Матричный характер реакции биосинтеза. биосинтез белка и нуклеиновых кислот

Биосинтез белка и нуклеиновых кислот

Биосинтез белка представляет собой вариант пластического обмена, при котором наследственная информация, собранная в ДНК, реализуется в форме конкретной белковой молекулы. Полученная генетическая информация проявляется в признаках организма за счет специфичных белков.

Белок синтезируется в цитоплазме на рибосомах и этот процесс называется трансляцией. Последовательность процесса биосинтеза белковой молекулы выглядит следующим образом:

1. Аминокислоты «приносят» к рибосомам транспортные РНК.
2. Рибосома передвигается по информационной РНК, останавливаясь и смещаясь на новый триплет при подходе новой аминокислоты.
3. Аминокислоты расположены таким образом, чтобы между ними образовалась пептидная связь. Благодаря этому постепенно собирается полипептид.
4. Синтез идет до того момента, пока рибосома не достигнет стоп-кодонов. Готовый полипептид переходит в цитоплазму.
5. На одной и-РНК работает группа рибосом, из которых формируется полисома. Благодаря полисоме синтезируются полипептидные цепочки одинакового строения.

К сведению: Скорость биосинтеза белковой макромолекулы большая. У высших животных в 1 мин формируется до 60 тыс. новых цепочек полипептида, соединенных в конкретной последовательности. Из 20 аминокислот создаются комбинации в больших количествах за счет разной длины и последовательности.

Генетическая информация надежно хранится в каждой клетке, участвуя в создании важной и основной структуры – белка, который отвечает за ход метаболизма. Синтез белка – сложный и четко отлаженный процесс, благодаря которому люди обладают общими и отличительными чертами

Смотри также:

• Генетическая информация в клетке
• Гены, генетический код и его свойства
• Клетка – генетическая единица живого. Хромосомы, их строение (форма и размеры) и функции. Число хромосом и их видовое постоянство. Соматические и половые клетки.

Обратная транскрипция

Долгое время считалось, что матричное копирование генетической информации может идти только в одном направлении: ДНК → РНК → белок. Эта схема получила название центральной догмы молекулярной биологии. Однако в ходе исследований было установлено, что в ряде случаев возможно копирование с РНК на ДНК – так называемая обратная транскрипция.

Способность переносить генетический материал с РНК на ДНК свойственна ретровирусам. Характерным представителем таких РНК-содержащих вирусов является вирус иммунодефицита человека. Встраивание вирусного генома в ДНК зараженной клетки происходит с участием особого фермента – обратной транскриптазы (ревертазы), выступающей как катализатор биосинтеза ДНК на матрице РНК. Ревертаза также входит в состав вирусной частицы. Новообразованная молекула интегрируется в клеточную ДНК, где служит для производства новых вирусных частиц.

Какие молекулы синтезируются на основе матрицы

К реакциям матричного синтеза относят:

• репликацию — удвоение генетического материала;
• транскрипцию — синтез рибонуклеиновых кислот;
• трансляцию — производство белковых молекул.

Репликация представляет собой превращение одной молекулы ДНК в две идентичные друг другу, что имеет огромное значение для жизненного цикла клеток (митоз, мейоз, удвоение плазмид, деление бактериальных клеток и т. д.). Очень многие процессы основаны на «размножении» генетического материала, а матричный синтез позволяет воссоздать точную копию любой молекулы ДНК.

Транскрипция и трансляция представляют собой две стадии реализации генома. При этом наследственная информация, записанная в ДНК, преобразуется в определенный белковый набор, от которого зависит фенотип организма. Данный механизм именуется путем «ДНК-РНК-белок» и составляет одну из центральных догм молекулярной биологии.

Реализация этого принципа достигается при помощи матричного синтеза, который сопрягает процесс образования новой молекулы с «исходным образцом». Основой такого сопряжения является фундаментальный принцип комплементарности.

Матричный характер реакции биосинтеза

Термин «матрица» употребляется, когда речь идет об отливке или повторения формы монет, медальонов, типографского шрифта. Форма для отливки точно копирует все детали, не упуская ни малейшей мелочи и не допуская лишних фрагментов. Матричный синтез похож на этот процесс: новые молекулы белка создаются по плану, который заложен в структуре ДНК.

Реакции матричного синтеза позволяют сохранять определенную последовательность мономерных звеньев в полимерной, длинной цепочке белка. Роль матрицы выполняет ДНК, информация с которой попадает на и- РНК. Полученные мономеры «сходят с конвейера» и собираются в одно место в клетке. За счет катализаторов, ускоряющих процесс, он проходит быстро и четко, без сбоев.

Расположение нуклеотидов ДНК и аминокислот белка в строгой последовательности, помогает фиксировать их на матрице, а затем собирать в белковую макромолекулу, «сшивая» определенные участки. Готовый полимер сходит с матрицы, и начинается синтез новой молекулы. 

Важно! Благодаря матричному синтезу возможно воспроизведение себе подобных клеток и организмов. Он помогает сохранять уникальный наследственный материал каждого организма

Трансляция

Термином трансляция (перевод) в биологии обозначают реакции, в результате которых в рибосомах с использованием в качестве матрицы иРНК осуществляется синтез полипептидной цепи. Полипептидная цепь удлиняется в процессе синтеза путем последовательного присоединения отдельных аминокислотных остатков. Для того чтобы понять, каким образом осуществляется образование пептидной связи между соответствующими аминокислотами, необходимо рассмотреть структуру рибосом и транспортных РНК (тРНК), участвующих с процессе трансляции.

Каждая рибосома состоит из двух субъединиц: большой и малой, которые могут отделяться друг от друга. В состав каждой субъединицы входит рибосомная РНК и белок. Некоторые рибосомные белки выполняют каталитические функции, то есть являются ферментами. Основная функция малой субъединицы — «расшифровка» генетической информации. Она связывает иРНК и тРНК, несущие аминокислоты. Функция большой субъединицы — образование пептидной связи между аминокислотами, принесенными в рибосому двумя соседними молекулами тРНК.

Транспортная РНК. Молекулы транспортных РНК невелики, в их состав входят 70-90 нуклеотидов. Функция тРНК заключается в том, чтобы в ходе процесса синтеза полипептидной цепи переносить на рибосомы определенные аминокислоты, при этом каждая аминокислота переносится соответствующей тРНК. Все молекулы тРНК способны образовывать характерную конформацию — конформацию клеверного листа. Такая конформация молекулы тРНК возникает потому, что в ее структуре имеется значительное количество нуклеотидов (по 4-7 в одном участке), комплементарных друг другу. Внутримолекулярное спаривание таких нуклеотидов за счет образования водородных связей между комплементарными основаниями и приводит к образованию такой структуры. У верхушки клеверного листа располагается триплет нуклеотидов, который комплементарен кодону иРНК, кодирующему аминокислоту. Этот триплет различен для тРНК, переносящих различные аминокислоты, и кодирует именно ту аминокислоту, которая переносится данной тРНК. Он называется антикодоном.

У основания клеверного листа находится участок, в котором связывается аминокислота. Таким образом, молекула тРНК не только переносит определенную аминокислоту, она имеет в своей структуре запись о том, что она переносит именно эту аминокислоту, причем эта запись сделана на языке генетического кода.

 В демонстрационной версии представлено только начало лекции. Полная версия доступна слушателям наших курсов.

Что такое ДНК человека

Человеческая ДНК, содержащаяся в ядре клетки, упакована в 23 пары хромосом и содержит около 3,1 миллиарда спаренных нуклеотидов. Помимо ядерной, в клетках человека, как и остальных эукариотических организмов, присутствует митохондриальная ДНК – фактор наследственности клеточных органелл митохондрий.

Кодирующие гены ядерной ДНК (их насчитывают от 20 до 25 тысяч) составляют лишь небольшую часть генома человека – примерно 1,5 %. Остальная часть ДНК ранее именовалась «мусорной», но многочисленные исследования выявляют существенную роль некодирующих участков генома, речь о которых шла несколько выше

Исключительно важно, кроме того, изучение процессов обратной транскрипции в человеческой ДНК

Наука уже сформировала достаточно четкое понимание того, что такое ДНК человека в структурном и функциональном отношении, но дальнейшая работа ученых в этой области будет приносить новые открытия и новые биомедицинские технологии.

8.2.3. Синтез белка window.top.document.title = «8.2.3. Синтез белка»;

Синтез белка (трансляция) является самым сложным из биосинтетических процессов: он требует очень большого количества ферментов и других специфических макромолекул, общее количество которых, видимо, доходит до трёхсот. Часть из них к тому же объединены в сложную трёхмерную структуру рибосом. Но несмотря на большую сложность синтез протекает с чрезвычайно высокой скоростью (десятки аминокислотных остатков в секунду). Процесс может замедляться и даже останавливаться ингибиторами-антибиотиками.

Модель 8.8. Полирибосома

В пятидесятых годах XX века было установлено, что синтез белка происходит в рибонуклеопротеиновых частицах, называющихся рибосомами. Диаметр рибосомы бактерии E. coli составляет 18 нм, а их общее количество – десятки тысяч в клетке. Рибосомы эукариот несколько крупнее (21 нм). Сам процесс протекает в пять этапов.

1. Активация аминокислот. Каждая из 20 аминокислот белка соединяется ковалентными связями к определённой т-РНК, используя энергию АТФ. Реакция катализуется специализированными ферментами, требующими присутствия ионов магния.

2. Инициация белковой цепи. и-РНК, содержащая информацию о данном белке, связывается с малой частицей рибосомы и с инициирующей аминокислотой, прикреплённой к соответствующей т-РНК. т-РНК комплементарна с находящимся в составе и-РНК триплетом, сигнализирующим о начале белковой цепи.

3. Элонгация. Полипептидная цепь удлиняется за счёт последовательного присоединения аминокислот, каждая из которых доставляется к рибосоме и встраивается в определённое положение при помощи соответствующей т-РНК. В настоящее время генетический код полностью расшифрован, то есть всем аминокислотам поставлены в соответствие триплеты нуклеотидов. Элонгация осуществляется при помощи белков цитозоля (так называемые факторы элонгации).

4. Терминация. После завершения синтеза цепи, о чём сигнализирует ещё один специальный кодон и-РНК, полипептид высвобождается из рибосомы.

5. Сворачивание и процессинг. Чтобы принять обычную форму, белок должен свернуться, образуя при этом определённую пространственную конфигурацию. До или после сворачивания полипептид может претерпевать процессинг, осуществляющийся ферментами и заключающийся в удалении лишних аминокислот, присоединении фосфатных, метильных и других групп и т. п.

Рисунок 8.2.3.1.Генетический код

Генетический код обладает рядом особенностей. Во-первых, в коде отсутствуют «знаки препинания», то есть сигналы, показывающие начало и конец кодонов. Во-вторых, 3 нуклеотидных триплета (УАГ, УАА, УГА) не соответствуют никакой аминокислоте, а обозначают конец полипептидной цепи, а кодон АУГ сигнализирует о начале цепи либо (если он в середине последовательности) об аминокислоте метионине. Многие аминокислоты могут кодироваться несколькими различными кодонами. Все кодоны аминокислот одинаковы у всех изученных организмов: от вируса до человека. Создаётся впечатление, что все организмы на Земле происходят от единого генетического предка. Впрочем, в последнее время в митохондриях клеток человека были обнаружены кодоны, не совпадающие с «нормальным» словарём. Их наличие представляет собой загадку для ученых.

Синтез белка требует больших затрат энергии – 24,2 ккал/моль. После окончания синтеза белок при помощи специального полипептидного лидера доставляется к месту своего назначения.

Синтез белка контролируют гены-операторы. Совокупность рабочих генов – операторов и структурных генов – называется оперон. Опероны не являются самостоятельной системой, а «подчиняются» генам-регуляторам, отвечающим за начало или прекращение работы оперона. Свой контроль гены-регуляторы осуществляют при помощи специального вещества, которое они при необходимости синтезируют. Это вещество реагирует с оператором и блокирует его, что влечёт за собой прекращение работы оперона. Если же вещество реагирует с небольшими молекулами – индукторами, это будет являться сигналом к возобновлению работы системы.

Модель 8.9. Синтез белка

Модель оперонов была разработана на микроорганизмах, но она соответствует и принципу работы генома эукариот. У последних гены образуют сложные системы, называемые супергенами, которые могут одновременно кодировать множество идентичных друг другу молекул белка.

Рисунок 8.2.3.2.Синтез белка у прокариот и эукариот

Все многоклеточные организмы развиваются из одной-единственной клетки – зиготы. Процесс дифференцировки клеток, видимо, связан с управлением синтезом белка генами-регуляторами, но каким конкретно образом осуществляется это управление – пока остаётся неясным.

Роль синтеза белка в болезни

Многие заболевания вызваны мутациями в генах из-за прямой связи между нуклеотидной последовательностью ДНК и аминокислотной последовательностью кодируемого белка. Изменения первичной структуры белка могут привести к неправильной укладке белка или нарушению его функции. Мутации в одном гене были идентифицированы как причина множества заболеваний, включая серповидно-клеточную анемию , известную как нарушения одного гена.

Серповидноклеточная анемия

Сравнение здорового человека и человека, страдающего серповидно-клеточной анемией, иллюстрирующее различные формы эритроцитов и различный кровоток в кровеносных сосудах.

Серповидно-клеточная анемия — это группа заболеваний, вызываемых мутацией в субъединице гемоглобина, белка, обнаруженного в красных кровяных тельцах, ответственных за транспортировку кислорода. Самая опасная серповидно-клеточная анемия известна как серповидноклеточная анемия. Серповидно-клеточная анемия является наиболее распространенным гомозиготным рецессивным заболеванием с одним геном , что означает, что больной должен иметь мутацию в обеих копиях пораженного гена (по одной унаследованной от каждого родителя), чтобы страдать от болезни. Гемоглобин имеет сложную четвертичную структуру и состоит из четырех полипептидных субъединиц — двух субъединиц A и двух субъединиц B. Пациенты, страдающие серповидно-клеточной анемией, имеют миссенс-мутацию или мутацию замещения в гене, кодирующем полипептидную цепь B-субъединицы гемоглобина. Миссенс-мутация означает, что нуклеотидная мутация изменяет общий триплет кодонов таким образом, что другая аминокислота сочетается с новым кодоном. В случае серповидно-клеточной анемии наиболее распространенной миссенс-мутацией является мутация одного нуклеотида от тимина до аденина в гене субъединицы B гемоглобина. Это изменяет кодон 6, кодирующий аминокислоту глутаминовую кислоту, на кодон валина.

Это изменение первичной структуры полипептидной цепи субъединицы В гемоглобина изменяет функциональность многосубъединичного комплекса гемоглобина в условиях низкого содержания кислорода. Когда красные кровяные тельца выгружают кислород в ткани тела, мутировавший белок гемоглобина начинает слипаться, образуя полутвердую структуру внутри красных кровяных телец. Это искажает форму красных кровяных телец, в результате чего приобретает характерную «серповидную» форму, и снижает гибкость клеток. Эти жесткие, искаженные эритроциты могут накапливаться в кровеносных сосудах, создавая закупорку. Блокировка препятствует притоку крови к тканям и может привести к их отмиранию, что причиняет человеку сильную боль.

Что представляют собой белки

Белок является важнейшим функциональным элементом в клетках всех живых организмов. Они выполняют каталитическую, структурную, регуляторную, сигнальную, защитную и множество других функций.

Молекула белка – это биополимер, образованный последовательностью аминокислотных остатков. Она, как и молекулы нуклеиновых кислот, характеризуется наличием нескольких уровней структурной организации – от первичного до четвертичного.

Существует 20 видов обладающих определенными особенностями (канонических) аминокислот, используемых живыми системами для построения огромного количества самых разнообразных белков. Самостоятельно белок, как правило, не синтезируется. Ведущая роль в формировании сложной белковой молекулы принадлежит нуклеиновым кислотам – ДНК и РНК.

Ген и его роль в биосинтезе.

Белки являются важнейшими компонентами живого не только потому, что составляют большую по массе часть клетки, но и потому, что обеспечивают ее функциональную активность и уникальность. Каждая клетка имеет набор своих специфических белков, которые характерны конкретно для этой клетки. Он отличается как от набора белков клеток других организмов, так и от набора белков, свойственных клеткам других тканей данного организма, т.к. в каждой клетке осуществляется синтез специфичных именно для нее белков. Информация о том, какие белки должны синтезироваться в клетках данного организма, сохраняется в ядре, «записана» эта инфомация в виде последовательности нуклеотидов в ДНК. Часть молекулы ДНК (участок ДНК), последовательность нуклеотидов, определяющая последовательность аминокислот в данном белке, называется геном. В молекуле ДНК в зависимости от эволюционного пути, который прошел данный организм, может содержаться от сотен до десятков тысяч генов.

Код ДНК

Каким же образом последовательность нуклеотидов может определять последовательность аминокислот? Известно, что ДНК состоит из четырех видов нуклеотидов, то есть информация в ДНК записывается четырьмя буквами (А, Г, Т, Ц). Из математических расчетов вытекает, что для кодирования одной аминокислоты требуется более одного нуклеотида, поскольку в белках обнаруживается 20 различных аминокислот. Поскольку из 4 нуклеотидов можно сделать лишь 16 различных сочетаний по два нуклеотида (42=16), что менее 20, то кодирующая аминокислоту последовательность должна состоять более, чем из двух букв. Если записывать кодирующее «слово» сочетанием трех букв (нуклеотидов), то число различных вариантов будет составлять 43=64, что больше 20. Таким образом, комбинации из трех нуклеотидов (триплетный код) будет достаточно, чтобы закодировать 20 аминокислот. Набор сочетаний из трех нуклеотидов, кодирующих определенные аминокислоты, называют кодом ДНК или генетическим кодом.

В настоящее время код ДНК полностью расшифрован, то есть известно, какие триплетные сочетания нуклеотидов кодируют 20 аминокислот, входящих в состав белка. Пользуясь комбинацией, состоящей из трех нуклеотидов, можно сделать значительно большее количество кодирующих «слов», чем необходимо для кодирования 20 аминокислот. Оказалось, что каждая аминокислота кодируется более, чем одним триплетом, то есть генетический код вырожден. Так, например, аминокислота фенилаланин может кодироваться как последовательностью УУУ (код иРНК), так и последовательностью УУЦ. Только две аминокислоты (триптофан и метионин) кодируются одним триплетом. Нужно отметить, что термин «вырожденный» не означает «неточный», так как один триплет не может кодировать две аминокислоты. Таким образом, генетический код однозначен. 

Существенная особенность генетического кода заключается в том, что в нем отсутствуют сигналы, отделяющие одно кодирующее «слово» (его называют кодоном) от другого. Именно поэтому считывание информации должно начинаться с правильного места молекулы ДНК (РНК) и продолжаться последовательно от одного кодона к другому. В противном случае последовательность нуклеотидов окажется измененной во всех кодонах. Это подтверждается обнаружением мутаций, при которых из последовательности либо выпадает (делеция), либо встраивается в нее (вставка) один или два нуклеотида. При этих мутациях в результате сдвига рамки считывания синтезируется дефектный белок. В случае, когда выпадают или встраиваются три нуклеотида, на основе этого гена синтезируется белок, который отличается от нормального лишь отсутствием одной аминокислоты (делеция трех нуклеотидов) или появлением дополнительной аминокислоты (вставка трех нуклеотидов).

Еще одна особенность генетического кода заключается в том, что три триплета (УАА, УАГ и УГА) кодируют не аминокислоты, а своеобразные «знаки препинания». Они являются стоп-сигналами, которые сигнализируют об окончании синтеза полипептидной цепи. Генетический код универсален, то есть триплеты, кодирующие одну и ту же аминокислоту, одинаковы у всех живых существ: один и тот же кодон кодирует определенную аминокислоту, как у человека, так и у вируса или растения. Таким образом, генетический язык одинаков для всех видов.

Универсальность генетического кода свидетельствует о том, что он возник в процессе генетической эволюции почти в том виде, в котором существует и сегодня. Вырожденность кода затрагивает только третье основание кодона: так, например, серин кодируется триплетами УЦУ, УЦЦ, УЦА и УЦГ. Таким образом, кодирование определенной аминокислоты определяется главным образом двумя первыми буквами. Это дает основание полагать, что генетический код был сначала дуплетным и содержал информацию о 16 (или менее) аминокислотах.

Перевод

Иллюстрирует процесс трансляции, показывающий цикл спаривания кодон-антикодон тРНК и включение аминокислоты в растущую полипептидную цепь рибосомой.

Рибосома на цепи мРНК с прибывающими тРНК, которые выполняют спаривание кодонов и антикодонов, доставляют свою аминокислоту в растущую полипептидную цепь и уходят. Демонстрирует действие рибосомы как биологической машины, которая в наномасштабе выполняет трансляцию. Рибосома движется вдоль зрелой молекулы мРНК, включающей тРНК и производящей полипептидную цепь.

Во время трансляции рибосомы синтезируют полипептидные цепи из матричных молекул мРНК. У эукариот трансляция происходит в цитоплазме клетки, где рибосомы либо свободно плавают, либо прикрепляются к эндоплазматической сети . У прокариот, у которых отсутствует ядро, процессы как транскрипции, так и трансляции происходят в цитоплазме.

Рибосомы — это сложные молекулярные машины , состоящие из смеси белка и рибосомной РНК , организованных в две субъединицы (большую и малую), которые окружают молекулу мРНК. Рибосома считывает молекулу мРНК в направлении 5′-3 ‘и использует ее в качестве матрицы для определения порядка аминокислот в полипептидной цепи. Чтобы транслировать молекулу мРНК, рибосома использует небольшие молекулы, известные как передаточные РНК (тРНК), для доставки правильных аминокислот к рибосоме. Каждая тРНК состоит из 70-80 нуклеотидов и принимает характерную структуру клеверного листа из-за образования водородных связей между нуклеотидами внутри молекулы. Существует около 60 различных типов тРНК, каждая тРНК связывается с определенной последовательностью из трех нуклеотидов (известной как кодон ) в молекуле мРНК и доставляет определенную аминокислоту.

Рибосома первоначально прикрепляется к мРНК в стартовом кодоне (AUG) и начинает транслировать молекулу. Нуклеотидная последовательность мРНК читается триплетами — три соседних нуклеотида в молекуле мРНК соответствуют одному кодону. Каждая тРНК имеет открытую последовательность из трех нуклеотидов, известную как антикодон, которые комплементарны по последовательности конкретному кодону, который может присутствовать в мРНК. Например, первый встреченный кодон — это стартовый кодон, состоящий из нуклеотидов AUG. Правильная тРНК с антикодоном (комплементарная 3-нуклеотидная последовательность UAC) связывается с мРНК с помощью рибосомы. Эта тРНК доставляет правильную аминокислоту, соответствующую кодону мРНК, в случае стартового кодона это аминокислота метионин. Следующий кодон (соседний со стартовым кодоном) затем связывается правильной тРНК с комплементарным антикодоном, доставляя следующую аминокислоту к рибосоме. Затем рибосома использует свою ферментативную активность пептидилтрансферазы, чтобы катализировать образование ковалентной пептидной связи между двумя соседними аминокислотами.

Затем рибосома перемещается вдоль молекулы мРНК к третьему кодону. Затем рибосома высвобождает первую молекулу тРНК, так как только две молекулы тРНК могут быть объединены одной рибосомой за один раз. Выбирается следующая комплементарная тРНК с правильным антикодоном, комплементарным третьему кодону, доставляющая следующую аминокислоту к рибосоме, которая ковалентно присоединена к растущей полипептидной цепи. Этот процесс продолжается, когда рибосома движется вдоль молекулы мРНК, добавляя к полипептидной цепи до 15 аминокислот в секунду. За первой рибосомой до 50 дополнительных рибосом могут связываться с молекулой мРНК, образуя полисому , что позволяет одновременно синтезировать несколько идентичных полипептидных цепей. Обрыв растущей полипептидной цепи происходит, когда рибосома встречает стоп-кодон (UAA, UAG или UGA) в молекуле мРНК. Когда это происходит, тРНК не может распознать ее, и фактор высвобождения индуцирует высвобождение полной полипептидной цепи из рибосомы. Доктор Хар Гобинд Хорана , ученый из Индии, расшифровал последовательности РНК примерно для 20 аминокислот. Он был удостоен Нобелевской премии в 1968 году вместе с двумя другими учеными за свою работу.

Решение задач по расшифровке генетического кода

В молекулярной биологии широко используется таблица генетического кода. Ее применяют для определения последовательности аминокислот в белке.

Используя таблицу для расшифровки генетического кода, следует вспомнить сокращенные названия аминокислот, которые нам понадобятся при решении задач.

Рассмотри алгоритм действий при решении задач на определение генетического кода.

1. Разделим участок молекулы ДНК на отдельные триплеты: ААГ – ЦТТ – ТГЦ – ЦАГ.

2. Первый триплет начинается с аденина А ищем его в первом горизонтальном столбце. Учитываем, что нуклеотиды ДНК расположены в таблице генетического кода в скобках. Второе основание тоже аденинА расположен во втором горизонтальном столбце. Третье основание – гуанин Г, расположен в последнем столбце таблицы генетического кода. На пересечении столбцов мы находим необходимую аминокислоту – Фен, используя таблицу сокращений аминокислот, узнаем, что это фенилаланин.

3. Таким же способом определяем аминокислоты ещё для трех триплетов.

В итоге получаем для триплета ЦТТ – глутаминовая кислота, ТГЦ кодирует треонин, а ЦАГ – валин. Тогда у нас получилась следующая последовательность аминокислот: Фен – Глу – Тре – Вал. Соответственно, из данного отрезка молекулы ДНК образуется белок, состоящий из полученной последовательности аминокислот. Биосинтез белка сложный, многоступенчатый процесс, который рассмотрим в следующем пункте.

Реакции матричного синтеза

Реакции матричного синтеза представляют собой реакции, которые идут с использованием матрицы. Матрица представляет собой готовую структуру, в соответствии с которой осуществляется синтез новой структуры. Для синтеза белковых молекул необходимо осуществление реакций двух типов: транскрипции, которая необходима для переноса генетической информации из ядра в цитоплазму, и трансляции. Кроме того, к реакциям матричного синтеза относится реакция самоудвоения ДНК (репликация). При синтезе ДНК и синтезе иРНК в качестве матрицы используется одна из цепей ДНК, на которой происходит образование комплементарной ей цепи. Таким образом, в результате реакций матричного синтеза образуются структуры, построенные по строго определенному плану. Реакции матричного синтеза характерны лишь для живой природы, в результате их осуществления становится возможным передача информации от одного поколения живых существ, к другому (репликация), а также синтез молекул белков в соответствии с информацией, заложенной в генетическом материале.

Транскрипция — первый этап биосинтеза белка

Транскрипция — это процесс синтеза молекулы иРНК на участке молекулы ДНК.

Транскрипция (с лат. transcription — переписывание) происходит в ядре клетки с участием ферментов, основную работу из которых осуществляет транскриптаза. В этом процессе матрицей является молекула ДНК.

Спе­ци­аль­ный фер­мент на­хо­дит ген и рас­кру­чи­ва­ет уча­сток двой­ной спи­ра­ли ДНК. Фер­мент пе­ре­ме­ща­ет­ся вдоль цепи ДНК и стро­ит цепь ин­фор­ма­ци­он­ной РНК в со­от­вет­ствии с прин­ци­пом ком­пле­мен­тар­но­сти. По мере дви­же­ния фер­мен­та рас­ту­щая цепь РНК мат­ри­цы от­хо­дит от мо­ле­ку­лы, а двой­ная цепь ДНК вос­ста­нав­ли­ва­ет­ся. Когда фер­мент до­сти­га­ет конца ко­пи­ро­ва­ния участ­ка, то есть до­хо­дит до участ­ка, на­зы­ва­е­мо­го стоп-ко­до­ном, мо­ле­ку­ла РНК от­де­ля­ет­ся от мат­ри­цы, то есть от мо­ле­ку­лы ДНК. Таким об­ра­зом, тран­скрип­ция — это пер­вый этап био­син­те­за белка. На этом этапе про­ис­хо­дит счи­ты­ва­ние ин­фор­ма­ции путём син­те­за ин­фор­ма­ци­он­ной РНК.

Копировать информацию, хотя она уже содержится в молекуле ДНК, необходимо по следующим причинам: синтез белка происходит в цитоплазме, а молекула ДНК слишком большая и не может пройти через ядерные поры в цитоплазму. А маленькая копия её участка — иРНК — может транспортироваться в цитоплазму.

После транскрипции громоздкая молекула ДНК остаётся в ядре, а молекула иРНК подвергается «созреванию» — происходит процессинг иРНК. На её 5’ конец подвешивается КЭП для защиты этого конца иРНК от РНКаз — ферментов, разрушающих молекулы РНК. На 3’ конце достраивается поли(А)-хвост, который также служит для защиты молекулы. После этого проходит сплайсинг — вырезание интронов (некодирующих участков) и сшивание экзонов (информационных участков). После процессинга подготовленная молекула транспортируется из ядра в цитоплазму через ядерные поры.

Транскрипция пошагово:

1. РНК полимераза садится на 3’ конец транскрибируемой цепи ДНК.
2. Начинается элонгация — полимераза «скользит» по ДНК в сторону 5’ конца и строит цепь иРНК, комплементарную ДНК.
3. Полимераза доходит до конца гена, «слетает» с ДНК и отпускает иРНК.
4. После этого происходит процесс созревания РНК — процессинг.

Проверьте себя: помните ли вы принцип комплементарности? Молекула ДНК состоит из двух спирально закрученных цепей. Цепи в молекуле ДНК противоположно направлены. Остов цепей ДНК образован сахарофосфатными остатками, а азотистые основания одной цепи располагаются в строго определённом порядке напротив азотистых оснований другой — это и есть правило комплементарности.

Некоторые свойства генетического кода

Генетический код практически универсален – за очень малым количеством исключений он одинаков у всех организмов, от бактерий до человека. Это свидетельствует, во-первых, о родстве всех форм жизни на Земле, а во-вторых, о древности самого кода. Вероятно, на ранних этапах существования примитивной жизни достаточно быстро сформировались разные варианты кода, но эволюционное преимущество получил только один.

Кроме того, он специфичен (однозначен): разные аминокислоты не кодируются одним и тем же триплетом. Также для генетического кода характерна вырожденность, или избыточность – несколько кодонов могут соответствовать одной и той же аминокислоте.

Считывание генетической записи осуществляется непрерывно; функции знаков препинания выполняют также триплеты оснований. Как правило, в генетическом «тексте» не бывает перекрывающихся записей, однако здесь тоже не обходится без исключений.

Как происходит репликация

Матричный синтез ДНК происходит с участием множества ферментов и вспомогательных белков. Ключевыми компонентами являются:

• ДНК-хеликаза — расплетает двойную спираль, разрушает связи между цепями молекулы;
• ДНК-лигаза — «зашивает» разрывы между фрагментами Оказаки;
• праймаза — синтезирует затравку, необходимую для работы ДНК-синтезирующего фрагмента;
• SSB-белки — стабилизируют одноцепочечные фрагменты расплетенной ДНК;
• ДНК-полимеразы — синтезируют дочернюю матричную цепь.

Хеликаза, праймаза и SSB-белки подготавливают почву для синтеза. В результате каждая из цепей исходной молекулы становится матрицей. Синтез осуществляется с огромной скоростью (от 50 нуклеотидов в секунду).

Работа ДНК-полимеразы происходит в направлении от 5`к 3`- концу. Из-за этого на одной из цепей (лидирующей) синтез происходит по ходу расплетания и непрерывно, а на другой (отстающей) — в обратном направлении и отдельными фрагментами, названными «Оказаки».

Y-образная структура, образованная в месте расплетания ДНК, называется репликационной вилкой.

Транскрипция

На первом этапе транскрипции с цепочки ДНК снимается абсолютно точная копия, в результате которой получается идентичная с исходной цепочка РНК. Для такой информационной копии нужен катализатор, в роли которого выступают ферменты, и источник питания, в случае синтеза белка — это АТФ. Процесс синтеза происходит с высокой скоростью — в пределах одного организма за минуту осуществляется до 60 000 связей на уровне пептидов.

Рис 3. Сравнение ДНК и РНК.

Двойная цепочка ДНК расположена в ядре клетки в виде спирали. В начале транскрипции она разматывается и на одной из частей начинается синтез иРНК, так называемая информационная. Это одинарная цепь, точно повторяющая структуру  ДНК. Поэтому реакции биосинтеза белка называют матричными.  Вместо тимина, находящегося в нематричной цепочке ДНК, в иРНК используется  урацил. В качестве катализатора «работает» РНК-полимераза.

Сложность возникает в том, что генов в молекуле ДНК очень много, а копировать нужно только один из них, причем, строго определенный. То есть, начинать снятие информации РНК должна не только в заданный момент, но и с заданного места. Для исключения ошибок в начале каждого фрагмента ДНК расположен специальный маркер, комбинация нуклеотидов под названием «промотор». Копирование с такого маркера начинается и на таком же, но с противоположной стороны, заканчивается. Конечный маркер получил название «терминатор».

Особенности репликационного комплекса

Репликация протекает также с участием сложной совокупности ферментов – реплисомы, главную роль в которой играет ДНК-полимераза.

Одна из цепочек в ходе биосинтеза ДНК является лидирующей и формируется непрерывно. Образование отстающей цепи проходит путем присоединения коротких последовательностей – фрагментов Оказаки. Эти фрагменты сшиваются при помощи ДНК-лигазы. Такое течение процесса называется полунепрерывным. Кроме того, его характеризуют как полуконсервативный, поскольку в каждой из новообразованных молекул одна из цепей – материнская, а вторая – дочерняя.

Репликация ДНК – это один из ключевых этапов при клеточном делении. Данный процесс лежит в основе передачи наследственной информации новому поколению, а также роста организма.