чем достаточно для кодиро­вания 20 аминокислот. Экспериментальные доказательства того, что генетический код триплетен, были опубликованы в 1961 г. (Ф. Крик и др.). В этом же году на V Международном биохими­ческом конгрессе в Москве М. Ниренберг и Дж. Маттей сообщили о расшифровке первого кодона (УУУ - кодона для фенилаланина) и, что ещё более важно, предложили метод определения соста­ва кодонов в бесклеточной системе белкового синтеза.

Сразу возникли два вопроса: является ли код перекрывающим­ся и вырожден ли код?

Если бы кодоны перекрывались, то замена одной пары основа­ний приводила бы к замене сразу двух или трех аминокислот в синтезируемом белке. В действительности этого не происходит, и генетический код считают неперекрывающимся.

Код является вырожденным, так как почти каждая аминокисло­та связана с более чем одним кодоном, которые определяют их расстановку в первичной структуре синтезируемой полипептид­ной цепи. Только две аминокислоты - метионин и триптофан - связаны с единичными кодонами - АУГ и УГГ соответственно. Расстановку каждой из трех аминокислот - аргинина, лейцина и серина - в первичной структуре полипептидной цепи определяют шесть кодонов и т. д. (см. табл. 3.2).

К числу особенностей генетического кода относится также его универсальность (он в основном одинаков для всех живых организ­мов). Однако обнаружены и исключения из этого правила. В 1981 г. было завершено определение полной нуклеотидной последователь­ности митохондриальной ДНК человека, содержащей 16 569 нуклеотидных пар. Полученные результаты свидетельствуют о том, что митохондриальные геномы высших и низших эукариот, коди­рующие примерно один и тот же набор функций, характеризуютсяразличиями в смысловом значении некоторых кодонов, правилах антикодон-кодонового узнавания и общей структурной организа­ции. Так, оказалось, что в отличие от обычного универсального кода кодон АУА вместо изолейцина кодирует метионин, а трипле­ты АГА и АГГ являются не аргининовыми кодонами, а сигналами терминации. трансляции; триптофан кодируется как триплетом УГГ, так и триплетом УГА, который обычно выполняет функцию терминаторного кодона.

В генетическом коде разные кодоны одной аминокислоты, т. е. кодоны-синонимы, почти всегда находятся в одном и том же квадрате и отличаются друг от друга по последнему из трех нуклеотиду (исключение составляют лишь кодоны аргинина, серена и лейцина, имеющих по шесть кодонов, которые не могут размес­титься в одном квадрате, где помещаются всего четыре кодона). Генетический код имеет линейный порядок считывания и характеризуется колинеарностью , т. е. совпадением порядка расположения кодонов в мРНК с порядком расположения аминокислот синтезирующейся полдипептидной цепи.

СИНТЕЗ БЕЛКА В КЛЕТКЕ . Воспроизведение и действие генов связаны с матричными процессами: синтезом макромолекул- ДНК, РНК, белков. Выше уже рассматривалась репликация как процесс, обеспечивающий воспроизведение генетической информации. Современная теория гена- достижение молекулярной генетики - всецело опирается на успехи биохимии в изучении матричных процессов. И напротив, метод генетического анализа вносит существенный вклад в изучение матричных процессов, которые сами находятся под ге­нетическим контролем. Рассмотрим действие гена, обеспечивающего транскрипцию, или синтез РНК, и трансляцию, или синтез белка.

Транскрипция ДНК , Это - перенос генетической информации закодированной в последовательности пар нуклеотидов, с двуце­почечной молекулы ДНК на одноцепочечную молекулу РНК. При этом матрицей для синтеза РНК служит только одна цепь ДНК, называемая смысловой.

В транскрипции, как и в других матричных процессах, различают три стадии: инициацию, элонгацию и терминацию. Фермент, осуществляющий этот процесс, называют ДНК-зависимой РНК-полимеразой или просто РНК~полимеразой; при этом полимеризация полирибонуклеотида (РНК) происходит в направлении от 5"- к З"-концу растущей цепи.

Синтез ферментов и других белков, необходимых для жизнедеятельности и развития организмов, происходит в основном на первой стадии интерфазы, до начала репликации ДНК.

В результате транскрипции наследственная информация, записанная в ДНК гена, точно транскрибируется (переписывается) в нуклеотидную последовательность мрак. Синтез мРНК начинается с участка инициации транскрипции, называемого промото­ром. Промотор расположен перед геном и включает в себя около 80 пар нуклеотидов (у вирусов и бактерий этот участок соответ­ствует примерно одному витку спирали ДНК и включает около 10 пар нуклеотидов). В нуклеотидных последовательностях промоторов часто встречаются пары AT, поэтому их называют также ТАТА-последовательностями.

Транскрипция осуществляется с помощью ферментов РНК-полимераз. У эукариот известны три типа РНК-полимераз: I - от­ветственен за синтез рРНК, II - за синтез мРНК; III -за синтез тРНК и низкомолекулярной рРНК - 5S РНК.

РНК-полимераза прочно связывается с промотором и разъеди­няет нуклеотиды комплементарных цепей. Затем этот фермент начинает двигаться вдоль гена (молекулы ДНК) и по мере разъе­динения цепей ведет на одной из них (смысловой) синтез мРНК, присоединяя согласно принципу комплементарно аденин к тимину, урацил к аденину, гуанин к цитозину и цитозин к гуани­ну. Те участки ДНК, на которых полимераза образовала мРНК, вновь соединяются, а синтезируемая молекула мРНК постепенно отделяется от ДНК. Окончание синтеза мРНК определя-ется участком остановки транскрипции -- терминатором. Нуклеотидные последовательности промотора и терминатора узнаются специальными белками, регулирующими активность РНК-полимеразы.

Перед выходом из ядра к начальной части мРНК (5"-концу) присоединяется остаток метилированного гуанина, называемый «колпачком», а к концу мРНК (З"- концу) - около 200 остатков адениловой кислоты. В таком виде зрелая мРНК проходит через ядерную мембрану в цитоплазму к рибосоме и соединяется с ней. Полагают, что у эукариот «колпачок» мРНК участвует в связыва­нии ее с малой субъединицей рибосомы.

Трансляция мРНК. Это синтез белка на рибосомах, направляе­мый матрицей мРНК. При этом информация переводится с четы­рехбуквенного алфавита нуклеиновых кислот на двадцатибуквенный алфавит аминокислотных последовательностей полипептид­ных цепей.

В этом процессе различают три стадии.

Активация свободных аминокислот - обра­зование аминоациладенилатов в результате взаимодействия амино­кислот с АТФ под контролем ферментов, специфичных для каж­дой аминокислоты. Эти ферменты - аминоацилтРНКсинтета-зы - участвуют и в следующей стадии.

Аминоацилирование тРНК - присоединение амино­кислотных остатков к тРНК путем взаимодействия тРНК и комп­лекса аминоацил-тРНК-синтетазы с аминоациладенилатами. При этом каждый аминокислотный остаток присоединяется к своему специфическому классу тРНК.

Собственно трансляция, или полимеризация ами­нокислотных остатков с образованием пептидных связей.

Таким образом, при трансляции последовательность расположе­ния нуклеотидов в мРНК переводится в соответствующую, строго упорядоченную последовательность расположения аминокислот в молекуле синтезируемого белка. В процессе трансляции участвуют мРНК, рибосомы, тРНК, аминоацил-тРНК-синтетазы.

Сигналом инициации трансляции у про- и эукариот служит кодон АУТ, если он расположен в начале мРНК. В этом случае его «узнает» специализированная инициирующая формилметиониновая (у бак­терий) или метиониновая (у эукариот) тРНК. В остальных случаях кодон АУГ «читается» как метиониновый. Сигна­лом инициации может также служить кодон ГУГ. Это взаимо­действие происходит на рибосоме в ее аминоацильном центре (А-центре), располагающемся преимущественно на малой субъеди­нице рибосомы.

Взаимодействие кодона АУГ информационной РНК, малой субъединицы рибосомы и формилметионил-тРНК образует ком­плекс инициации. Суть этого взаимодействия заключается в том, что к кодону АУГ на мРНК присоединяется своим антикодом.

УАЦ тРНК, захватившая и несущая молекулу аминокислоты метионина (у бактерий инициаторной является тРНК, которая пе­реносит формилметионин). Затем к этому комплексу, состо­ящему из малой субъединицы рибосомы (30S*), мРНК и тРНК, присоединяется большая субъединица рибосомы (50S*). В ре­зультате образуется полностью собранная рибосома, включаю­щая одну молекулу мРНК и инициаторную тРНК с амино­кислотой. В рибосоме имеются аминоацилъный и пептидилъный центры.

Первая аминокислота (метионин) сначала попадает в аминоацильный центр. В процессе присоединения большей субъеди­ницы рибосомы мРНК продвигается на один кодон, тРНК из аминоацильного центра перемещается в пептидильный центр. В аминоацильный центр поступает следующий кодон мРНК, ко­торый может соединиться с антикодоном следующей аминоацил-тРНК. С этого момента начинается вторая стадия трансля­ции - элонгация, в ходе которой многократно повторяется цикл присоединения молекул аминокислот к растущей полипептид­ной цепи. Так, в аминоацильный центр рибосомы поступает в соответствии с кодоном информационной РНК вторая молекула тРНК, несущая очередную аминокислоту. Эта тРНК своим анти­кодоном соединяется с комплементарным кодоном мРНК. Сразу же при помощи пептицилтрансферазы предшествующая амино­кислота (метионин) соединяется своей карбоксильной группой (СООН) с аминогруппой (NH 2) вновь доставленной аминокис­лоты. Между ними образуется пептидная связь. При этом выделяется молекула воды:

В результате мРНК, доставившая метионин, освобождается, а в аминоацильном центре к тРНК оказывается присоединенным уже дипептид. Для дальнейшего осуществления процесса элон­гации должен быть освобожден аминоацильный центр, что и происходит.

В результате процесса трансляции комплекс дипептидил-тРНК продвигается из аминоацильного центра в пептидильный. Это происходит благодаря перемещению рибосомы на один кодон при участии фермента транслоказы и белкового фактора элон­гации. Освободившаяся тРНК и кодон мРНК, который был связан с ней, выходят из рибосомы. Следующая тРНК доставля­ет в освободившийся аминоацильный центр аминокислоту в со­ответствии с поступившим туда кодоном. Эта аминокислота при помощи пептидной связи соединяется с предыдущей. При этом рибосома продвигается еще на один кодон, и процесс повторяется до тех пор, пока в аминоацильный центр не посту­пит один из трех терминирующих кодонов (нонсенс-кодонов), т. е. УАА, УАГ или У ГА.

После поступления в аминоацильный центр рибосомы терми­нирующего кодона наступает третий этап синтеза полипептида - терминация. Она начинается с присоединения к терминирующему кодону мРНК одного из белковых факторов терминации, что при­водит к блокированию дальнейшей элонгации цепи. Терминация синтеза приводит к освобождению синтезированной полипептид­ной цепи и субъединиц рибосомы, которые после освобождения диссоциируют и могут принять участие в синтезе следующей полипептидной цепи,

Весь процесс трансляции сопровождается расщеплением моле­кул ГТФ (гуанозинтрифосфата), причем необходимо участие до­полнительных белковых факторов, специфичных для процессов инициации (факторов инициации), элонгации (факторов элонга­ции) и терминации (факторов терминации). Эти белки не являют­ся интегральной частью рибосомы, а присоединяются к ней на определенных этапах трансляции. В общих чертах процесс транс­ляции одинаков у всех организмов.

Процесс синтеза белка очень сложен. Кроме упомянутых, его протекание обеспечивают много других ферментов. У E . coli от­крыто около 100 генов, которые контролирую синтез полипеп­тидов и образование разных элементов, входящих в аппарат трансляции. Поскольку молекула мРНК оказывается достаточно длинной, к ней может присоединиться несколько рибосом. В каж­дой из рибосом, связанных с одной молекулой мРНК, идет синтез одних и тех же молекул белка, однако этот синтез находится на разных стадиях, что определяется тем, какая из них раньше и ка­кая позже вступила в связь с молекулой мРНК. По мере того как рибосома продвигается вдоль мРНК (от ее 5"- к З"- концу), инициирующий участок цепи высвобождается, на нем происходитсборка следующего активного рибосомного комплекса, и на той же матрице снова начинается синтез полипептида. При взаимо­действии нескольких активных рибосом с одной молекулой мРНК образуется полирибосома, или полисома.

Образующиеся при синтезе белка полипептидные цепи претер­певают посттрансляционные преобразования и в дальнейшем вы­полняют свои специфические функции. Первичная структура по­липептида определяется последовательностью расположения в нем аминокислот. Полипептидные цепи самопроизвольно формируют определенную вторичную структуру, которая определяется приро­дой боковых групп аминокислотных остатков (α-спираль, склад­чатый β- слой, случайный клубок). Все эти и другие структурные особенности определяют некоторую фиксированную трехмерную конфигурацию, которую называют третичной (или пространст­венной) структурой полипептида, отражающей по сути дела способ укладки данной полипептидной цепи в трехмерном пространстве.

Белки могут состоять из одной или нескольких полипептидных цепей. Во втором случае их называют олигомерными белками. Для них характерна определенная четвертичная структура. Под этим термином подразумевают общую конфигурацию белка, возникшую при ассоциации всех входящих в ее состав полипептидных цепей. В частности, структурная модель человеческого гемоглобина вклю­чает в себя две α-цепи и две β-цепи, которые связаны между собой и образуют четвертичную белковую структуру.

Точность полипептидного синтеза зависит от правильности образования системы водородных связей между кодонами и антикодонами. До замыкания очередной пептидной связи с помощью рибосом осуществляется проверка правильности образования пары кодон - антикодон. Прямое свидетельство в пользу активной ро­ли рибосом в контроле комплементарности кодон-антикодоновой связи - обнаружение мутаций, изменяющих рибосомные белки и таким образом влияющих на точность трансляции. Вопрос о мута­циях будет рассмотрен в главе 6.

СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЙ ПЕРЕНОС ГЕНЕТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ. РЕПЛИКАЦИЯ РНК .Известны три вида процессов, в рамках которых осуществляет­ся специализированный перенос генетической информации. Один из них - перенос информации от РНК к РНК - удается зафикси­ровать только в клетках, зараженных вирусами, генетический ма­териал которых представлен РНК. Это, в частности, вирус табач­ной мозаики и многие другие вирусы растений, РНК-содержащие бактериофаги и некоторые другие вирусы животных, такие, как полиовирусы. Эти вирусные геномные РНК, одноцепочечные или двухцепочечные, несут гены, кодирующие специфические РНК-репликазы, которые по РНК-матрице могут синтезировать комп­лементарные молекулы РНК. Они в свою очередь могут служить матрицами для синтеза аналогичным способом копий родитель­ских цепей РНК. Перенос генетической информации от РНК к РНК также основан на принципе комплементарное оснований в ро­дительской и дочерней цепях РНК.

Обратная транскрипция. Данный вид специализированного пе­реноса генетической информации не от ДНК к РНК, а наоборот от РНК к ДНК, обнаружен в клетках животных, инфицированных вирусами определенного типа. Это особый тип РНК-содержащих вирусов, называемых ретровирусами. В настоящее время установ­лено, что еще один тип вирусов - ДНК-содержащий вирус гепа­тита В в своем развитии также использует перенос информации от РНК к ДНК.

Ретровирусы содержат молекулы одноцепочечной РНК, при этом каждая вирусная частица имеет две копии РНК-генома, т. е. вирусы этого типа являются единственной известной разно­видностью диплоидных вирусов. Впервые они были обнаружены по способности вызывать образование опухолей у животных. Пер­вый вирус этого типа был описан в 1911г. Пептоном Раусом, об­наружившим инфекционную саркому у кур.

После проникновения РНК ретровируса в клетку хозяина ви­русный геном подвергается обратной транскрипции. При этом сна­чала образуется дуплекс РНК- ДНК, а затем двухцепочечная ДНК. Эти этапы предшествуют экспрессии вирусных генов на уровне белков и образованию РНК-геномов.

Фермент, катализирующий комплементарное копирование РНК с образованием ДНК, называется обратной транскриптазой. Он содержится в ретровирусных частицах (вирионах) и активизирует­ся после попадания вируса в клетку и разрушения его липидно-гликопротеиновой оболочки.

Появляется все больше данных о том, что обратная транскрип­ция происходит и в самых разных эукариотических клетках, а об­ратная транскриптаза играет важную роль в процессах перестрой­ки генома.

Обратные транскриптазы ретровирусов - это по существу ДНК-полимеразы, которые могут использовать in vitro в качестве матри­цы ДНК. Однако гораздо эффективнее они работают на РНК. Как и все ДНК-полимеразы, обратные транскриптазы не способны инициировать синтез новых цепей ДНК. Но если синтез уже инициирован с помощью праймерной РНК или 3"-концевого уча­стка ДНК, то фермент эффективно осуществляет синтез, ис­пользуя цепь ДНК как матрицу.

Ретровирусы оказались очень полезным инструментом совре­менных генно-инженерных исследований. Они служат источни­ком для получения практически чистой обратной транскриптазы - фермента, играющего важнейшую роль в многочисленных работах, основанных на клонировании эукариотических генов. Так, очищенную индивидуальную мРНК, кодирующую интересующий исследователя белок, как правило, выделить гораздо легче, чем фрагмент ДНК генома, кодирующий этот белок. Затем с помощью обратной транскриптазы можно получить ДНК-копию этой мРНК и встроить ее в подходящую плазмиду для клонирования и выра­ботки значительных количеств нужной ДНК.

Трансляция ДНК. Третий вид специализированного переноса генетической информации от ДНК непосредственно к белку уда­лось наблюдать только в лаборатории in vitro. В этих условиях не­которые антибиотики, в частности стрептомицин и неомицин, взаимодействующие с рибосомами, могут так изменять их свой­ства, что рибосомы начинают использовать в качестве матрицы вместо мРНК одноцепочечную ДНК, с которой последователь­ность оснований непосредственно переводится в аминокислотную последовательность синтезируемого полипептида.

Процесс биосинтеза белка осуществляется на рибосомах, а хранителем генетической информации является ДНК- Для передачи информации с ДНК, нахо -дящейся в ядре, к месту синтеза белка требуется посредник. Его роль выполняет информационная (матричная) РНК, которая синтезируется на одной из цепей молекулы ДНК по принципу комплементарности.

Таким образом, реализация наследственной информации в клетке осуществляется в два этапа: сначала информация о структуре белка копируется с ДНК на иРНК (транскрипция), а затем реализуется на рибосоме в виде конечного продукта — белка (трансляция). Это можно представить в виде схемы:

Транскрипция. Переписывание наследственной информации с ДНК на иРНК называется транскрипцией (от лат. транскрипцио — переписывание). Этот процесс происходит следующим образом.

На определенном участке молекулы ДНК происходит разъединение комплементарных цепей. Вдоль одной из цепей (ее называют транскрибируемой цепью) начинает движение фермент РНК-полимераза.

в) генетический код

РНК-полимераза синтезирует из нуклеотидов молекулу иРНК, при этом транскрибируемая цепь ДНК используется в качестве матрицы (рис. 65). Полученная иРНК комплементарна участку транскрибируемой цепи ДНК, значит, порядок нуклеотидов в иРНК строго определен порядком нуклеотидов в ДНК Например, если участок транскрибируемой цепи ДНК имеет последовательность нуклеотидов А Ц Г Т Г А, то соответствующий участок молекулы иРНК будет иметь вид У Г ЦАЦУ (обратите внимание, что в состав нуклеотидов РНК вместо тимина входит урацил). Таким образом, в результате транскрипции генетическая информация переписывается с ДНК на иРНК

Транскрипция может происходить одновременно на нескольких генах одной хромосомы и на генах, расположенных в разных хромосомах.

Поскольку в одной молекуле ДНК содержится множество генов, очень важно, чтобы РНК-полимераза начинала синтез иРНК со строго определенного участка ДНК- Поэтому в начале каждого гена находится особая специфическая последовательность нуклеотидов, называемая промотором. РНК-полимераза распознает промотор, взаимодействует с ним и начинает синтез цепочки иРНК с нужного места. Фермент синтезирует иРНК, присоединяя к ней новые нуклеотиды, пока не дойдет до особой последовательности нуклеотидов в молекуле ДНК — терминатора. Эта последовательность нуклеотидов указывает на то, что синтез иРНК нужно прекратить.

У прокариот синтезированные молекулы иРНК могут сразу же взаимодействовать с рибосомами и участвовать в синтезе белков. У эукариот иРНК синтезируется в ядре. Там она взаимодействует со специальными ядерными белками и переносится через поры в ядерной мембране в цитоплазму.

На специальных генах синтезируются и два других типа РНК: тРНК и рРНК

Трансляция. Процесс синтеза белка из аминокислот, происходящий на рибосомах, называется трансляцией (от лат. трансляцио — перевод). В ходе трансляции осуществляется перевод последовательности нуклеотидов молекулы иРНК в последовательность аминокислот молекулы белка. Иными словами, «язык» нуклеотидов переводится на «язык» аминокислот.

В цитоплазме обязательно должен быть полный набор аминокислот, необходимых для синтеза белков. Эти аминокислоты образуются в результате расщепления белков, получаемых организмом с пищей, или синтезируются в самом организме.

Информационная РНК связывается с малой субъединицей рибосомы, после этого присоединяется большая субъединица (рис. 66).

Синтез белка начинается со стартового кодона АУТ. Так как этот триплет кодирует аминокислоту метионин, то все белки (за исключением особых случаев) будут начинаться с остатка метионина. Отщепление этого остатка у большинства белков происходит позднее, в ходе созревания белковой молекулы.

Начиная со стартового кодона, молекула иРНК последовательно, триплет за триплетом, продвигается через рибосому, что сопровождается ростом полипеп-тидной цепочки. Соединение аминокислот в нужную последовательность (в соответствии с кодонами иРНК) осуществляется на рибосомах при участии транспортных р н к

Благодаря специфическому расположению комплементарных нуклеотидов молекула тРНК, как уже отмечалось, имеет форму, напоминающую лист клевера (рис. 67). У каждой тРНК имеется акцепторный конец, к которому присоединяется определенная аминокислота, предварительно активированная энергией АТФ. Для активации одной аминокислоты необходимо расщепить одну молекулу АТФ.

В противоположной части молекулы тРНК находится специфический триплет — ант и кодон, ответственный за прикрепление по принципу комплемен-тарности к соответствующему триплету иРНК (кодону).

Молекула тРНК с присоединенной активированной аминокислотой благодаря антикодону комплементарно связывается с соответствующим кодоном иРНК Таким же образом к следующему кодону иРНК прикрепляется вторая тРНК с активированной аминокислотой. Между двумя аминокислотами возникает пептидная связь, после чего первая тРНК освобождается от аминокислоты и покидает рибосому.

После этого иРНК сдвигается на один триплет, а в рибосому проникает следующая молекула тРНК с аминокислотой. В результате к образованному дипептиду присоединяется третья аминокислота и иРНК сдвигается еще на один триплет. Так происходит наращивание полипептид-ной цепочки.

Процесс трансляции продолжается до тех пор, пока в рибосому не попадет один из трех стоп-кодонов:

УАА, УАГ или УГА, после чего синтез белка прекращается и рибосома распадается на две субъединицы.

Все описанные реакции происходят очень быстро. Подсчитано, что синтез крупной молекулы белка осуществляется приблизительно за 1 —2 мин.

Каждый этап биосинтеза белка катализируется соответствующими ферментами и снабжается энергией за счет расщепления АТФ.

Молекула иРНК может связываться одновременно с несколькими рибосомами. Комплекс из иРНК и рибосом (от 5—6 до нескольких десятков) называется пол и сомой. Образование полисом повышает эффективность функционирования иРНК, так как позволяет одновременно осуществлять синтез нескольких одинаковых молекул белка.

Если синтез белка происходил на рибосомах, связанных с шероховатой ЭПС, то образовавшаяся полипептидная цепь сначала оказывается внутри полости эндоплазматической сети, а затем транспортируется в комплекс Гольджи. В этих органоидах происходит созревание белка — формирование вторичной, третичной и четвертичной структуры, присоединение к белковой молекуле небелковых компонентов и др. Если синтез белка осуществлялся на свободных рибосомах, расположенных в гиалоплазме, то синтезированная белковая молекула транспортируется в нужную часть клетки, где и приобретает соответствующую структуру.

Таким образом, генетическая информация, которая содержится в ДНК, в результате процессов транскрипции и трансляции реализуется в клетке в виде молекул белков. Синтез белка обеспечивается взаимодействием всех типов РНК: рРНК является главным структурным компонентом рибосом, иРНК — носителем информации о первичной структуре белка, тРНК доставляют на рибосому аминокислоты, а также обеспечивают их правильное включение в полипептид-ную цепь.

Биосинтез РНК (транскрипция) и биосинтез белка (трансляция) осуществляются с использованием матриц — ДНК и иРНК соответственно. Поэтому, так же как и репликация, процессы транскрипции и трансляции являются реакциями матричного синтеза.

1. Какие процессы относятся к реакциям матричного синтеза?

Брожение, трансляция, транскрипция, фотосинтез, репликация.

2. Что такое транскрипция? Как протекает этот процесс?

3. Какой процесс называется трансляцией? Охарактеризуйте основные этапы трансляции.

4. Почему при трансляции в состав белка включаются не любые аминокислоты в случайном порядке, а только те, которые закодированы триплетами иРНК, причем в строгом соответствии с последовательностью этих триплетов? Как вы думаете, сколько видов тРНК участвует в синтезе белков в клетке?

5. Реакции матричного синтеза следует относить к процессам ассимиляции или диссимиляции? Почему?

6. Участок транскрибируемой цепи ДНК имеет следующий порядок нуклеотидов: ТАЦТГГАЦАТАТТАЦААГАЦТ. Установите последовательность аминокислотных остатков пептида, закодированного этим участком.

7. Исследования показали, что в молекуле иРНК 34% от общего числа азотистых оснований приходится на гуанин, 18 % — на урацил, 28 % — на цитозин и 20 % — на аденин. Определите процентный состав азотистых оснований двуцепочечного участка ДНК, одна из цепей которого служила матрицей для синтеза данной иРНК.

8. В эритроцитах млекопитающих синтез гемоглобина может происходить еще в течение нескольких дней после утраты этими клетками ядер. Как вы можете это объяснить?

Глава 1. Химические компоненты живых организмов

• § 1. Содержание химических элементов в организме. Макро- и микроэлементы
• § 2. Химические соединения в живых организмах. Неорганические вещества

Глава 2. Клетка - структурная и функциональная единица живых организмов

• § 10. История открытия клетки. Создание клеточной теории
• § 15. Эндоплазматическая сеть. Комплекс Гольджи. Лизосомы

Глава 3. Обмен веществ и преобразование энергии в организме

• § 24. Общая характеристика обмена веществ и преобразование энергии

Глава 4. Структурная организация и регуляция функций в живых организмах

Принципиально важным свойством генетической информации является ее способность к переносу (передаче) как в пределах одной клетки, так и от родительской клетки к дочерним либо между клетками разных индивидуумов в процессах клеточного деления и размножения организмов. Что касается направлений внутриклеточного переноса генетической информации, то в случае ДНК-содержащих организмов они связаны с процессами репликации молекул ДНК, т.е. с копированием информации (см. подразд. 1.2), либо с синтезом молекул РНК (транскрипцией) и образованием полипептидов (трансляцией) (рис. 1.14). Как известно, каждый из указанных процессов осуществляется на основе принципов матричности и комплементарности.

Сложившиеся представления о переносе генетической информации по схеме ДНК → РНК → белок принято называть «центральной догмой» молекулярной биологии. Наряду с этим (наиболее распространенным) направлением переноса, который иногда обозначают как «общий перенос», известна и другая форма реализации генетической информации («специализированный перенос»), обнаруженная у РНК-содержащих вирусов. В этом случае наблюдается процесс, получивший название обратной транскрипции, при котором первичный генетический материал (вирусная РНК), проникший в клетку-хозяина, служит матрицей для синтеза комплементарной ДНК с помощью фермента обратной транскриптазы (ревертазы), кодируемой вирусным геномом. В дальнейшем возможна реализация информации синтезированной вирусной ДНК в обычном направлении. Следовательно,

Рис. 1.14. Основные направления внутриклеточного переноса генетической информации

специализированный перенос генетической информации осуществляется по схеме РНК → ДНК → РНК → белок.

Транскрипция является первым этапом общего переноса генетической информации и представляет собой процесс биосинтеза молекул РНК по программе ДНК. Принципиальный смысл этого процесса состоит в том, что информация структурного гена (либо нескольких расположенных рядом генов), записанная в форме нуклеотидной последовательности кодирующей нити ДНК в ориентации 3"→ 5", переписывается (транскрибируется) в нуклеотидную последовательность молекулы РНК, синтезируемой в направлении 5" → 3" на основе комплементарного соответствия дезоксирибонуклеотидов матричной нити ДНК рибонуклеотидам РНК (А-У, Г-Ц, Т-А, Ц-Г) (рис. 1.15). В качестве продуктов транскрипции (транскриптов) можно рассматривать все типы молекул РНК, участвующих в биосинтезе белков в клетке, - матричные (информационные) РНК (мРНК, или иРНК), рибосомные РНК (рРНК), транспортные РНК (тРНК), малые ядерные РНК (мяРНК).

Процесс транскрипции обеспечивается комплексным действием ряда ферментов, к числу которых относится РНК-полимераза, представляющая собой сложный белок, состоящий из нескольких субъединиц и способный выполнять несколько функций. В отличие от прокариот (бактерий), в клетках которых имеется РНК-полимераза лишь одного типа, обеспечивающая синтез разных молекул РНК, у эукариот установлено наличие ядерных РНК-полимераз трех типов (I, II, III), а также РНК-полимераз клеточных органелл, содержащих ДНК (митохондрий, пластид). РНК-полимераза I находится в ядрышке и участвует в синтезе большинства молекул рРНК, РНК-полимераза II обеспечивает синтез мРНК и мяРНК, а РНК-полимераза III осуществляет синтез тРНК и одного варианта молекул рРНК.

Транскрипция подразделяется на три основные стадии - инициацию (начало синтеза РНК), элонгацию (удлинение полинуклеотидной цепочки) и терминацию (окончание процесса).

Рис. 1.15. Синтез молекулы РНК на матричной нити ДНК. Стрелкой показано направление, в котором идет рост цепи РНК

Инициация транскрипции зависит от предварительного специфического связывания РНК-полимеразы с узнаваемой ею короткой нуклеотидной последовательностью в участке молекулы ДНК (промоторе), расположенном перед стартовой точкой структурного гена, с которой начинается синтез РНК. Промоторы разных структурных генов могут быть идентичными либо содержат отличающиеся друг от друга последовательности нуклеотидов, что, вероятно, определяет эффективность транскрибирования отдельных генов и возможности регуляции самого процесса транскрипции (см. также подразд. 1.6). Промоторы многих генов прокариот имеют в своем составе универсальную последовательность 5"-ТАТААТ-3" (блок Прибнова), которая располагается перед стартовой точкой на расстоянии порядка 10 нуклеотидов и распознается РНК-полимеразой. Другая относительно часто встречающаяся узнаваемая последовательность этих организмов (5"-ТТГАЦА-3") обычно обнаруживается на расстоянии примерно 35 нуклеотидов от стартовой точки. В геномах эукариот функцию узнавания для РНК-полимеразы II могут выполнять универсальные последовательности ТАТА (блок Хогнесса), ЦААТ и состоящие из повторяющихся нуклеотидов Г и Ц (ГЦ-мотивы). При этом та или иная промоторная область может содержать либо одну из указанных последовательностей либо комбинацию двух или трех таких последовательностей.

Специфическое прочное связывание РНК-полимеразы с тем или иным узнаваемым ею участком промоторной области позволяет ей начать процесс расплетания молекулы ДНК вплоть до стартовой точки, с которой она начинает осуществлять полимеризацию рибонуклеотидов с использованием в качестве матрицы однонитевого 3"-5"-фрагмента ДНК.

Дальнейшее расплетание ДНК структурного гена сопровождается удлинением синтезируемого полирибонуклеотида (элонгацией нити РНК), продолжающимся вплоть до достижения РНК-полимеразой области терминатора. Последний представляет собой нуклеотидную последовательность ДНК, которая узнается РНК-полимеразой при участии других белковых факторов терминации, что приводит к окончанию синтеза транскрипта и его отсоединению от матрицы. В большинстве случаев терминатор находится в конце структурного гена, обеспечивая синтез одной моногенной молекулы мРНК. При этом у прокариот возможен синтез полигенной молекулы мРНК, кодирующей синтез двух и большего числа полипептидных цепочек. Происходит непрерывное транскрибирование нескольких расположенных рядом друг с другом структурных генов, имеющих один общий терминатор. Полигенная мРНК может содержать в своем составе нетранслируемые межгенные области (спейсеры), разделяющие кодирующие участки для отдельных полипептидов, что, вероятно, обеспечивает последующее разделение и самих синтезируемых полипептидов.

Поскольку структурные гены эукариот имеют прерывистое (мозаичное) строение, то их транскрипция имеет специфические особенности, отличающие ее от транскрипции у прокариот. В случае эукариотического гена, кодирующего синтез полипептида, этот процесс начинается с транскрибирования всей нуклеотидной последовательности, содержащей как экзонные, так и интронные участки ДНК. Образовавшаяся при этом молекула мРНК, отражающая структуру всего мозаичного гена, которую называют гетерогенной ядерной РНК (гяРНК) либо проматричной РНК (про-мРНК), претерпевает затем процесс созревания (процессинг мРНК).

Процессинг состоит в ферментативном разрезании первичного транскрипта (гяРНК) с последующим удалением его интронных участков и воссоединением (сплайсингом) экзонных участков, формирующих непрерывную кодирующую последовательность зрелой мРНК, которая в дальнейшем участвует в трансляции генетической информации. В качестве примера можно рассмотреть схему процессинга мРНК, синтезируемой при транскрипции гена β-глобиновой цепочки (рис. 1.16), структура которого обсуждалась ранее (см. рис. 1.13).

В процессинге принимают участие и короткие молекулы мяРНК, состоящие примерно из 100 нуклеотидов, которые представляют собой последовательности, являющиеся комплементарными последовательностям на концах интронных участков гяРНК. Спаривание комплементарных нуклеотидов мяРНК и гяРНК способствует сворачиванию в петлю интронных участков и сближению соответствующих экзонных участков гяРНК, что, в свою очередь, делает их доступными разрезающему действию ферментов (нуклеаз). Следовательно, молекулы мяРНК обеспечивают правильность вырезания интронов из гяРНК.

Во время процессинга происходит также модификация 5"-и 3"-концов формирующейся зрелой молекулы мРНК. Принципиальный смысл этого процесса можно рассмотреть на схемах

Рис. 1.16. Процессинг мРНК -глобинового гена человека

процессинга гена β-глобина человека (см. рис. 1.16) и полной нуклеотидной последовательности зрелой мРНК, образующейся в результате этого процесса. Как видно из рис. 1.17, на 5"-конце последовательности имеется короткий нетранслируемый (лидирующий) участок, состоящий из 17 триплетов, которые маркированы цифрами со знаком «минус». Этот участок кодируется транскрибируемой (но нетранслируемой) областью первого экзона β-гена (заштрихована на рис. 1.16). Модификация этого участка состоит в образовании 5"-концевого кэпа (от англ, cap - колпачок, шапочка), представляющего собой остаток 7-метилгуанозина, присоединенный к соседнему нуклеотиду необычным способом (с помощью три-фосфатной связи). Предполагается, что основная функция кэпа связана с узнаванием специфической последовательности молекулы рРНК, входящей в состав рибосомы, что обеспечивает точное прикрепление всего лидирующего участка молекулы мРНК к определенному участку этой рибосомы и инициацию процесса трансляции. Возможно также, что кэп предохраняет зрелую мРНК от преждевременного ферментативного разрушения во время ее транспортировки из ядра в цитоплазму клетки.

Модификация 3 "-конца мРНК β-глобина, также имеющего короткую нетранслируемую последовательность, кодируемую соответствующей областью третьего экзона β-гена (см. рис. 1.16), связана с образованием полиаденилового (поли А) «хвоста» молекулы, состоящего из 100 - 200 последовательно соединенных остатков адениловой кислоты. Для действия фермента, осуществляющего полиаденилирование, не нужна матрица, но требуется присутствие на 3"-конце мРНК сигнальной последовательности ААУААА (см. рис. 1.17). Предполагается, что полиадениловый «хвост» обеспечивает транспорт зрелой мРНК к рибосоме, защищая ее от ферментативного разрушения, но сам постепенно разрушается ферментами цитоплазмы, отщепляющими один за другим концевые нуклеотиды.

Трансляция как очередной этап реализации генетической информации заключается в синтезе полипептида на рибосоме, при котором в качестве матрицы используется молекула мРНК (считывание информации в направлении 5" → 3"). Следует заметить, что в клетках прокариот, не имеющих настоящего ядра с оболочкой, хромосомный генетический материал (ДНК) практически находится в цитоплазме, что определяет непрерывный характер взаимосвязи процессов транскрипции и трансляции. Иными словами, образовавшийся лидирующий 5"-конец молекулы мРНК, синтез которой еще не завершен, уже способен вступать в контакт с рибосомой, инициируя синтез полипептида, т.е. транскрипция и трансляция идут одновременно. Что касается эукариот, то процессы транскрипции их ядерной генетической информации и ее трансляции должны быть разделены во времени в связи с процессингом молекул РНК и необходимостью их последующей упаковки и

Рис. 1.17. Нуклеотидная последовательность зрелой мРНК -глобинового гена человека. Последовательность начинается с 7-метилгуанозина на 5"-конце (кэп-сайт), за которым следует короткий нетранслируемый участок РНК. Первый транслируемый кодон (АУГ) выделен шрифтом и помечен цифрой 0, поскольку кодируемая им аминокислота (метионин) в дальнейшем выщепляется из полипептида (первой аминокислотой зрелого белка будет валин, кодируемый ГУГ). Выделены также стоп-кодон УАА (кодон 147), на котором заканчивается трансляция (полипептид состоит из 146 аминокислот), и сигнальная последовательность для полиаденилирования (ААУААА) на 3"-конце транспортировки из кариоплазмы в цитоплазму с участием специальных транспортных белков.

Как и в случае транскрипции, процесс трансляции можно условно подразделить на три основные стадии - инициацию, элонгацию и терминацию.

Для инициации трансляции принципиально важное значение имеет специфичность структурной организации группы идентичных рибосом (полирибосомы, или полисомы), которая может участвовать в синтезе первичной структуры определенной белковой молекулы (полипептида), кодируемой соответствующей мРНК. Как известно, отдельная рибосома представляет собой клеточную органеллу, состоящую из молекул рРНК, которые определяют ее специфичность, и из белков. В составе рибосомы имеются 2 структурные субъединицы (большая и малая), которые можно дифференцировать на основании их способности по-разному осаждаться при ультрацентрифугировании препаратов очищенных рибосом из разрушенных клеток, т. е. по коэффициенту седиментации (величине 5). При определенных условиях в клетке может происходить разделение (диссоциация) этих двух субъединиц либо их объединение (ассоциация).

Рибосомы прокариот, а также митохондрий и хлоропластов состоят из большой и малой субъединиц с величинами 505 и 305 соответственно, тогда как у эукариот эти субъединицы имеют другие размеры (605 и 405). Поскольку процесс трансляции более детально был исследован у бактерий, то чаще всего его рассматривают в связи со структурой рибосом этих организмов. Как видно из рис. 1.18, рибосома содержит 2 участка, имеющих прямое отношение к инициации трансляции, обозначенные как P-участок (аминоацильный) и Р- участок (пептидильный), специфичность которых определяется сочетанием соответствующих областей субъединиц 505 и 305. При диссоциации субъединиц рибосомы эти участки становятся «недостроенными», что приводит к изменению их функциональной специфичности.

В процессе трансляции участвуют также молекулы тРНК, функции которых состоят в транспортировке аминокислот из цитозоля (цитоплазматического раствора) к рибосомам. Молекула тРНК, имеющая вторичную структуру в форме «клеверного листа», содержит в своем составе тройку нуклеотидов (антикодон), которая обеспечивает ее комплементарное соединение с соответствующим кодоном (триплетом) молекулы мРНК, кодирующей синтез полипептида на рибосоме, и акцепторный участок (на 3"-конце молекулы), к которому присоединяется определенная аминокислота (см. рис. 1.7). Процесс присоединения каждой из 20 аминокислот к акцепторному концу соответствующей тРНК связан с ее активацией определенным вариантом фермента аминоацил-тРНК-

Рис. 1.18. Строение бактериальной рибосомы: Р пептидильный участок, А аминоацильный участок

Рис. 1.19. Начальные этапы трансляции: а инициирующий комплекс; б элонгация

синтетазы с использованием энергии аденозинтрифосфатов (молекул АТФ). Образовавшийся при этом специфический комплекс тРНК и аминокислоты, который получил название аминоацил-тРНК, перемещается затем к рибосоме и участвует в синтезе полипептида.

Инициация трансляции обеспечивается точным соединением лидирующего 5"-конца молекулы мРНК с определенной областью малой субъединицы диссоциированной рибосомы таким образом, что в «недостроенном» Р-участке оказывается стартовый (инициирующий) кодон АУГ этой молекулы (рис. 1.19). Функциональная особенность такого Р-участка состоит в том, что он может быть занят только инициирующей аминоацил-тРНК с антикодоном УАЦ, которая у эукариот несет аминокислоту метионин, а у бактерий - формилметионин. Поскольку синтез пояипептида всегда начинается с N-конца и нарастает в направлении к С-концу, то все белковые молекулы, синтезируемые в клетках прокариот, должны начинаться с N-формилметионина, а у эукариот - с N-метионина. Однако, в дальнейшем эти аминокислоты ферментативно выщепляются во время процессинга белковой молекулы (см. рис. 1.17).

После образования инициирующего комплекса в «недостроенном» Р-участке (см. рис. 1.19) становится возможным воссоединение малой и большой субъединиц рибосомы, что приводит к «достраиванию» Р-участка и A-участка. Лишь после этого следующая аминоацил-тРНК может занимать A-участок на основе принципа

комплементарности ее антикодона соответствующему кодону мРНК, находящемуся в этом участке (см. рис. 1.19).

Процесс элонгации начинается с образования пептидной связи между инициирующей (первой в цепочке) и последующей (второй) аминокислотами. Затем происходит перемещение рибосомы на один триплет мРНК в направлении 5"→ 3", что сопровождается отсоединением инициирующей тРНК от матрицы (мРНК), от инициирующей аминокислоты и выходом ее в цитоплазму. При этом вторая по счету аминоацил-тРНК передвигается из A-участка в Р-участок, а освободившийся А -участок занимается следующей (третьей по счету) аминоацил-тРНК. Процесс последовательного передвижения рибосомы «триплетными шагами» по нити мРНК повторяется, сопровождаясь освобождением тРНК, поступающих в Р-участок, и наращиванием аминокислотной последовательности синтезируемого полипептида.

Терминация трансляции связана с вхождением одного из трех известных стоп-триплетов мРНК в Л-участок рибосомы. Поскольку такой триплет не несет информации о какой-либо аминокислоте, но узнается соответствующими белками терминации, то процесс синтеза полипептида прекращается и он отсоединяется от матрицы (мРНК).

После выхода из функционирующей рибосомы свободный 5"-конец мРНК может вступать в контакт со следующей рибосомой полисомной группы, инициируя синтез еще одного (идентичного) полипептида. Следовательно, рассмотренный рибосомный цикл последовательно повторяется с участием нескольких рибосом одной и той же полисомы, в результате чего синтезируется группа идентичных полипептидов.

Посттрансляционная модификация полипептида представляет собой завершающий этап реализации генетической информации в клетке, приводящий к превращению синтезированного полипептида в функционально активную молекулу белка. При этом первичный полипептид может претерпевать процессинг, состоящий в ферментативном удалении инициирующих аминокислот, отщеплении других (ненужных) аминокислотных остатков и в химической модификации отдельных аминокислот. Затем происходит процесс сворачивания линейной структуры полипептида за счет образования дополнительных связей между отдельными аминокислотами и формирование вторичной структуры белковой молекулы (рис. 1.20). На этой основе формируется еще более сложная третичная структура молекулы.

В случае белковых молекул, состоящих более чем из одного полипептида, происходит образование комплексной четвертичной структуры, в которой объединяются третичные структуры отдельных полипептидов. В качестве примера можно рассмотреть модель молекулы гемоглобина человека (рис. 1.21), состоящей из

Рис. 1.20. Вторичная структура молекулы фермента рибонуклеазы

Рис. 1.21. Четвертичная структура молекулы гемоглобина человека

двух α-цепочек и двух β-цепочек, которые формируют стабильную тетрамерную структуру с помощью водородных связей. Каждая из глобиновых цепочек содержит также молекулу тема, который в комплексе с железом способен связывать молекулы кислорода, обеспечивая их транспортировку эритроцитами крови.

Базисные термины и понятия: акцепторный конец тРНК; аминоацил-тРНК; антикодон; гяРНК (про-РНК); инициация транскрипции и трансляции; инициирующая аминоацил-тРНК и аминокислота; инициирующий кодон мРНК; комплементарность; кэп; лидирующий 5"-конец мРНК; матричность; модификация концов молекулы мРНК; моногенная молекула мРНК; мРНК (иРНК); мяРНК; обратная транскриптаза (ревертаза); обратная транскрипция; общий перенос; перенос (передача) информации; полигенная молекула мРНК; полипептид; полирибосома (полисома); посттрансляционная модификация полипептида; промотор; процессинг РНК и полипептида; рибосома; РНК-полимераза; рРНК; специализированный перенос; сплайсинг; стартовая точка транскрипции; терминатор; терминация транскрипции и трансляции; транскрипт; транскрипция генетической информации; трансляция генетической информации; тРНК; элонгация транскрипции и трансляции; A-участок рибосомы; Р-участок рибосомы.

Этапы реализации генетической информации в клетке. Как лечить болезнь? Этапы реализации генетической информации в клетке. Народные способы лечения и исцеления. Уникальные исцеляющие видео-сеансы.

информации

Все морфологические, анатомические и функциональные особенности любой клетки и организма в целом определяются структурой специфических белков, входящих в состав клеток. Способность к синтезу только строго определенных белков является характерным свойством, присущим как для каждого вида, так и для отдельных организмов.

В молекуле ДНК может быть закодирована аминокислотная последовательность для многих белков. Участок молекулы ДНК, несущий информацию о структуре одного белка, называется геном.

Определенная последовательность расположения аминокислот в гюлипептидной цепочке (первичная структура белка) определяет специфичность белковой молекулы, а, следовательно, и специфичность признаков, которые определяются данным белком.

От расположения аминокислот в полипептидной цепочке белковой молекулы зависят биологические свойства белков, их специфичность. Таким

образом, первичная структура белковой молекулы определяется определенной последовательностью нуклеотидов в участке ДНК (гене).

Генетический код - это определенное расположение нуклеотидов в молекуле ДНК, кодирующих аминокислоты в молекуле белка.

Для кодирования 20 аминокислот в молекуле ДНК используются четыре различных азотистых основания (аденин, тимин, цитозин, гуанин). Каждая аминокислота кодируется группой из трёх мононуклеотидов, которая называется триплетом (см.таблицу 1)

Свойства генетического кода :

триплвтность - одна аминокислота кодируется одним триплетом, в состав которого входит три нуклеотида. Такой триплет называется кодоном. При комбинации четырёх нуклеотидов по три 4 3 вероятные сочетания составят 64 варианта (триплета),что более, чем достаточно для кодирования 20 аминокислот;

«вырожденность», или избыточность генетического кода, т.е. одну и ту же аминокислоту может кодировать несколько триплетов, так как известно 20 аминокислот и 64 кодона, например, фенил-аланин кодируется двумя триплетами (УУУ, УУЦ), изолейцин - тремя (АУУ,АУЦАУА);

неперекрываемость, т.е. между триплетами в молекуле ДНК не существует разделительных знаков, они расположены в линейном порядке, следуя один за другимтри рядом расположенных нуклеотида образуют один триплет;

линейность и отсутствие знаков разделения, т.е. триплеты в молекуле ДНК следуют один за другим в линейном порядке без знаков остановки; если произойдёт выпадение одного нуклеотида, то произойдёт "сдвиг рамки", что приведёт к изменению последовательности нуклеотидов в молекуле РНК, и, следовательно, изменению последовательности аминокислот в молекуле белка;

универсальность, т.е. для всех организмов, начиная с прокариот и заканчивая человеком, 20 аминокислот кодируются одними и теми же триплетами, что является одним из доказательств единства происхождения всего живого на Земле

коллинеарность (соответствие) - .линейное расположение нуклеотидов в молекуле ДНК соответствует линейному расположению аминокислот в молекуле белка

Таблица 1 Генетический код

Первое основание		Втораое основание			Третье основание

Этапы реализации генетической информаци и

I. Т ранскрипция - синтез всех видов РНК на матрице ДНК. Транскрипция, или переписывание, происходит не на всей молекуле ДНК, а на участке, отвечающем за определенный белок (ген). Условия, необходимые для транскрипции:

а) разкручивание участка ДНК с помощью расплетающих белков- ферментов

б) наличие строительного материала в виде АТФ. ГТФ. УТФ. 1ДТФ

в) ферменты трансктипции - РНК-полимеразы I, II, III

г) енергия в виде АТФ.

Транскрипция происходит по принципу комплементарности. При этом с помощью специальных белков-ферментов участок двойной спирали ДНК раскручивается, является матрицей для синтеза иРНК. Затем вдоль цепи ДНК

движется фермент РНК-полимераза, соединяя между собой нуклеотиды по принципу комплементарности в растущую цепь РНК. Затем одноцепочечная РНК отделяется от ДНК и через поры в мембране ядра покидает клеточное ядро (рис. 5)

Рис. 5 Схематическое изображение транскрипции.

Различия в транскрипции про- и эукариот.

По химической организации наследственного материала эукариоты и прокариоты принципиально не отличаются. Известно, генетический материал представлен ДНК.

Наследственный материал прокариот содержится в кольцевой ДНК, которая располагается в цитоплазме клетки. Гены прокариот состоят целиком из кодирующих нуклеотидных последовательностей.

Гены эукариот содержат информативные участки -экзоны, которые несут информацию об аминокислотной последовательности белков, и неинформативные участки - интроны, не несущие информации.

Соответственно, транскрипция информационной РНК у эукариот проходит в 2 этапа:

S) переписываются (транскрибируются) все участки (интроны и экзоны) -такая иРНК называется незрелой или про-иР НК.

2). процес синг - созревание матричной РНК. С помощью специальных ферментов вырезаются интронные участки, затем сшиваются экзоны. Явление сшивания екзонов называется сплайсингом. Посттранскрипционное дозревание молекулы РНК происходит в ядре.

II. Трансляция (translation), или биосинтез белка. Суть трансляции -перевод четырехбуквенного шифра азотистых оснований на 20-буквенный «словарь» аминокислот.

Процесс трансляции состоит в переносе закодированной в иРНК генетический информации в аминокислотную последовательность белка. Осуществляется биосинтез белка в цитоплазме на рибосомах и состоит из нескольких этапов:

Подготовительный этап (активация аминокислот), состоит в ферментативном связывании каждой аминокислоты с своей тРНК и образовании комплекса аминокислота - тРНК.

Собственно синтез белка, который включает три стадии:

а) инициация - иРНК связывается с малой субъединицей рибосомы, первыми кодонами, инициирующими, являются АУТ или ГУГ. Этим кодонам соответствует комплекс метионил -тРНК. Кроме того, в инициации участвует три белковых: фактора, облегчающие связывание мРНК с большой субчастицей рибосомы, образуется инициаторный комплекс

б) элонгация - удлинение полипептидной цепочки. Процесс осуществляется в 3 шага и заключается в связывании кодона мРНК с антикодоном тРНК по принципу комплементарности в активном центре рибосомы, затем в образовании пептидной связи между двумя остатками аминокислот и перемещении дипептида на шаг вперёд и, соответственно, передвижения рибосомы вдоль иРНК на один ко дон вперед

в) терминация - окончание трансляции, зависит от присутствия в иРНК терминирующих кодонов или "стоп-сигналов" (УАА,УГА,УАГ) и белковых ферментов - факторов терминации (рис. 6).

Рис. 6. Схема трансляции

а)стадия элонгации;

б)поступления синтезированного белка в эндоплазматическую сеть

В клетке для синтеза белка используется не одна, а несколько рибосом. Такой работающий комплекс иРНК с несколькими рибосомами называется полирибосомой . В таком случае синтез белка происходит быстрее, чем при использовании только одной рибосомы.

Уже в ходе трансляции белок начинает укладываться в трёхмерную структуру, а при необходимости в цитоплазме принимает четвертичную организацию.

Рис 7 Роль нуклеиновых кислот в передаче генетической информации

Лексико-грамматические задания:

являться

определяться

кодироваться чем

характеризоваться

называться

Задание №1. Слова и словосочетания, данные в скобках, напишите в правильной форме.

Все морфологические, анатомические и функциональные особенности любой клетки и организма в целом определяются (структура специфических белков).

Последовательность расположения аминокислот в полипептидной цепочке определяется (последовательность) нуклеотидов в участке ДНК, котрый называется (ген), а последовательность нуклеотидов в ДНК называется (генетический код).

Каждая аминокислота кодируется (группа из трёх нуклеотидов), которая называется (триплет).

Генетический код характеризуется (следующие признаки: триплетность, вырожденность, непрекрываемость, линейность и отсутствие запятых, универсальность).

20 аминокислот кодируются (одни и те же триплеты).

Задание №2. Вместо точек используйте краткие и полные формы причастия, образованные от глаголов кодироваться - закодироваться.

Последовательность нуклеотидов в ДНК, ... определённые аминокислоты в молекуле белка, называется генетическим кодом.

Одна и та же кислота может быть... несколькими триплетами.

20 аминокислот... одними и теми же триплетами.

Различают структурные гены, ... структурные и ферментные белки, а так же гены с информацией для синтеза тРНК и рРНК и др.

Следующим этапом реализации генетической информации, ... в гене, является транскрипция.

принципиально (не) отличаются существенно по какому признаку

значительно

По химической организации материала наследственности эукариоты и прокариоты принципиально не отличаются. Генетический материал у них представлен ДНК.

Задание№3. Прочитайте часть текста «Различие транскрипции у про- и эукариот». Расскажите о этапах реализации наследственной информации.

Задание №4. Закончите предложения, опираясь на информацию текста.

Наследственный материал прокариот содержится в....

Гены прокариот состоят целиком из....

Гены эукариот содержат....

Транскрипция у эукариот происходит в....

Трансляция состоит в переносе закодированной в иРНК генетической информации в....

Трансляция осуществляется в цитоплазме на....

Задание №5. Составьте схему этапов трансляции и расскажите по схеме о поэтапном осуществлении трансляции.

Решение типовых задач

Участки структурных генов у про- и эукариот имеют сходные последовательности нуклеотидов:

ЦАТ-ГТЦ-АЦА-"ПТД-ТГА-ААА-ЦАА-ЦЦГ-АТА-ЦЦЦ-ЦТГ-ЦГГ-ЦТТ-ГГА-АЦА-АТА. Причем, у эукариот последовательность нуклеотидов АЦА-ТТЦ-ТГА-ААА и ГГА-АЦА-АТА кодируют интронные участки про и-РНК. Используя словарь генетического кода, определите:

а) какую последовательность нуклеотидов будет иметь иРНК, транскрибируемая с этого участка ДНК у прокариот;

б) какую последовательность нуклеотидов будет иметь иРНК, транскрибируемая с этого участка ДНК у еукариот;

в) какую последовательность аминокислот будет иметь белок, кодируемый данным участком гена у про- и эукариот.

1. Какая последовательность правильно отражает путь реализации генетической информации? Выберите один правильный ответ:

ген→иРНК→белок→признак,

Признак →белок →иРНК→ ген→ ДНК,

ИРНК→ ген→белок→признак,

Ген→ ДНК →признак →белок.

2. Белок состоит из 50 аминокислотных остатков. Сколько нуклеотидов в гене? 3. Белок состоит из 130 аминокислот. Установите число нуклеотидов в иРНК и ДНК, кодирующих данный белок, и число молекул тРНК, которые необходимы для синтеза данного белка. Ответ поясните.

4. Белок состоит из 70 аминокислот. Установите, во сколько раз молекулярная масса участка гена, кодирующего данный белок, превышает молекулярную массу белка, если средняя молекулярная масса аминокислоты – 110, а нуклеотида – 300. Ответ поясните.

6. Согласно указаниям наследственной информации клетка синтезирует белок, в начале которого соединены аминокислоты в такой последовательности: лейцин - гистидин - аспарагин - валин - лейцин - триптофан - валин - аргинин - аргинин - пролин - треонин- серин - тирозин - лизин - валин... Определите иРНК, управляющую синтезом указанного полипептида.

7. Какой триплет соответствует антикодону ААУ на тРНК?

8. Фрагмент цепи иРНК имеет следующую последовательность нуклеотидов: ЦГАГУАУГЦУГГ. Определите последовательность нуклеотидов на ДНК, антикодоны тРНК и последовательность аминокислот, которая соответствует данному фрагменту гена.

митоз,мейоз:

1. Во время аномального митоза в культуре ткани человека одна из коротких хромосом (№21) не разделилась, а целиком ушла в одну из дочерних клеток. Какие наборы хромосом будет нести каждая из дочерних клеток?

2. В соматической клетке растения 16 хромосом. Одна из клеток вошла в митоз, но на стадии анафазы веретено деления было разрушено колхицином. Клетка выжила, закончила митоз. Определите количество хромосом и ДНК в этой клетке на всех стадиях следующего клеточного цикла?

3. В процессе мейоза одна из гомологичных хромосом человека не поделилась (нерасхождение). Сколько хромосом содержит каждая клетка, образовавшаяся в результате такого мейоза?

4. В клетке животного диплоидный набор хромосом равен 46. Определите количество молекул ДНК перед мейозом, после первого и после второго деления?

5. Клетка гонады перед мейозом имеет генотип ааВвСС. Напишите генотипы клеток:

а) для всех стадий сперматогенеза;

б) для всех стадий овогенеза.

6. Сколько яйцеклеток могут дать 500 овоцитов I порядка? 500 овоцитов II порядка? Ответ поясните схемой овогенеза.