Одно из наиболее важных и характерных свойств живой клетки. Первичная структура белка, как уже отмечалось, предопределяется генетическим кодом, заложенным в молекуле ДНК, причем различные ее участки кодируют синтез разных белков. Следовательно, одна молекула ДНК хранит информацию о структуре многих белков.

Свойства белка зависят от последовательности расположения аминокислот в полипептидной цепи. В свою очередь чередование аминокислот определяется последовательностью нуклеотидов в ДНК. В иРНК каждой аминокислоте соответствует определенный триплет - группа, состоящая из трех нуклеотидов, называемая кодоном.

Биосинтез белка начинается в ядре со списывания информации о структуре белковой молекулы с ДНК на иРНК по принципу комплементарности. Данный процесс протекает как реакция матричного синтеза и называется транскрипцией (рис. 7.1).

Рис. 7.1. Процесс транскрипции

В результате транскрипции образуется «незрелая» иРНК (пре-иРНК), которая проходит стадию созревания или процессинга .

Процессинг включает в себя:

1) КЭПирование 5"-конца;

2) полиаденилирование 3"-конца (присоединение нескольких десятков адениловых нуклеотидов);

3) сплайсинг (вырезание интронов и сшивание экзонов). В зрелой иРНК выделяют КЭП, транслируемую область (сшитые в одно целое экзоны), нетранслируемые области (НТО) и полиА «хвост». Возможен альтернативный сплайсинг , при котором вместе с интронами вырезаются и экзоны. При этом с одного гена могут образовываться разные белки. Таким образом, утверждение – «Один ген – один полипептид» – неверно (рис. 7.2, 7.3, 7.4)

Рис. 7.2. Сплайсинг

Рис. 7.3. Альтернативный сплайсинг (варианты)

Рис. 7.4. Образование разных молекул белка при вариантах альтернативного сплайсинга

Образующаяся при этом иРНК поступает в цитоплазму, где на нее нанизываются рибосомы. Одновременно в цитоплазме с помощью ферментов активизируется транспортная РНК тРНК.

Молекула тРНК напоминает по структуре лист клевера, на вершине которого находится триплет нуклеотидов, соответствующий по коду определенной аминокислоте (антикодон), а основание («черешок») служит местом присоединения этой аминокислоты. В тРНК различают антикодоновую петлю и акцепторный участок. В антикодоновой петле РНК имеется антикодон, комплементарный кодовому триплету определенной аминокислоты, а акцепторный участок на 3"-конце способен с помощью фермента аминоацил-тРНК-синтетазы присоединять именно эту аминокислоту (с затратой АТФ) к участку ССА (рис. 5)

Транспортная РНК доставляет аминокислоты к рибосомам. По принципу комплементарности антикодон связывается со своим кодоном, причем аминокислота располагается у активного центра рибосомы и с помощью ферментов соединяется с ранее поступившими аминокислотами. Затем тРНК освобождается от аминокислоты, а молекула иРНК продвигается вперед на один триплет, и процесс повторяется.

Рис. 7.5. Строение молекулы Т-РНК

Различают три этапа в биосинтезе белка: инициацию , элонгацию и терминацию .

В малой субъединице рибосомы расположен функциональный центр рибосомы (ФЦР) с двумя участками - пептидильным (Р-участок) и аминоацильным (А-участок). В ФЦР может находиться шесть нуклеотидов иРНК, три - в пептидильном и три - в аминоацильном участках.

Инициация . Синтез белка начинается с того момента, когда к 5"-концу иРНК присоединяется малая субъединица рибосомы, в Р-участок которой заходит метиониновая тРНК.

За счет АТФ происходит передвижение инициаторного комплекса (малая субъединица рибосомы, тРНК с метионином) по НТО до метионинового кодона АУГ. Этот процесс называется сканированием .

Элонгация . Как только в Р-участок сканирующего комплекса попадает кодон АУГ, происходит присоединение большой субъединицы рибосомы. В А-участок ФЦР поступает вторая тРНК, чей антикодон комплементарно спаривается с кодоном иРНК, находящимся в А-участке.

Пептидилтрансферазный центр большой субъединицы катализирует образование пептидной связи между метионином и второй аминокислотой. Отдельного фермента, катализирующего образование пептидных связей, не существует. Энергия для образования пептидной связи поставляется за счет гидролиза ГТФ.

На один цикл расходуется 2 молекулы ГТФ. В А-участок заходит третья тРНК, и образуется пептидная связь между второй и третьей аминокислотами. Синтез полипептида идет от N-конца к С-концу, то есть пептидная связь образуется между карбоксильной группой первой и аминогруппой второй аминокислоты.

Скорость передвижения рибосомы по иРНК - 5–6 триплетов в секунду, на синтез белковой молекулы, состоящей из сотен аминокислотных остатков, клетке требуется несколько минут.

Терминация . Когда в А-участок попадает кодон-терминатор (УАА, УАГ или УГА), с которым связывается особый белковый фактор освобождения, полипептидная цепь отделяется от тРНК и покидает рибосому. Происходит диссоциация, разъединение субъединиц рибосомы.

Рис. 7.6. Процесс трансляции (шаг 1)

Рис. 7.7. Процесс трансляции (шаг 2)

Рис. 7.8. Процесс трансляции (шаг 3)

Рис. 7.9. Процесс трансляции (шаг 4)

Рис. 7.10. Биосинтез белка (общая схема)

Так постепенно наращивается белковая цепочка, в которой аминокислоты располагаются в строгом соответствии с локализацией кодирующих их триплетов в молекуле иРНК. Синтез полипептидных цепей белков по матрице иРНК называется трансляцией (рис. 10).

В клетках растительных и животных организмов белки непрерывно обновляются. Интенсивность синтеза тех или иных специфических белков определяется активностью соответствующих генов, с которых «считывается» иРНК. Следует отметить, что не все гены функционируют одновременно: активность проявляют лишь те, которые кодируют информацию о структуре белков, необходимых для жизнедеятельности организма в данный момент.

Биосинтез белка - это один из видов пластического обмена, в ходе которого наследственная информация, закодированная в генах ДНК, реализуется в опреде­лённую последовательность аминокислот в белковых молекулах.

Этапы биосинтеза одного вида белка в клетке

■ Сначала происходит синтез мРНК на определен­ном участке одной из цепей молекулы ДНК.

■ мРНК выходит через поры ядерной мембраны в цитоплазму и прикрепляется к малой субъединице рибосом.

■ К этой же субъединице рибосомы присоединяется инициаторная тРНК. Её антикодон взаимодействует со стартовым кодоном мРНК - АУГ. После этого из малой и большой частиц формируется рабочая рибо­сома.

■ При включении новой аминокислоты рибосома передвигается вперед на три нуклеотида. Рибосома движется вдоль мРНК, пока не достигнет одного из её трех стоп-кодонов - УАА, УАГ или УГА.

После этого полипептид покидает рибосому и на­правляется в цитоплазму. На одной молекуле мРНК находятся несколько рибосом, образующих полисому. Именно на полисомах и происходит одновременный синтез нескольких одинаковых полипептидных цепей.

■ Каждый этап биосинтеза катализируется соот­ветствующим ферментом и обеспечивается энергией АТФ.

■ Биосинтез происходит в клетках с огромной ско­ростью. В организме высших животных в одну минуту образуется до 60 тысяч пептидных связей.

Точность белкового синтеза обеспечивается следую­щими механизмами:

и Определенный фермент обеспечивает связывание строго определенной аминокислоты с соответствую­щими молекулами транспортной РНК.

■ Транспортная РНК, присоединившая аминокис­лоту, своим антикодоном связывается с кодоном на информационной РНК в месте прикрепления рибосо­мы. Только после узнавания молекулой тРНК «свое­го» кодона аминокислота включается в растущую по- липептидную цепь.

ПРИМЕРЫ ЗАДАНИЙ №9

Перечислите все этапы биосинтеза белка. Как опре­деляется начало и конец синтеза иРНК?

2. Один триплет ДНК содержит информацию

а) о последовательности аминокислот в белке;

б) об одном признаке организма;

в) об одной аминокислоте, включаемой в белковую цепь;

г) о начале синтеза и РНК.

3. Где происходит процесс транскрипции?

4. Какой принцип обеспечивает точность биосинте­за белка?

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ОБМЕН В КЛЕТКЕ (ДИССИМИЛЯЦИЯ)

Энергетический обмен - это совокупность химиче­ских реакций постепенного распада органических со­единений, сопровождающихся высвобождением энер­гии, часть которой расходуется на синтез АТФ.

Процессы расщепления органических соединений у аэробных организмов происходят в три этапа, каж­дый из которых сопровождается несколькими фермен­тативными реакциями. Участие ферментов снижает энергию активации химических реакций, благодаря чему энергия выделяется не сразу (как при зажигании спички), а постепенно.

Первый этап - подготовительный. В желудоч­но-кишечном тракте многоклеточных организмов он осуществляется пищеварительными ферментами. У одноклеточных - ферментами лизосом. На пер­вом этапе происходит расщепление белков до ами­нокислот, жиров до глицерина и жирных кислот, по­лисахаридов до моносахаридов, нуклеиновых кислот до нуклеотидов.

Этот процесс называется пищеваре­нием.

Второй этап - бескислородный (гликолиз). Проис­ходит в цитоплазме клеток. Состоит из девяти после­довательных реакций превращения молекулы глюко­зы в две молекулы пировиноградной кислоты (ПВК), 2АТФ, Н 2 0 и НАДФ*Н:

С 6 Н 12 0 6 +2АДФ+2Ф+2НАД + -> 2С 3 Н 4 0 3 +2АТФ+

2Н 2 0+2НАДФ*Н (ПВК)

АТФ и НАДФ*Н - это соединения, в которых за­паслась часть энергии, выделившейся при гликолизе.

Остальная энергия рассеивается в виде тепла.

В клетках дрожжей и растений (при недостатке кислорода) пировиноградная кислота распадается на этиловый спирт и кислород. Этот процесс называется спиртовым брожением.

В мышцах животных при больших нагрузках и не­хватке кислорода образуется молочная кислота, кото­рая накапливается в виде лактата.

Третий этап - кислородный. Заканчивается пол­ным окислением глюкозы и промежуточных продуктов до углекислого газа и воды. При этом при расщепле­нии одной молекулы глюкозы образуется 38 молекул АТФ. Этот процесс называется биологическим окисле­нием. Он стал возможным после накопления в атмос­фере достаточного количества молекулярного кисло­рода.

Клеточное дыхание происходит на внутренних мем­бранах митохондрий, в которые встроены молекулы - переносчики электронов. В ходе этой стадии осво­бождается большая часть метаболической энергии. Молекулы-переносчики транспортируют электроны к молекулярному кислороду. Часть энергии рассеива­ется в виде тепла, а часть расходуется на образование АТФ.

Суммарная реакция энергетического обмена: С 6 Н 12 0 6 + 60 2 -> 6С0 2 + 6Н 2 0 + 38АТФ.

ПРИМЕРЫ ЗАДАНИЙ М10

1. Суть гетеротрофного питания заключается

а) в синтезе собственных органических соединений из неорганических;

б) в потреблении неорганических соединений;

в) в использовании получаемых из пищи органиче­ских соединений для построения собственного тела;

г) в синтезе АТФ.

2. Конечными продуктами окисления органических веществ являются

а) АТФ и вода;

б) кислород и углекислый газ;

в) вода, углекислый газ, аммиак;

г) АТФ и кислород.

3. Молекула глюкозы на первом этапе расщепления

а) окисляется до углекислого газа и воды;

б) не изменяется;

в) превращается в молекулу АТФ;

г) расщепляется до двух трехуглеродных молекул (ПВК).

4. Что является универсальным источником энер­гии в клетке?

5. Из чего складывается суммарное количество АТФ, полученное в ходе энергетического обмена?

6. Расскажите о процессах гликолиза.

7. Как используется аккумулированная в АТФ энергия?

ВЗАИМОСВЯЗЬ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО И ПЛАСТИЧЕСКОГО

ОБМЕНА В КЛЕТКАХ ЖИВОТНЫХ И РАСТЕНИЙ

Обмен веществ (метаболизм) - это совокупность взаимосвязанных процессов синтеза и расщепле­ния, сопровождающихся поглощением и выделением энергии и превращением химических веществ клет­ки. Его иногда разделяют на пластический и энер­гетический обмены, которые связаны между собой. Все синтетические процессы нуждаются в веществах и энергии, поставляемых процессами расщепления. Процессы расщепления катализируются фермента­ми, синтезирующимися в ходе пластического обме­на, с использованием продуктов и энергии энергети­ческого обмена.

Для отдельных процессов, происходящих в орга­низмах, используются следующие термины:

Ассимиляция - синтез полимеров из мономеров.

Диссимиляция - распад полимеров на мономеры.

Анаболизм - синтез более сложных мономеров из более простых.

Катаболизм - распад более сложных мономеров на более простые.

Живые существа используют световую и химиче­скую энергию. Автотрофы используют в качестве источника углерода углекислый газ. Гетеротрофы используют органические источники углерода. Ис­ключение составляют некоторые протисты, например эвглена зеленая, способная к автотрофному и гете­ротрофному типам питания.

Автотрофы синтезируют органические соединения при фотосинтезе или хемосинтезе. Гетеротрофы полу­чают органические вещества вместе с пищей.

У автотрофов доминируют процессы пластическо­го обмена (ассимиляции) - фотосинтез или хемосин­тез, у гетеротрофов - процессы энергетического обме­на (диссимиляции) - пищеварение + биологический распад, происходящий в клетках.

ПРИМЕРЫ ЗАДАНИЙ №11

1. Что общего между фотосинтезом и процессом окисления глюкозы?

а) оба процесса происходят в митохондриях;

б) оба процесса происходят в хлоропластах;

в) в результате этих процессов образуется кислород;

г) в результате этих процессов образуется АТФ.

2. Какие продукты фотосинтеза участвуют в энерге­тическом обмене млекопитающих?

3. Какова роль углеводов в образовании аминокис­лот, жирных кислот?

ЖИЗНЕННЫЙ ЦИКЛ КЛЕТКИ. ХРОМОСОМЫ

Жизненный цикл клетки - это период её жизни от деления до деления.

Клетки размножаются путем удвоения своего со­держимого с последующим деление пополам.

Клеточное деление лежит в основе роста, развития и регенерации тканей многоклеточного организма.

Клеточный цикл подразделяют на хромосомный и цитоплазматический. Хромосомный сопровожда­ется точным копированием и распределением гене­тического материала. Цитоплазматический состоит из роста клетки и последующего цитокинеза - де­ления клетки после удвоения других клеточных ком­понентов.

Длительность клеточных циклов у разных видов, в разных тканях и на разных стадиях широко варьи­рует от одного часа (у эмбриона) до года (в клетках пе­чени взрослого человека).

Фазы клеточного цикла

Интерфаза - период между двумя делениями. Подразделяется на пресинтетический - 01, синтети­ческий - в, постсинтетический 02.

01-фаза - самый длительный период (от 10 ч до нескольких суток). Заключается в подготовке клеток к удвоению хромосом. Сопровождается синтезом бел­ков, РНК, увеличивается количество рибосом, мито­хондрий. В этой фазе происходит рост клетки.

в-фаза (6-10 часов). Сопровождается удвоением хромосом. Синтезируются некоторые белки.

С2-фаза (3-6 часов). Сопровождается конденсацией хромосом. Синтезируются белки микротрубочек, фор­мирующих веретено деления.

Митоз - это форма деления клеточного ядра. В ре­зультате митоза каждое из получающихся дочерних ядер получает тот же набор генов, который имела ро­дительская клетка. В митоз могут вступать как дипло­идные, так и гаплоидные ядра. При митозе получают­ся ядра той же плоидности, что и исходное. Понятие «митоз» применимо только для эукариот.

Фазы митоза

■ Профаза - сопровождается образованием вере­тена деления из микротрубочек цитоплазматического скелета клетки и связанных с ними белков. Хромосо­мы хорошо видны и состоят из двух хроматид.

■ Прометафаза - сопровождается распадом ядер- ной мембраны. Часть микротрубочек веретена присое­диняются к кинетохорам (комплексам белок-центро­мера).

■ Метафаза - все хромосомы выстраиваются по экватору клетки, образуя метафазную пластинку.

■ Анафаза - хроматиды расходятся к полюсам клетки с одинаковой скоростью. Микротрубочки уко­рачиваются.

■ Телофаза - дочерние хроматиды подходят к по­люсам клетки. Микротрубочки исчезают. Вокруг кон­денсированных хроматид формируется ядерная обо­лочка.

■ Цитокинез - процесс разделения цитоплазмы. Клеточная мембрана в центральной части клетки втя­гивается внутрь. Образуется борозда деления, по мере углубления которой клетка раздваивается.

■ В результате митоза образуются два новых ядра с идентичными наборами хромосом, точно копиру­ющими генетическую информацию материнского ядра.

■ В опухолевых клетках ход митоза нарушается.

ПРИМЕРЫ ЗАДАНИЙ №12

1. Опишите особенности каждой фазы митоза.

2. Что такое хроматиды, центромеры, веретено де­ления?

3. Чем отличаются соматические клетки от поло­вых?

4. В чем заключается биологический смысл митоза?

5. Наиболее длительной в клеточном цикле явля­ется:

а) интерфаза; б) профаза; в) метафаза; г) телофаза.

6. Сколько хроматид содержит пара гомологичных хромосом в метафазе митоза?

а) четыре; б) две; в) восемь г) одну.

7. Митоз не обеспечивает

а) образования клеток кожи человека; б) сохранения постоянного для вида числа хромосом; в) генетическо­го разнообразия видов; г) бесполого размножения.

Мейоз - это процесс деления клеточных ядер, при­водящий к уменьшению числа хромосом вдвое. Мейоз состоит из двух последовательных делений (редукци­онного и эквационного), которым предшествует одно­кратная репликация ДНК. Интерфаза мейоза анало­гична интерфазе митоза.

Редукционное деление

Сначала реплицированные хромосомы конденсиру­ются.

Затем начинается конъюгация гомологичных хро­мосом. Образуются биваленты или тетрады, состоя­щие из 4 сестринских хроматид.

На следующей стадии происходит кроссинговер между гомологичными хромосомами. Конъюгировав­шие хромосомы разделяются, хромосомы бивалента отодвигаются друг от друга, но продолжают быть свя­заны местами, где произошел кроссинговер.

Ядерная оболочка и ядрышки исчезают.

В конце первого деления формируются клетки с га­плоидным набором хромосом и удвоенным количе­ством ДНК. Формируется ядерная оболочка. Веретено разрушается. В каждую клетку попадает 2 сестрин­ские хроматиды, соединенные центромерой.

Эквационноеделение

Биологическое значение мейоза заключается в об­разовании клеток, участвующих в половом размноже­нии, в поддержании генетического постоянства видов. Мейоз служит основой комбинативной изменчивости организмов. Нарушения мейоза у человека могут при­вести к таким патологиям, как болезнь Дауна, идио­тия и др.

ПРИМЕРЫ ЗАДАНИЙ №13

1. Опишите особенности каждой фазы мейоза.

2. Что такое конъюгация, кроссиноговер, бивален­ты?

3. В чём заключается биологический смысл мейоза?

4. Бесполым путем могут размножаться

а) земноводные; б) кишечнополостные; в) насеко­мые; г) ракообразные.

5. Первое деление мейоза заканчивается образова­нием

а) гамет; б) клеток с гаплоидным набором хромосом; в) диплоидных клеток; г) клеток разной плоидности.

6. В результате мейоза образуются: а) споры папоротников; б) клетки стенок антеридия папоротника; в) клетки стенок архегония папоротни­ка; г) соматические клетки трутней пчёл.

Строение и функции хромосом

Хромосомы - структуры клетки, хранящие и пе­редающие наследственную информацию. Хромосома состоит из ДНК и белка. Комплекс белков, связанных с ДНК, образует хроматин. Белки играют важную роль в упаковке молекул ДНК в ядре.

ДНК в хромосомах упакована таким образом, что умещается в ядре, диаметр которого обычно не превы­шает 5 мкм (5хЮ~ 4 см).

Хромосома представляет собой палочковидную структуру и состоит из двух сестринских хроматид, ко­торые удерживаются центромерой в области первич­ной перетяжки. Хроматин не реплицируется. Репли­цируется только ДНК. С началом репликации ДНК синтез РНК прекращается.

Диплоидный набор хромосом организма называет­ся кариотипом. Современные методы исследования позволяют определить каждую хромосому в карио­типе. Для этого учитывают распределение, видимых под микроскопом, светлых и темных полос (чередова­ние пар АТ и ГЦ) в хромосомах, обработанных специ­альными красителями. Поперечной исчерченностью обладают хромосомы представителей разных видов. У родственных видов, например у человека и шимпан­зе, очень сходный характер чередования полос в хро­мосомах.

Каждый вид организмов обладает постоянным числом, формой и составом хромосом. В кариотипе человека 46 хромосом - 44 аутосомы и 2 половые хромосомы. Мужчины гетерогаметны (ХУ), а жен­щины гомогаметны (XX). У-хромосома отличается от Х-хромосомы отсутствием некоторых аллелей (на­пример, аллеля свёртываемости крови). Хромосомы одной пары называются гомологичными. Гомологич­ные хромосомы в одинаковых локусах несут аллель­ные гены.

ПРИМЕРЫ ЗАДАНИЙ №14

1. Что происходит с хромосомами в интерфазе ми­тоза?

2. Какие хромосомы называются гомологичными?

3. Что такое хроматин?

4. Всегда ли все хромосомы присутствуют в клетке?

5. Что можно узнать об организме, зная его число и форму хромосом в клетках?

2.2. Признаки организмов. Наследственность и изменчивость - свойства организмов. Одноклеточные и многоклеточные организмы. Ткани, органы, системы органов растений и животных, выявление изменчивости организмов. Приемы выращивания и размножения растений и домашних животных, ухода за ними

План лекции:

1. ТРАНСКРИПЦИЯ.

2. ПОНЯТИЕ О КОМПЛЕМЕНТАРНОСТИ.

3. ТРАНСЛЯЦИЯ.

4. МАТРИЧНЫЙ СИНТЕЗ.

Наиболее сложные органические вещества в клетке – белки. В процессе жизнедеятельности клетки они деформируются, денатурируются и на смену им создаются новые. Таким образом, биосинтез белков идет постоянно – ежеминутно клетка синтезирует несколько тысяч новых белковых молекул. Синтез белка состоит из нескольких этапов.

Транскрипция – Синтез белка происходит при участии ДНК, так как именно в молекуле ДНК записана структура белка, то есть определенный порядок расположения аминокислот. Участок молекулы ДНК, который несет в себе информацию о структуре индивидуального белка, называется геном .

С ДНК информация о структуре создаваемого белка переписывается на другую нуклеиновую кислоту – РНК. Таким образом, ДНК является матрицей, которая обеспечивает “отливку” первоисточника на молекулу РНК. Но РНК не только копирует структуру создаваемого белка, но и передает эту информацию из ядра клетки в рибосомы. Такая РНК называется информационной, она может содержать несколько тысяч нуклеотидов. Процесс переписывания информации с ДНК на РНК называется транскрипцией .

Если бы каждой аминокислоте (их 20) соответствовала своя «буква», то есть свой нуклеотид ДНК – всё было бы просто: определенная аминокислота списывалась бы со своего нуклеотида. Но нуклеотидов всего 4. Значит, на клеточную РНК может быть переписано лишь 4 аминокислоты. Остальные 16 не могли бы осуществить эту операцию. Поэтому природа изобрела другой механизм передачи информации – с помощью специального кода.

Изобретенный природой в процессе эволюции код ДНК состоит из 3 «букв» – 3-х нуклеотидов. Таким образом, каждой аминокислоте соответствует не один нуклеотид, а определенное сочетание 3-х нуклеотидов, которые называются «триплетом».

Например: аминокислота «Валин» кодируется следующей последовательностью нуклеотидов – Ц-А-А (цитозин – аденин – аденин). Аминокислота лейцин – А-А-Ц (аденин – аденин – цитозин). Поэтому, если в определенной части ДНК порядок нуклеотидов будет: Ц-А-А-А-Ц-А-А-А-Ц-Г-Г-Г, то, разбив этот ряд на тройки – «триплеты», можно расшифровать закодированные аминокислоты – Валин – цистеин – лейцин – пролин.

Для того чтобы передать информацию с ДНК на РНК, необходимо, чтобы передающее и воспринимающее устройства были настроены на одну волну посредством комплементарности . То есть, определенным нуклеотидам ДНК должны соответствовать конкретные нуклеотиды РНК. Например: если в одном месте цепи ДНК стоит нуклеотид Г (гуанин), то против него в цепочке РНК должен располагаться нуклеотид Ц (цитозин).

Таким образом, нуклеотиды РНК согласно принципу комплементарности будут располагаться следующим образом: Г(ДНК)-Ц(РНК), Ц(ДНК)-Г(РНК), А(ДНК)-У(РНК), Т(ДНК)-А(РНК) (У-уридил, Т-тимидил). Таким образом, одна и та же аминокислота – пролин в молекуле ДНК записывается триплетом Г-Г-Г, а после переписи на ДНК кодируется триплетом Ц-Ц-Ц.

Трансляция . Следующий этап состоит в том, что молекулы клеточной РНК покидают ядро и выходят в цитоплазму, где вступают в контакт с рибосомами. К рибосомам также направляется и строительный материал клетки – аминокислоты, из которых собираются молекулы белка в соответствии с кодом клеточной РНК. Транспортировку аминокислот к рибосомам осуществляет особый вид РНК – транспортный . Молекула её представляет собой короткие одинарные цепочки нуклеотидов. Каждая из 20 аминокислот имеет свою транспортную РНК, молекула транспортной РНК строго специфична. Перед тем как принять непосредственное участие в сборке молекулы белка, аминокислота заряжается за счёт АТФ. Эту энергию поставляют митохондрии. Заряженные энергией аминокислоты в сопровождении транспортной РНК направляются к рибосомам, где и происходит синтез белка.

Рибосомы состоят из 2 неравных долей, через которые, как сквозь бусинку, продергивается молекула транспортной РНК. Ещё этот процесс можно сравнить с прохождением магнитной ленты сквозь звукоснимающую головку, только РНК скользит не плавно, а шажками.

Таким образом, имеется 3 вида РНК – информационная, транспортная и рибосомальная – последняя входит в состав рибосом.

При сборке белковых молекул природа использует принцип матричного синтеза , чтобы обеспечить точное соответствие создаваемых молекул белка с планом, который заложен в структуре уже существующей молекулы.

Схематически весь процесс можно представить так: нитевидная РНК унизана телами округлой формы. Это рибосомы. 1 рибосома, нанизанная на нить с левого конца, начинает синтез белка. По мере её продвижения по нити РНК происходит сборка белковой молекулы. Затем на нить вступает 2, 3... и каждая собирает свой белок, который определен матрицей. Одновременно в каждую рибосому, движущуюся по нити РНК, поступают аминокислоты, сопровождаемые транспортным РНК. При этом присоединяется только та аминокислота, которая (согласно комплементарности) соответствует коду молекулы ДНК.

Этот процесс называется трансляцией . Соединение аминокислот между собой происходит под влиянием ферментов. Когда молекула белка готова, рибосомы соскакивает с нити РНК, и она освобождается для сборки новой молекулы. Готовая молекула белка перемещается в тот участок клетки, где она требуется. Процесс сборки молекулы белка идет очень быстро – за четверть секунды образуется молекула белка, состоящая из 146 аминокислот.

Программа сборки молекулы белка поступает в виде информационной РНК в рибосомы. «Строительный материал» – аминокислоты доставляются к месту сборки транспортной РНК. Матричный принцип обеспечивает такое построение белковой молекулы, который был ранее определен ДНК. Производство белка связано с расходованием энергии и осуществляется с участием ферментов. Энергию поставляют митохондрии, а переносчиком её является богатое энергией вещество АТФ.

Вопросы для самоподготовки:

1. Функции белка в клетке.

2. Этапы биосинтеза белка.

3. ДНК: расположение в клетке, роль в биосинтезе белка.

4. Разновидности РНК, их функции.

5. Транскрипция, участие ДНК и РНК.

6. Трансляция, роль рибосом.

7. Понятие о комплементарности.

1. Генетический код

2. Этапы биосинтеза белка

3. Регуляция синтеза белка

Транскрипция трансляция

ДНК → РНК → Белки → Регуляция метаболизма

Транскрипция – это синтез молекулы РНК или это процесс переписывания нуклеотидов гена с ДНК в РНК, всегда происходит на стадии двунитевой молекулы ДНК, при этом матрицей служит одна нить, которая называется антикодирующей.

Основные характеристики процесса транскрипции

1. РНК – копия содержит в себе весь объем информации определенного участка ДНК.

2. РНК сохраняет способность к образованию водородных связей между комплементарными основаниями (так как урацил, присутствующий в РНК вместо тимина спаривается с аденином)

3. Транскрипция отличается от репликации, при этом РНК-копия, после завершения ее синтеза освобождается от ДНК-матрицы, после чего происходит восстановление исходной двойной спирали ДНК.

4. Синтезирующие молекулы РНК имеют одноцепочечную структуру, она короче ДНК и соответствует длине участка ДНК, который достаточен для кодирования одного или нескольких белков.

Особенности данного процесса

1. В клетках эукариот – прежде чем превратится в и-РНК и попасть в цитоплазму, РНК претерпевает химические изменения.

2. В цитоплазме на каждой и-РНК синтезируются тысячи копий. Скорость этого процесса очень высока.

Генетический код

Генетический код – это аминокислотная последовательность белков. Он был расшифрован в 1961 году учеными Миренберпом и Маттеи. Они установили:

Кодирование аминокислот осуществляется триплетами нуклеотидов (кодонами) Из 4-х азотистых оснований можно составить 64 различные комбинации, которых достаточно для кодирования 20 аминокислот.

Кодон – это последовательность трех нуклеотидов, в результате которой кодируется определенная аминокислота.

Необходимо помнить, что:

Точность синтеза полипептидной цепи достигается за счет комплементарного узнавания азотистых оснований двух компонентов:

кодона информационной РНК антикодона транспортной РНК

Последовательность аминокислот в любом белке зависит от последовательности азотистых оснований в ДНК, содержащихся в той клетке, где синтезируется данный белок. Заложенная в ДНК информация считывается в процесс транскрипции матричной РНК (м-РНК) и переносится в белоксинтезирующую систему на рибосомы. Ученый Крик доказал триплетную теорию кодона, которая и объясняет способ перевода четырехбуквенного языка нуклеиновых кислот на 20-буквенный язык белковых молекул.

Кодон-антикодоновое взаимодействие – это способ узнавания триплетом (которым является м-РНК) комплементарного триплета (им является антикодон), входящего в состав соответствующей т-РНК.

Кодон и антикодон спариваются антипараллельным образом (теорий качаний Крика):

1. Два первых основания кодонов образуют прочные пары с соответствующими азотистыми основаниями антикодона.

2. Находящиеся в третьем положении азотистые основания кодонов образуют слабые водородные связи с антикодоном.

3. Вывод Крика: находящиеся в третьем положении основания большинства кодонов имеют некоторую степень свободы при образовании пары с соответствующими азотистым основанием антикодона – это и есть качающиеся основания.

4. Именно такое взаимодействие кодона с антикодоном обеспечивает включение аминокислоты в соответствующие участки полипептидной цепи синтезирующегося белка.

Этапы биосинтеза белка

1 этап – этап активации аминокислот

Компоненты:

1. 20 аминокислот

2. 20 ферментов аминоацил-т-РНК-синтетаз

3. 20 и более т-РНК, а также АТФ и ионы Мg²+

На этом этапее осуществляется АТФ-зависимые превращения аминокислот в аминоацил-т-РНК.

1 стадия – из аминокислоты и АТФ образуется аминоацил-аденилат – это активированное соединение (ангидрид), в котором карбоксильная группа аминокислоты соединена с фосфатной группой адениновой кислоты.

2 стадия – аминоацидная группа аминоацил-аденилата переносится на молекулу соответствующей т-РНК. В результате образуется аминоацил-т-РНК – это активированное соединение, участвующее в биосинтезе белка. Этот процесс активизируется аминоцаил-т-РНК-синтетазами.

Во всех случаях на 2-ой стадии активированная аминокислота присоединяется к остатку адениловой кислоты, или адениловому нуклеотиду в триплете ЦЦА (ССА) на третьем конце молекулы т-РНК (3’-Т-РНК).

Молекулы т-РНК переводят информацию, заключенную в и-РНК на язык белка.

Таким образом, генетический код расшифровывается с помощью двух адаптаров: это т-РНК и аминоцаил-т-РНК-синтетаза, в результате чего каждая аминокислота может занять место, определенное ей триплетной нуклеотидной последовательностью в и-РНК, т. е. своим кодоном.

Для дальнейшего синтеза необходимы рибосомы. Синтез белков, входящих в состав рибосомной структуры, происходит цитоплазме, самосборка – в ядрышке за счет взаимодействия молекул белков и рибосомной РНК при участии ионов Мg²+.

р-РНК выполняет роль каркасов для упорядоченного расположения рибосомных полипептидов.

Суб-частицы в рибосоме расположены несимметрично, имеют неправильную форму, и соединены друг с другом так, что между ними остается бороздка, через которую проходит молекула и-РНК в процесс синтеза полипептидной цепи, а также 2-ая бороздка, удерживающая растущую полипептидную цепь.

2 этап – Инициация полипептидной цепи

Компоненты:

1. и-РНК, гуанозинтрифосфат (ГТФ), ионы Мg²+

2. N-формилметионил-т-РНК

3. Инициирующий кодон в и-РНК

4. Рибосомные субчастицы (30S, 50S)

5. Факторы инициации (IF 1;2;3)

У E. coli и других прокариот N-концевой аминокислотой при сборке полипептидной цепи всегда является остаток N-формилметианила.

Стадии образования инициирующего комплекса

A) В результате взаимодействия 30S субъединицы (субчастицы) и фактора инициации образуется структура, в которой белок препятствует ее ассоциации с 50S субчастицей.

B) Присоединение к 30S субчастице и-РНК достигается с помощью инициирующего сигнала, представляющего собой богатую пуриновыми основаниями последовательность, центр которой находится на расстоянии 10 нуклеотидов от 5’-конца инициирующего кодона и-РНК.

C) Первый транслируемый кодон расположен на расстоянии 25 нуклеотидов от 5’ конца.

D) Инициирующий сигнал, представленный коротким участком и-РНК, в результате взаимодействия с комплементарной последовательностью нуклеотидов, расположенных с 3-го конца 30S субчастицы, способствует фиксированию и-РНК в нужном для инициации положении.

E) Это взаимодействие обеспечивает правильное положение инициирующего кодона на 30S субчастице.

A) К комплексу, состоящему из 30S субчастицы, фактора инициации и и-РНК, присоединяются ранее связавшиеся с N-формилметионилом т-РНК, второй фактор инициации и гуанозин-трифосфат (ГТФ).

B) Возникновение функционально активной 70S рибосомы а результате присоединения 50S-рибосомной субчастицы к ранее образовавшейся комплексной структуре.

3 стадия – приготовление инициирующего комплекса к продолжению процесса трансляции.

3 этап – Элонгация

На этой стадии происходит синтез полипептидной цепи.

Компоненты:

1. Инициирующий комплекс – 70S рибосома.

2. Набор аминоацил-т-РНК

3. Фактор элонгации, цианозинтрифосфат (ГТФ)

4. Пептидилтрансфераза, ионы Мg²+

Элонгация – это циклический процесс.

Стадии элонгации

1 стадия – образование аминоацил-т-РНК, которая является комплементарным кодон-антикодоновым взаимодействием, а также специфической связью между участками молекул т-РНК и р-РНК.

2 стадия - подготовка для вступления остатков аминокислот в реакцию образования пептидной связи.

3 стадия (транслокация) – это перемещение рибосомы вдоль и-РНК на один кодон. На образование однопептидной связи затрачивается энергия гидролиза 2-х молекул ГТФ.

A) Свободная т-РНК отделяется и уходит в цитоплазму.

B) В дальнейшем аминоацильный участок вновь подготовлен для связывания очередной аминоацил-т-РНК, антикодон который комплементарен следующему кодону и-РНК – начинается новый цикл элонгации.

4 этап – Терминация.

Компоненты:

АТФ Терминирующий кодон и-РНК Факторы освобождения полипептида

1) Рост полипептидной цепи продолжается, пока один из 3-х терминирующих кодонов (УАА, УГА, УАГ) не поступит в рибосому. В этом случае кодон-антикодо-нового взаимодействия не происходит.

2) К терминирующему кодону присоединяется ответственный за терминацию фактор, в результате прекращается дальнейший рост белковой цепи.

3) Синтезируемый белок, и-РНК и т-РНК определяются от рибосомы.

4) И0РНК распадается до свободных рибонуклеидов, а т-РНК и рибосомы, распавшись на две субъединицы, участвуют в новых циклах трансляции.

5 этап – Процессинг

Компоненты:

1. Специфические ферменты

2. Кофакторы

Образующиеся полипептидные цепи формируют более сложные белки или управляют процессами метаболизма в качестве ферментов.

На одной молекуле и-РНК работает несколько и более (до 100) рибосом. Они образуют полисому, и на каждой рибосоме строится своя полипептидная цепь (в биосинтезе гемоглобина участвуют полсомы из 5-6 рибосом).

Отличие биосинтеза белка

1. У прокариот – транскрипция и трансляция связаны между собой и синтез белка начинается сразу же на продолжающей синтезироваться молекуле и-РНК.

2. У эукариот – сначала на ДНК синтезируется и-РНК, затем она созревает и только зрелая участвует в трансляции.

Регуляция синтеза белка

В процессе эволюции был создан механизм регуляции действия генов. Геном каждой клетки приобрел характер комплекса, состоящего из:

Структурных генов, которые кодируют синтез белковых молекул (т-РНК и и-РНК); и Генов-регуляторов, которые обеспечивают упорядоченность в действии структурных генов.

Регуляция экспрессии (выражения) генов осуществляется на нескольких уровнях:

Генный – обусловлен изменением количества и локализации генов, контролирующих тот или иной признак. Транскрипционный – отвечает за то, какие и когда включать гены для наработки и-РНК. Трансляционный – обеспечивает отбор и-РНК, транслирующихся на рибосомах. Функциональный – связан с регуляцией активности ферментов.

Важнейшие функции организма - обмен веществ, рост, развитие, передача наследственности, движение и др. - осуществляются в результате множества химических реакций с участием белков, нуклеиновых кислот и других биологически активных веществ. При этом в клетках непрерывно синтезируются разнообразные соединения: строительные белки, белки-ферменты, гормоны. В ходе обмена эти вещества изнашиваются и разрушаются, а вместо них образуются новые. Поскольку белки создают материальную основу жизни и ускоряют все реакции обмена веществ, жизнедеятельность клетки и организма в целом определяется способностью клеток синтезировать специфические белки. Их первичная структура предопределена генетическим кодом в молекулеДНК.

Молекулы белков состоят из десятков и сотен аминокислот (точнее, из аминокислотных остатков). Например, в молекуле гемоглобина их около 600, и они распределены в четыре полипептидные цепочки; в молекуле рибонуклеазы таких аминокислот 124 и т. д.

Главная роль в определении первичной структуры белка принадлежит молекулам ДНК. Разные ее участки кодируют синтез разных белков, следовательно, одна молекула ДНК участвует в синтезе многих индивидуальных белков. Свойства белков зависят от последовательности аминокислот в полипептидной цепи. В свою очередь чередование аминокислот определяется последовательностью нуклеотидов в ДНК, и каждой аминокислоте соответствует определенный триплет. Экспериментально доказано, что, например, участок ДНК с триплетом ААЦ соответствует аминокислоте лейцину, триплет АЦЦ - триптофану, триплет АЦА-цистеину и т.д. Распределив молекулу ДНК на триплеты, можно представить, какие аминокислоты и в какой последовательности будут располагаться в молекуле белка. Совокупность триплетов составляет материальную основу генов, а каждый ген содержит информацию о структуре специфического белка (ген - это основная биологическая единица наследственности; в химическом отношении ген есть участок ДНК, включающий несколько сотен пар нуклеотидов).

Генетический код - исторически сложившаяся организация молекул ДНК и РНК, при которой последовательность нуклеотидов в них несет информацию о последовательности аминокислот в белковых молекулах. Свойства кода: триплетность (кодон), неперекрываемость (кодоны следуют друг за другом), специфичность (один кодон может определять в полииептидной цепи только одну аминокислоту), универсальность (у всех живых организмов один и тот же кодон обусловливает включение в полипептид одну и ту же аминокислоту), избыточность (для большинства аминокислот существует несколько кодонов). Триплеты, не несущие информации об аминокислотах, являются стоп триплетами, обозначающими место начала синтеза и-РНК. (В.Б. Захаров. Биология. Справочные материалы. М.,1997)

Поскольку ДНК находится в ядре клетки, а синтез белка происходит в цитоплазме, существует посредник, передающий информацию с ДНК на рибосомы. Таким посредником служит и РНК, на которую нуклеотидная последовательность переписывается, в точном соответствии с таковой на ДНК - по принципу комплементарности. Этот процесс получил название транскрипции и протекает как реакция матричного синтеза. Он характерен только для живых структур и лежит в основе важнейшего свойства живого - самовоспроизведения. Биосинтезу белка предшествует матричный синтез иРНК на нити ДНК. Возникшая при этом иРНК выходит из ядра клетки в цитоплазму, где на нее нанизываются рибосомы, сюда же с помощью тРЙК доставляются аминокислоты.

Синтез белка - сложный многоступенчатый процесс, в котором участвуют ДНК, иРНК, тРНК, рибосомы, АТФ и разнообразные ферменты. Вначале аминокисдоты в цитоплазме активируются с помощью ферментов и присоединяются к тРНК (к участку, где расположен нуклеотид ЦЦА). На следующем этапе идет соединение аминокислот в таком порядке, в каком чередование нуклеотидов с ДНК передано на иРНК. Этот этап называется трансляцией. На нити иРНК размещается не одна рибосома, а группа их - такой комплекс называется полисома (Н.Е. Ковалев, Л.Д. Шевчук, О.И. Щуренко. Биология для подготовительных отделений медицинских институтов).

Схема Биосинтез белка

Синтез белка состоит из двух этапов - транскрипции и трансляции.

I. Транскрипция (переписывание) - биосинтез молекул РНК, осуществляется в хромосомах на молекулах ДНК по принципу матричного синтеза. При помощи ферментов на соответствующих участках молекулы ДНК (генах) синтезируются все виды РНК (иРНК, рРНК, тРНК). Синтезируется 20 разновидностей тРНК, так как в биосинтезе белка принимают участие 20 аминокислот. Затем иРНК и тРНК выходят в цитоплазму, рРНК встраивается в субъединицы рибосом, которые также выходят в цитоплазму.

II. Трансляция (передача) - синтез полипептидных цепей белков, осуществляется в рибосомах. Она сопровождается следующими событиями:

1. Образование функционального центра рибосомы - ФЦР, состоящего из иРНК и двух субъединиц рибосом. В ФЦР всегда находятся два триплета (шесть нуклеотидов) иРНК, образующих два активных центра: А (аминокислотный) - центр узнавания аминокислоты и П (пептидный) - центр присоединения аминокислоты к пептидной цепочке.

2. Транспортировка аминокислот, присоединенных к тРНК, из цитоплазмы в ФЦР. В активном центре А осуществляется считывание антикодона тРНК с кодоном иРНК, в случае комплементарностн возникает связь, которая служит сигналом для продвижения (скачок) вдоль иРНК рибосомы на один триплет. В результате этого комплекс "кодон рРНК и тРНК с аминокислотой" перемещается в активный центр П, где и происходит присоединение аминокислоты к пептидной цепочке (белковой молекуле). После чего тРНК покидает рибосому.

3. Пептидная цепочка удлиняется до тех пор, пока не закончится трансляция и рибосома не соскочит с иРНК. На одной иРНК может умещаться одновременно несколько рибосом (полисома). Полипептидная цепочка погружается в канал эндоплазматиче-ской сети и там приобретает вторичную, третичную или четвертичную структуру. Скорость сборки одной молекулы белка, состоящего из 200-300 аминокислот, составляет 1-2 мин. Формула биосинтеза белка: ДНК (транскрипция) --> РНК (трансляция) --> белок.

Завершив один цикл, полисомы могут принять участие в синтезе новых молекул белка.

Отделившаяся от рибосомы молекула белка имеет вид нити, которая биологически неактивна. Биологически функциональной она становится после того, как молекула приобретает вторичную, третичную и четвертичную структуру, т. е. определенную пространственно специфическую конфигурацию. Вторичная и последующие структуры белковой молекулы предопределены в информации, заложенной в чередовании аминокислот, т. е. в первичной структуре белка. Иначе говоря, программа образования глобулы, ее уникальная конфигурация определяются первичной структурой молекулы, которая в свою очередь строится под контролем соответствующего гена.

Скорость синтеза белка обусловлена многими факторами: температурой среды, концентрацией водородных ионов, количеством конечного продукта синтеза, присутствием свободных аминокислот, ионов магния, состоянием рибосом и др.