Молекулярные основы наследственности (110

Таблица 1 - Последовательность нуклеотидов в кодонах и РНК

Наследственная информация с молекулы ДНК считывается(транскрибируется) на молекулу и РНК, где каждому триплету ДНК соответствует кодон на молекуле и РНК. В табл.1 представлены последовательности нуклеотидов в кодонах молекулы мРНК для различных аминокислот (всего их 20).

Свойства генетического кода:

1.Генетический код универсален – един для всех организмов (вирусов,

бактерии, растений, животных и человека).

2.Код триплетный. Местоположение каждой аминокислоты кодируется сочетанием строго определенных трех нуклеотидов в молекуле мРНК,

образующих один специфический кодон.

3.Код вырожденный. Одна аминокислота может кодироваться несколькими (от одного до шести) кодонами. Только две аминокислоты кодируются одним триплетом - метионин (АУГ) и триптофан (УГГ).

10

4.Код неперекрывающийся. Нуклеотидная последовательность считывается подряд в одном направлении – от 5| к 3|концу, триплет за триплетом.

5.Кодон АУГ, находящийся в начале молекулы мРНК на конце 5|,

является инициатором синтеза полипептидной цепи. Если данный кодон находится в середине молекулы мРНК, то он кодирует аминокислоту метионин.

6.Кодоны УАГ («амбер»), УАА («охра») и УГА(«опал») являются терминаторами (стоп-сигналами) синтеза. Когда считывание генетической информации в молекуле РНК доходит до одного из этих кодонов дальнейший синтез прекращается и полипептидная цепь отделяется от рибосомы.

4 Строение и типы РНК

Как и ДНК РНК является полинуклеотидом, однако в строении этих двух

макромолекул имеются следующие отличия:

1.В состав нуклеотидов РНК входит сахар рибоза, а не дезоксирибоза.

2.В молекуле РНК не встречается азотистое основание тимин, вместо него присутствует урацил.

3.Молекулы РНК чаще всего одноцепочечные, тогда как ДНК прокариот и эукариот всегда двуцепочечная.

4.Молекулы РНК в клетках намного короче, чем молекулы ДНК.

Различают несколько типов РНК в зависимости от их функции в клетке.

Информационная (или матричная) РНК несёт информацию о первичной структуре белка и играет роль матрицы при синтезе белка на рибосомах.

Молекула и-РНК линейна, одноцепочечна, обычно длиной не менее 1000

нуклеотидов ( размер зависит от размера кодируемого ею белка ). Составляет –

5%, от всех РНК в клетке.

11

Транспортная РНК осуществляет специфический перенос аминокислот к месту синтеза белка на рибосомах. Длина т-РНК составляет 75-95 нуклеотидов.

Молекулы имеют вид клеверного листа. Для каждой из 20 входящих в состав белков аминокислот существует не менее одной т-РНК. На 3 конце молекулы расположен однонитевой 4-х нуклеотидный участок РНК. Три последних нуклеотида у всех молекул т-РНК являются ЦЦА ( акцепторный конец ). В

антикодоновой петле находятся 3 нуклеотида, называемые антикодоном. С

ними происходит специфическое комплементарное взаимодействие кодона и-

РНК при синтезе белка. Т-РНК составляют до 15% всей клеточной РНК (рис.5).

Рисунок 5 – Структура т-РНК ( А, Б, В, Г – участки комплементарного соединения; Д – участок соединения с аминокислотой; Е – антикодон).

Рибосомальная РНК. Она входит в состав малой и большой субъединиц рибосом и принимает участие в транскрипции. Гены, кодирующие р-РНК, в

геноме эукариот обычно сгруппированы в ядрышковом организаторе хромосомы, на котором в интерфазе образуется ядрышко. р-РНК наиболее представлена ( 80% всей РНК ) в клетке.

12

5 Транскрипция

Синтез рибонуклеиновых кислот (РНК) на матрице ДНК называется транскрипцией.

В процессе транскрипции различают следующие стадии: 1) инициация синтеза РНК; 2) элонгация; 3) терминация синтеза РНК (рис.6).

Рисунок 6. Транскрипция и-РНК.

Транскрипция начинается с присоединения фермента РНК – полимеразы к промоторам – специфическим участкам на молекуле ДНК, определяющим место начала и направление синтеза РНК. РНК – полимераза узнаёт, какую из

2-х цепей ДНК использовать в качестве матрицы для синтеза РНК, расплетает двойную цепь ДНК приблизительно на 15-20 нуклеотидов и синтезирует молекулу РНК по матричному принципу на одной из цепей ДНК. РНК синтезируется всегда в направлении - . Инициация состоит в образовании молекулы РНК из 3-9 нуклеотидов. Далее идёт наращивание цепи РНК – элонгация. Синтез РНК продолжается до тех пор, пока РНК – полимераза не достигнет определённого участка гена, называемого терминатором. На этом участке фермент отсоединяется от молекулы ДНК.

13

Процессинг и-РНК

Молекулы и-РНК у прокариот могут быть использованы в трансляции

сразу после их синтеза. У эукариот синтез и-РНК ( и других РНК )

осуществляется в ядре, а белка – в цитоплазме. При трансляции у эукариот образуется сначала первичный транскрипт – пре-и-РНК. В ядре молекула РНК подвергается изменениям, которые совокупно называются процессинг РНК.

На первом этапе из молекулы РНК вырезаются некодирующие участки – интроны, а оставшиеся кодирующие области – экзоны сшиваются в единую

полиаденилирования к концу молекулы присоединяется большое количество остатков аденина ( ~200 ) ( это единственный в клетке процесс нематричного синтеза ДНК ). После этого зрелая иРНК покидает ядро и выходит в цитоплазму.

6 Трансляция

Зрелая и-РНК переносит наследственную информацию о первичной структуре белка из ядра в цитоплазму, являясь первичным посредником ДНК.

Информация в последовательности кодонов с неё считывается, переводится в последовательность аминокислот в белок рибосомами.

Как у прокариот, так и у эукариот рибосомы состоят из двух субъединиц – малой и большой. Размер рибосом и их субъединиц измеряется в константах

(S). У прокариот рибосомы имеют коэффициент седиментации 70S (субъединиц

30S и 50S), а у эукариот коэффициент седиментации рибосом – 80S (40S и 60S). В состав рибосом помимо рибосомальной РНК входят белки.

Процесс трансляции состоит из 5 этапов.

1. Активация свободных аминокислот. Она осуществляется с помощью ферментов аминоацил-т-РНК-синтез в присутствии АТФ.

14

2. Присоединение к т-РНК активированной аминокислоты. Аминокислота присоединяется к акцепторному концу т-РНК, этот процесс так же осуществляется аминоацил- т-РНК- синтезами. Всего в клетке присутствует 20

типов аминоацил-т-РНК- синтез. Каждый фермент узнаёт все т-РНК,

специфичные для одной аминокислоты.

3. Инициация. Малая субъединица рибосомы садится на молекулу и-РНК около конца на участке связывания АУГ, затем туда же прикрепляется т-

РНК, несущая метионин. После этого к малой субъединице прикрепляется большая субъединица рибосомы. В активной рибосоме выделяют два центра: Р-

пептидильный и А- аминоацильный. т-РНК с метионином оказывается в Р-

участке, а в А- участок поступает следующая РНК, антикодон который комплементарен кодону, следующему за АУГ. В большой субъединицы происходит соединение 2-х аминокислот с образованием между ними пептидной связи в результате активности фермента пептидилтрансферазы.

Затем рибосома смещается вдоль и-РНК на 3 нуклеотида и т-РНК из А- участка оказывается в Р- участке. Таким образом А- участок освобождается для другой т-РНК.

4.Элонгация. Многократное повторение этого процесса, включающая образование пептидной связи между аминокислотами и продвижение рибосомы вдоль и-РНК на 1 «шаг», соответствующей 3 нуклеотидам, приводят к росту полипептидной цепи.

5.Терминация. Рост полипептидной цепи продолжается до тех пор, пока в аминоацильный центр не поступит один из трёх терминирующих кодонов (

нонсенскодонов ), т.е. УАА, УАГ или УГА. Затем рибосома распадается на две субъединицы (рис.7).

15

Рисунок 7. Трансляция на рибосоме Обычно одна молекула и-РНК участвует в синтезе нескольких идентичных

молекул белков за счёт присоединения к ней последовательно нескольких рибосом ( полирибосома ). Скорость синтеза у эукариот 7 аминокислот в секунду, у прокариот в 2-3 раза быстрее.

Таким образом, процесс передачи, а, следовательно, и реализация наследственной информации с молекулы ДНК осуществляется путём образования различных белков с участием различных типов РНК. При этом состав аминокислот и структуры белковой молекулы, определяется последовательностью нуклеотидов в соответствующем участке ( гене)

молекулы ДНК.

7 Моделирование биосинтеза белка в клетке

1. В одной из цепочек молекулы ДНК нуклеотиды расположены в такой последовательности:

Т-А-Г-А-Г-Т-Ц-Ц-Ц-Г-А-Ц-А-Ц-Г-Т-Т-Т-Т-А-Ц-А-Ц-А-Т-Г-Г-Ц-А-Г-

а) постройте комплементарную цепочку данной молекулы ДНК. Сколько нуклеотидов, содержащих аденин, в ней будет?

б) постройте и-РНК на данной ДНК. Сколько нуклеотидов, содержащих урацил, в ней будет?

16

в) постройте участок молекулы белка, кодируемый данной ДНК. Сколько молекул лизина он содержит?

г) выпишите все т-РНК, участвующие в данном биосинтезе. Сколько разных типов т-РНК принимает в нём участие?

2. В одной из цепочек молекулы ДНК нуклеотиды расположены в такой последовательности:

Г-Т-А-А-Т-А-А-Ц-Ц-Т-Т-Т-Т-Г-А-Ц-Г-А-А-Ц-А-Ц-Г-А-Т-Г-А-Т-Г-А-

а) постройте комплементарную цепочку данной молекулы ДНК. Сколько нуклеотидов, содержащих цитозин, в ней будет?

б) постройте и-РНК на данной ДНК. Сколько нуклеотидов, содержащих урацил, в ней будет?

в) постройте участок молекулы белка, кодируемый данной ДНК. Сколько молекул аланина он содержит?

г) выпишите все т-РНК, участвующие в данном биосинтезе. Сколько разных типов т-РНК принимает в нём участие?

3. В одной из цепочек молекулы ДНК нуклеотиды расположены в такой последовательности:

Ц-Т-А-А-А-А-Г-Ц-А-Ц-Т-Т-А-Ц-А-Т-Т-Т-Т-Т-Т-А-А-А-Ц-А-Т-А-Г-А-Ц-А-

а) постройте комплементарную цепочку данной молекулы ДНК. Сколько нуклеотидов, содержащих цитозин, в ней будет?

б) постройте и-РНК на данной ДНК. Сколько нуклеотидов, содержащих гуанин, в ней будет?

в) постройте участок молекулы белка, кодируемый данной ДНК. Сколько молекул лизина и триптофана он содержит?

г) выпишите все т-РНК, участвующие в данном биосинтезе. Сколько разных типов т-РНК принимает в нём участие?

17

4. В одной из цепочек молекулы ДНК нуклеотиды расположены в такой последовательности:

Ц-Г-А-Ц-Ц-А-Ц-Т-Т-Г-Т-А-Ц-Т-А-Т-Т-Т-Г-А-Т-Т-Т-А-Г-А-А-А-А-

а) постройте комплементарную цепочку данной молекулы ДНК. Сколько нуклеотидов, содержащих тимин, в ней будет?

б) постройте и-РНК на данной ДНК. Сколько нуклеотидов, содержащих аденин, в ней будет?

в) постройте участок молекулы белка, кодируемый данной ДНК. Сколько молекул лизина он содержит?

г) выпишите все т-РНК, участвующие в данном биосинтезе. Сколько разных типов т-РНК принимает в нём участие?

5. В одной из цепочек молекулы ДНК нуклеотиды расположены в такой последовательности:

А-Т-А-А-Ц-Ц-А-Ц-А-Ц-А-Ц-Т-А-Т-Т-Т-Ц-Т-Т-Г-Т-А-Ц-Т-Т-А-А-А-Г-Г-А-

Ц-Т-Т-

а) постройте комплементарную цепочку данной молекулы ДНК. Сколько нуклеотидов, содержащих гуанин, в ней будет?

б) постройте и-РНК на данной ДНК. Сколько нуклеотидов, содержащих урацил, в ней будет?

в) постройте участок молекулы белка, кодируемый данной ДНК. Сколько молекул глутамина он содержит?

г) выпишите все т-РНК, участвующие в данном биосинтезе. Сколько разных типов тРНК принимает в нём участие?

6. В одной из цепочек молекулы ДНК нуклеотиды расположены в такой последовательности:

Г-Г-А-А-Ц-Ц-Ц-Т-Т-Т-Т-Т-Ц-Т-А-Ц-Г-А-Ц-Т-А-А-Т-А-А-Ц-А-А-Т-А-

а) постройте комплементарную цепочку данной молекулы ДНК. Сколько нуклеотидов, содержащих гуанин, в ней будет?

18

б) постройте и-РНК на данной ДНК. Сколько нуклеотидов, содержащих аденин, в ней будет?

в) постройте участок молекулы белка, кодируемый данной ДНК. Сколько молекул тирозина он содержит?

г) выпишите все т-РНК, участвующие в данном биосинтезе. Сколько разных типов т-РНК принимает в нём участие?

7. В одной из цепочек молекулы ДНК нуклеотиды расположены в такой последовательности:

Т-Г-А-Т-Т-Т-А-Т-А-Т-А-Ц-Ц-Т-А-Ц-А-А-Т-А-А-Ц-Т-А-Г-Г-А-Ц-Т-А-Ц-А-

А-

а) постройте комплементарную цепочку данной молекулы ДНК. Сколько нуклеотидов, содержащих аденин, в ней будет?

б) постройте и-РНК на данной ДНК. Сколько нуклеотидов, содержащих цитозин, в ней будет?

в) постройте участок молекулы белка, кодируемый данной ДНК. Сколько молекул аспарагиновой кислоты он содержит?

г) выпишите все т-РНК, участвующие в данном биосинтезе. Сколько разных типов т-РНК принимает в нём участие?

8. В одной из цепочек молекулы ДНК нуклеотиды расположены в такой последовательности:

Ц-А-А-Г-Т-А-Г-Г-А-А-Т-А-Г-Г-А-Ц-Т-Т-Г-Г-А-Ц-А-А-А-Т-А-Г-Т-А-Т-Т-Т-

а) постройте комплементарную цепочку данной молекулы ДНК. Сколько нуклеотидов, содержащих цитозин, в ней будет?

б) постройте и-РНК на данной ДНК. Сколько нуклеотидов, содержащих урацил, в ней будет?

в) постройте участок молекулы белка, кодируемый данной ДНК. Сколько молекул пролина он содержит?

19