Хранение наследственной информации

Понятие о генетическом коде. Одним из важнейших процессов, происходящих процессов, происходящих в клетках живого организма, является синтез белков. Так как белки выполняют в клетке целый ряд функций, то и синтезировать необходимо тысячи различных белков, тем более что большинство из них имеют ограниченный срок функционирования. Поэтому синтез таких белков (компонентов мемб­ран, гормонов, ферментов) не прекращается ни на минуту. Так, за сутки в организме человека распадается около 400[VV113] г раз­личных белков, следовательно, столько же необходимо синтезировать снова.

Каждый вид живых организмов имеет свой собственный, строго опре­деленный набор белков. Белки являются основой уникальности каждо­го вида, хотя некоторые из них, выполняющие одну и ту же функцию в разных организмах, могут быть похожими и даже одинаковыми.

С другой стороны, все особи одного вида хоть немного, но отлича­ются друг от друга. На Земле нет, например, двух абсолютно одинако­вых людей[VV114] или амеб. Индивидуальную неповторимость каждой особи определяют различия в структуре белков.

Свойства белков определяются прежде всего их первичной струк­турой, т. е. последовательностью аминокислот в молекуле белка. Информация о первичной структуре белка заключена в последовательности нуклеотидов в молекулах ДНК. Следовательно, информация о строении и жизнедеятельности как каждой клетки, так и всего многоклеточного организма в целом за­ключена в нуклеотидной последовательности ДНК. Эта информация получила название наследственной, или генетической информации. У часток ДНК, в котором содержится информация о первичной структуре одного бел­ка, называется ген. Это значит, что в молекуле ДНК каждое сообщение закодиро­вано специфической последователь­ностью из четырех знаков-нуклеотидов — А, Г, Т, Ц, подобно тому, как письмен­ные сообщения кодируются знака­ми (буквами) алфавита или азбуки Морзе. Единая система записи информации о первичной структуре белка в виде последовательности нуклеотидов получила название генетического кода.

Свойства генетического кода. Генетический код характеризуется следующими свойствами:

1. Код является триплетным, т.е. каждая аминокислота кодиру­ется сочетанием из трех последовательно расположенных нуклеотидов. Такое сочетание из трех нуклеотидов называется триплетом, или кодоном. Нетруд­но подсчитать, что число возмож­ных комбинаций из четырех нук­леотидов по три составит 64, что более чем достаточно для кодиро­вания 20 аминокислот, входящих в состав белка. К настоящему времени известно, какие триплеты в ДНК (и в иРНК)[VV115] соответствуют той или иной из 20 аминокислот, входящих в состав белков (табл.).

2. Код является вырожденным, т.е. одна и та же аминокис­лота может кодироваться несколь­кими триплетами (от 2 до 6).

Например, в иРНК фенилаланин может кодироваться триплетом УУУ или УУЦ; изолейцин — АУУ, АУЦ, АУА; пролин — ЦЦУ, ЦЦЦ, ЦЦА, ЦЦГ; серии — УЦУ, УЦЦ, УЦА, УЦГ, АГУ, АГЦ.

Исключение составляют метионин и триптофан: каждая из этих аминокислот кодируется только од­ним — АУГ и УГГ, соответственно.

3. Код однозначен, т.е. каждый триплет кодирует только одну ами­нокислоту.

4. Код является неперекрывающимся, т.е. один и тот же нуклеотид не может входить одновремен­но в состав двух соседних трипле­тов.

5. Код непрерывен, или иначе — не имеет знаков препинания. Это значит, что если произойдет выпадение од­ного нуклеотида, то при считыва­нии его место займет ближайший нуклеотид из соседнего кодона, из-за чего изменится весь порядок счи­тывания. Поэтому правильное счи­тывание кода с иРНК обеспечива­ется только в том случае, если он считывается со строго определенно­го пункта. Стартовым кодоном в молекуле иРНК является трипле­ты АУГ.

6. Код универ­сален для всех живых организмов: одинаковые триплеты кодируют одинаковые аминокислоты. Уни­версальность генетического кода свидетельствует о единстве проис­хождения всех живых организ­мов.

Таблица 4 Генетический код [VV116]

(первый нуклеотид триплета берут из левого вертикального ряда, второй —

из горизонтального ряда, третий — из правого вертикаль­ного)

Первое основание	Второе основание	Третье основание
	У(А)	Ц(Г)	А(Т)	Г(Ц)
У(А)	Фен	Сер	Тир	Цис	У(А)
	Фен	Сер	Тир	Цис	Ц(Г)
	Лей	Сер	—	—	А(Т)
	Лей	Сер	—	Три	Г(Ц)
Ц(Г)	Лей	Про	Гис	Apr	У(А)
	Лей	Про	Гис	Apr	Ц(Г)
	Лей	Про	Глн	Apr	А(Т)
	Лей	Про	Глн	Apr	Г(Ц)
А(Т)	Иле	Тре	Асн	Сер	У(А)
	Иле	Тре	Асн	Сер	Ц(Г)
	Иле	Тре	Лиз	Apr	А(Т)
	Мет	Тре	Лиз	Apr	Г(Ц)
Г(Ц)	Вал	Ала	Асп	Гли	У(А)
	Вал	Ала	Асп	Гли	Ц(Г)
	Вал	Ала	Глу	Гли	А(Т)
	Вал	Ала	Глу	Гли	Г(Ц)

В одной молекуле ДНК может быть закодирована последо­вательность аминокислот для мно­гих белков, т.е. в одной хромосоме содержится много генов.

Различают гены, в которых закодирована информация для синтеза белков, и гены с информаци­ей для синтеза тРНК, рРНК.

s 1. Что представляет собой наследственная информация? 2. Каким образом хранится наследственная информация в клетках? 3. Что такое генетический код и каковы его свойства? 4. Как вы думаете, каково биологическое значение того факта, что большинство аминокислот, входящих в состав белков, закодировано не одним, а несколькими триплетами?

§ 29. Реализация наследственной информации — синтез белка на рибосомах

Процесс биосинтеза белка осуществляется на рибосомах, расположенных в цитоплазме. Носителем генетической информации является ДНК. Для передачи генетической ин­формации с ДНК, находящейся в ядре, к месту синтеза белка требу­ется посредник. Его роль выполня­ет информационная РНК (иРНК), которая на основе прин­ципа комплементарности синтези­руется на одной из цепей молеку­лы ДНК. Информационную РНК в научной литературе часто называют еще матричной РНК (мРНК).

Транскрипция. Переписывание наследственной информации с ДНК на иРНК называется транскрипцией (от лат. транскрипцио —переписывание). Этот процесс происходит следующим образом. Определенный участок двуцепочечной ДНК раскручивается. Вдоль одной из цепочек (кодирующей) движется фермент РНК-полимераза, соединяя между собой нуклеотиды в растущую цепь иРНК (рис.). Та­кая иРНК является комплементар­ной транскрибируемой цепи ДНК, а это значит, что порядок нуклеотидов в иРНК строго определен по­рядком нуклеотидов в ДНК. Так, комплементарным цитидиловому (Ц) нуклеотиду ДНК является гуаниловый (Г) нуклеотид РНК, и наоборот: тимидиловому (Т) — адениловый (А), адениловому — урациловый (У) (не тимидиловый, так как в состав иРНК вместо тимина входит урацил). Синтезируемая цепочка иРНК, пред­ставляет собой точную копию второй (нематричной) цепочки ДНК (только вместо тимина включен урацил). В результате информация о последо­вательности аминокислот в белке переводится[VV117] с «языка ДНК» на «язык РНК». Таким образом, одна и та же информация кодируется теперь уже другими знаками (нуклеотидами РНК). Транскрипция может происхо­дить одновременно на нескольких генах одной хромосомы и на генах, расположенных на разных хромо­сомах.

Так как в одной молекуле ДНК может находиться множество генов, очень важно, чтобы РНК-полимера­за начала синтез иРНК со строго определенного места ДНК, иначе в структуре иРНК будет записана неверная информация. Поэтому в начале каждого гена находится особая специфическая последовательность нуклеотидов, называемая промотором. РНК-полимераза «узнает» промотор, взаимодействует с ним и, таким образом, начинает синтез цепочки иРНК с нужного места. Фермент продолжает синтезировать иРНК, присоединяя к ней новые нуклеотиды, до тех пор пока не дой­дет до определенной последовательности нуклеотидов в молекуле ДНК — термина­тора. Эта последовательность нуклеотидов указывает на то, что синтез иРНК нужно прекратить.

У прокариот синтезированные молекулы иРНК сразу же могут взаимодействовать с рибосомами и участвовать в синтезе белков. У эукариот иРНК синтезируется в ядре, поэтому сначала она взаимо­действует со специальными ядерными белками и переносится через ядерную мембрану в цитоплазму.

На специальных генах синтези­руются и два других типа РНК — тРНК и рРНК.

Трансляция [BЭ118]. В цитоплазме происходит процесс синтеза белка, ко­торый называют трансляцией. Трансляция (от греч. трансляцио — передача) — это пере­вод[VV119] последовательности нуклеотидов молекулы иРНК в последова­тельность аминокислот молекулы белка (рис.).

В цитоплазме обязательно должен иметься 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 взаимодействует с малой субъединицей рибосомы тем концом, с которого начинается считывание информации. Считывание информации осуществляется в направлении от 5' к 3'-концу иРНК. Син­тез белка начинается со стартового кодона АУГ. Так как этот кодон кодирует аминокислоту метионин, то все белки (за исключени­ем специальных случаев) будут начинаться с метионина. После связывания иРНК с малой субъединицей, к ней присоединяется большая субъединица, которая прикрепляется к поверхности эндоплазматической сети. От стартового кодона молекула иРНК прерывисто, триплет за трип­летом, продвигается через рибосо­му, что сопровождается ростом по­липептидной цепочки.

Выстраивание аминокислот в соответствии с кодонами иРНК осу­ществляется на рибосомах при по­мощи тРНК — главных участников синтеза белка. Благодаря опреде­ленному расположению комплемен­тарных нуклеотидов цепочка тРНК имеет форму, напоминающую лист клевера (рис.). При этом тРНК имеет акцепторный конец, к кото­рому присоединяется активирован­ная энергией АТФ аминокислота.

В противоположной части моле­кулы тРНК располагается специфи­ческий триплет (антикодон), ответ­ственный за прикрепление по прин­ципу комплементарности к опреде­ленному триплету иРНК (кодон).

Молекула тРНК с присоединен­ной к ней активированной амино­кислотой своим антикодоном взаимодействует с кодоном иРНК. Затем в соответствии со следующим кодоном иРНК к ней прикрепляется вторая тРНК с ак­тивированной аминокислотой. В рибосоме оказываются две амино­кислоты, между которыми возни­кает пептидная связь. Первая тРНК, освободившись от аминокис­лоты, покидает рибосому. Далее к образованному дипептиду таким же образом пристраивается третья, чет­вертая и последующие аминокислоты, доставленные в рибосому своими тРНК. Процесс продолжается до тех пор, пока в рибосому не попадет один из трех терминирующих кодонов: УАА, УАГ или УГА, после чего синтез белка прекращается.

Все описанные реакции происходят за очень маленький промежуток времени. Подсчитано, что синтез крупной молекулы белка осуществляется приблизительно за 2 минуты.

Молекула иРНК может связы­ваться одновременно с нескольки­ми рибосомами. Комплекс из иРНК и рибосом (от 5 — 6 до не­скольких десятков) называется полисомой. Образование полисом повышает эффективность функци­онирования иРНК, так как позволяет одно­временно осуществлять синтез нескольких идентичных по­липептидных цепей.

После завершения синтеза белка рибосома распадается на две субъединицы, а иРНК под действием ферментов расщепляется на отдельные нуклеотиды. Белковая цепочка в это время оказывается полностью изолированной внутри полости ЭПС, где происходит ее дальнейшее созревание (формирование вторичной, третичной и четвертичной структуры, присоединение к белковой молекуле небелковых компонентов). Если синтез белка осуществлялся на рибосомах, связанных с цитоскелетом, то синтезированная белковая молекула транспортируется в нужную часть клетки, где принимает соответствующую конформацию и используется.

Таким образом, роль нуклеино­вых кислот в биосинтезе белка зак­лючается в преобразовании генети­ческой информации, представлен­ной в виде последовательности нуклеотидов ДНК, в структуру моле­кулы иРНК, а затем в последова­тельность аминокислот в молекуле белка. Реакции синтеза иРНК (транскрипция) и белка (трансля­ция) осуществляются по матрицам (ДНК и иРНК соответственно), по­этому они получили названия ре­акций матричного синтеза.

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

 1. Что такое ген? 2. Как осуществляется биосинтез белка в клетке и какова роль нуклеиновых кислот в этом процессе? 3. Какой процесс называется транскрипцией? 4. Что такое трансляция? 5. Что такое терминирующие кодоны? 6. Сколько видов тРНК участвует в синтезе белков в клетке? 7. Почему синтез всех типов РНК и белко­вых молекул называется реакциями матрич­ного синтеза? 8. Требуют ли процессы синтеза белка затрат энергии? Или, на­оборот, в процессах синтеза белка происходит выделение энер­гии? 9. Исследования показали, что 34 % общего числа нуклеотидов данной иРНК приходится на гуанин, 18 % — на урацил, 28 % — на цитозин и 20 % — на аденин. Определите процентный состав азотистых оснований двухцепочечной ДНК, слепком с которой является указанная иРНК.

Дата добавления: 2014-01-04