Свойства генетического кода
1. Код триплетен.
В состав РНК входят 4 нуклеотида: А, Г, Ц, У. Если бы мы попытались обозначить одну аминокислоту одним нуклеотидом, то можно было бы зашифровать лишь 4 аминокислоты, тогда как их 20 и все они используются в синтезе белков. Двухбуквенный код позволил бы зашифровать 16 аминокислот (из 4 нуклеотидов можно составить 16 различных комбинаций, в каждой из которых имеется 2 нуклеотида).
В природе же существует трехбуквенный или триплетный код. Это означает, что каждая из 20 аминокислот зашифрована последовательностью 3 нуклеотидов, т. е. триплетом, который получил название кодон. Из 4 нуклеотидов можно создать 64 различные комбинации, по 3 нуклеотида в каждой (43=64). Этого с избытком хватает для кодирования 20 аминокислот и, казалось бы, 44 триплета являются лишними. Однако это не так. Почти каждая аминокислота шифруется более чем одним кодоном (от 2 до 6). Это видно из таблицы генетического кода.
Рис. 7.12. Таблица генетического кода
Код однозначен.
Каждый триплет шифрует только одну аминокислоту.
3. Между генами имеются «знаки препинания». Каждый ген кодирует одну полипептидную цепочку. Поскольку в ряде случаев мРНК является копией нескольких генов, они должны быть отделены друг от друга. Поэтому в генетическом коде существуют три специальные триплета (УАА, УАГ, УГА), каждый из которых обозначает прекращение синтеза одной полипептидной цепи. Таким образом эти триплеты выполняют функцию знаков препинания. Они находятся в конце каждого гена.
4. Внутри гена знаков препинания нет. Поскольку генетический код подобен языку, разберем это его свойство на примере такой, составленной из триплетов, фразы:
жил был кот тих был сер мил мне тот кот
Смысл написанного понятен, несмотря на отсутствие знаков препинания. Если же мы уберем в первом слове одну букву (один нуклеотид в гене), но читать будем также тройками букв, то получится бессмыслица:
илб ылк отт ихб ылс ерм илм нет отк от
Бессмыслица возникает и при выпадении одного или двух нуклеотидов из гена. Белок, который считывается с такого «испорченного» гена, не будет иметь ничего общего с тем белком, который кодировался нормальным геном. Поэтому ген в цепи ДНК имеет строго фиксированное начало считывания.
Код универсален.
Код един для всех живущих на Земле существ. У бактерий и грибов, злаков и мхов, муравья и лягушки, окуня и пеликана, черепахи, лошади и человека одни и те же триплеты кодируют одни и те же аминокислоты.
Биосинтез белка
Биосинтез белковпроисходит во всех клетках прокариот и эукариот на рибосомах.
Это процесс синтеза полипептидной цепи из аминокислотных остатков на рибосомах клеток живых организмов с участием мРНК (матричной) и тРНК (транспортной). Для синтеза белка необходимо, чтобы информация о его первичной структуре (цепочке аминокислот) должна быть доставлена к рибосомам. Этот процесс включает два этапа – транскрипцию и трансляцию.
Транскрипция(от лат. «транскрипцио» - переписывание)-переписывание генетической информации в форме мРНК. Матричная РНК - посредник, передающий информацию от ДНК к месту сборки молекул белка на рибосоме. Синтез мРНК (транскрипция) происходит следующим образом. Фермент (РНК - полимераза) расщепляет двойную цепочку ДНК, и на одной из ее цепей (матрице) по принципу комплементарности выстраиваются нуклеотиды РНК (Рис. 7.13). По длине каждая из молекул мРНК в сотни раз короче ДНК, так как мРНК - копия только части молекулы ДНК, одного гена или группы рядом лежащих генов, несущих информацию о структуре белков, необходимых для выполнения одной функции. Синтезированная молекула мРНК, пройдя через поры ядерной оболочки, направляется к рибосомам, где осуществляется расшифровка генетической информации - перевод ее с «языка» нуклеотидов на «язык» аминокислот - трансляция.
Рис. 7.13. Схема образования мРНК на матрице ДНК
Трансляция(от лат. «трансляцио» - передача) - перевод информации в молекуле мРНК в последовательность аминокислот в полипептидной цепочке. В клетках эукариот мРНК сначала должна быть доставлена через ядерную оболочку в цитоплазму. Перенос осуществляется специальными белками, которые образуют комплекс с молекулой мРНК. Кроме функций переноса эти белки защищают мРНК от повреждающего действия цитоплазматических ферментов.
В цитоплазме на один из концов мРНК (а именно на тот, с которого начинается синтез молекулы в ядре) вступает рибосома и начинается синтез полипептидной цепочки. По мере продвижения по молекуле мРНК рибосома транслирует триплет за триплетом, последовательно присоединяя аминокислоты к растущему концу полипептидной цепи. Точное соответствие аминокислоты коду триплета мРНК обеспечивается тРНК.
Транспортные РНК (тРНК) «приносят» аминокислоты на рибосомы. Молекула тРНК имеет сложную конфигурацию. На некоторых участках ее между комплементарными нуклеотидами образуются водородные связи, и молекула по форме напоминает лист клевера. На ее верхушке расположен триплет свободных нуклеотидов (антикодон), который соответствует определенной аминокислоте, а основание служит местом прикрепления этой аминокислоты (рис. 7.14).
Рис. 7.14.Схема строения транспортной РНК: 1 - антикодон; 2 —место прикрепления аминокислоты.
Каждая тРНК может переносить только свою аминокислоту, активируется специальными ферментами, присоединяет свою аминокислоту и транспортирует ее в рибосому. Аминокислоты располагаются в большой субъединице рибосомы, и с помощью ферментов между ними устанавливается пептидная связь. Одновременно разрушается связь между аминокислотой и ее тРНК, которая уходит из рибосомы за следующей аминокислотой. Рибосома перемещается на один триплет, и процесс повторяется. Так постепенно наращивается молекула полипептида, в которой аминокислоты располагаются в строгом соответствии с порядком кодирующих их триплетов нуклеотидов (Рис. 7.15.).
Рис. 7.15. Схема биосинтеза белка
Одна рибосома способна синтезировать полную полипептидную цепь. Когда на рибосоме оказывается один из трех триплетов, являющихся знаками препинания между генами, это означает, что синтез белка завершен. Полипептидная цепочка отделяется от матрицы – молекулы мРНК, сворачивается в спираль и приобретает свойственную ей (вторичную, третичную или четвертичную) структуру. Рибосомы работают очень эффективно: в течение 1с бактериальная рибосома образует полипептидную цепь из 20 аминокислот.
Процесс синтеза белковой молекулы требует больших затрат энергии. На соединение каждой аминокислоты с тРНК расходуется энергия одной молекулы АТФ. Средний по размерам белок состоит из 500 аминокислот, следовательно, столько же молекул АТФ расщепляются в процессе его синтеза. Кроме того, энергия нескольких молекул АТФ нужна для движения мРНК по рибосоме.
Идея о том, что генетическая информация записана на молекулярном уровне и что синтез белков идет по матричному принципу, впервые была сформулирована еще в 20-х годах ХХ века отечественным биологом Николаем Константиновичем Кольцовым.
Рис.7.4. Н.К. Кольцов (1872-1940)
В настоящее время матричный принцип биосинтеза белков полностью доказан. Он составляет одно из важнейших положений современной биологии.
Вопросы и задания
1. Подготовьте ответы на вопросы:
1. Строение и функции хромосом
1.Какую функцию выполняют в живых системах хромосомы? Где они локализованы в клетках грибов, растений, животных? 2. Назовите органические вещества, из которых состоят хромосомы. Укажите, какие из них являются носителями функции хромосом. Какова роль других? 3. Как устроена хромосома?
4. Кто и когда открыл хромосомы? 5. Что такое репликация? 6. Отличается ли состав и пространственная структура хромосом в активно функционирующей и делящейся клетке? Дайте развернутый ответ. 7. В чем общность и разница понятий «хроматин» и «хромосома»? 8. Что такое кариотип? Понятие «кариотип» относится к особи или к виду в целом? 9. Чем отличаются кариотипы мужчины и женщины? 10. Какие хромосомы называют гомологичными?
2. Структура ДНК. Репликация. Ген. Генетический код. 1. Что такое генетический код? 2. Как устроен нуклеотид ДНК? 3.Сколько аминокислот составляют все многообразие белков в организмах? 4. Сколько разных нуклеотидов содержит ДНК? 5. Сколько нуклеотидов кодируют одну аминокислоту? 6. Как называется комбинация нуклеотидов, соответствующая одной аминокислоте? 7. В чем состоит универсальность генетического кода? 8. Сколько видов нуклеотидов встречается в составе молекулы ДНК? Чем они отличаются между собой? 9. Найдите на таблице (Рис. 7.12.) три триплета, которые не кодируют ни одной аминокислоты. Объясните, в чем заключается их роль. 10. В какой нуклеиновой кислоте — ДНК, мРНК, тРНК — находятся триплеты, указанные в графах таблицы «Генетический код » (Рис.7.12.)? 11. Каковы функции ДНК в организме?
3. Биосинтез белка1.Назовите типы РНК, каковы функции каждой из них? 2. На какие два этапа подразделяют процесс синтеза белка? 3. Что такое «транскрипция»? Укажите, где в клетке локализовано осуществление этого процесса. 4. Какая мРНК образуется при транскрипции участка ДНК -Г—Ц—Г—Г—А—Т-? В какую часть клетки перемещается синтезированная мРНК? 5. Дайте определение понятия «трансляция». Укажите, где в клетке происходит этот процесс. 6. Какие вещества необходимы для осуществления трансляции? Какие вещества образуются в результате трансляции? 7. Что называют кодоном и антикодоном? Как связаны эти понятия? 8. Какова роль тРНК в трансляции? 9. Может ли полипептид, отделившись от рибосомы, сразу начать выполнять функции, свойственные белку данного состава? Почему? Какие еще преобразования должны с ним произойти?
10. Возможно ли, зная последовательность аминокислот в полипептидной цепи, однозначно назвать последовательность нуклеотидов в цепи мРНК, с которой осуществлялась трансляция? Ответ поясните (с каким свойством генетического кода это связано?).
2. Выполните тест:
1.Структурной и функциональной единицей генетической информации является:
а) нить ДНК б) участок молекулы ДНК в) молекула ДНК г) ген.
2. Генетический код – это последовательность:
а) нуклеотидов в рРНК б) нуклеотидов в мРНК
в) нуклеотидов в ДНК г) аминокислот в белке.
3. Какая клетка имеет гаплоидный (2n) набор хромосом?
а) нейрон б) зигота в) сперматозоид г) эритроцит.
4. Белки – биологические полимеры, мономерами которых являются:
а) аминокислоты б) моносахариды в) нуклеотиды г) пептиды.
5. Последовательность аминокислотных остатков в молекуле белка определяет его структуру как:
а) первичную б) вторичную в) третичную г) четвертичную.
6. Одноцепочечная нить, состоящая из большого числа нуклеотидов четырех типов, представляет собой молекулу:
а) РНК б) ДНК в) АТФ г) АМФ.
7. Как называется нуклеотид, комплементарный тимину:
а) аденин б) гуанин в) цитозин г) урацил.
8. Ген – это:
а) нуклеотид молекулы ДНК б) одна нить молекулы ДНК в) молекула ДНК
г) участок молекулы ДНК, служащий матрицей для синтеза одного белка.
9. Транскрипция – это:
а) синтез белка б) синтез мРНК в) синтез дочерних ДНК г) синтез рРНК.
10. мРНК в процессе биосинтеза белка:
а) передает генетическую информацию б) ускоряет реакции биосинтеза
в) хранит генетическую информацию г) является местом синтеза белка.
11. Кодон соответствует:
а) одному нуклеотиду б) двум нуклеотидам в) трем нуклеотидам
г) четырем нуклеотидам.
12. Функция т-РНК заключается в:
а) хранении генетической информации б) ускорении реакций биосинтеза белка
в) переносе генетической информации г) переносе аминокислот к рибосомам.
3. Решите кроссворд «Нуклеиновые кислоты ДНК и РНК»
- Органоид клетки, имеющий собственную ДНК.
- РНК, выполняющая функцию доставки аминокислот к месту синтеза белка.
- Химическая связь между комплементарными основаниями в ДНК.
- Мономер нуклеиновых кислот.
- Второе название и-РНК.
- Азотистое основание, характерное только для РНК.
- Моносахарид, входящий в состав РНК.
- Азотистое основание, комплементарное тимину.
- Нуклеиновая кислота, входящая в состав хромосом.
- Органоид клетки, на котором происходит синтез белка.
- Окруженная оболочкой часть клетки, содержащая хромосомы.
4.Запишите словосочетания:
Нуклеиновая …
Полипептидная …
Гомологичные …
Матричная …
Генетический …
Гаплоидный набор …