Генетическая информация в клетке

Воспроизведение себе подобных является одним из фундаментальных свойств живого. Благодаря этому явлению существует сходство не только между организмами, но и между отдельными клетками, а также их органоидами (митохондриями и пластидами). Материальной основой этого сходства является передача зашифрованной в последовательности нуклеотидов ДНК генетической информации, которая осуществляется благодаря процессам репликации (самоудвоения) ДНК. Реализуются все признаки и свойства клеток и организмов благодаря белкам, структуру которых в первую очередь и определяют последовательности нуклеотидов ДНК. Поэтому первостепенное значение в процессах метаболизма играет именно биосинтез нуклеиновых кислот и белка.

 

Гены, генетический код и его свойства

Генетическая информация в клетке не является монолитной, она закодирована в отдельных "словах" - генах.

Ген - это структурная единица генетической информации. У человека всего около 25-30 тыс. генов.

Генетический код. Генетическая информация организмов зашифрована в ДНК в виде определенных сочетаний нуклеотидов и их последовательности - генетического кода. Основными свойствами генетического кода являются: триплетность, специфичность, универсальность и избыточность. Кроме того, в генетическом коде отсутствуют "знаки препинания". 

Каждая аминокислота закодирована в ДНК тремя нуклеотидами - триплетом. Каждый триплет кодирует только одну аминокислоту, в чем заключается его специфичность или однозначность. Генетический код универсален для всех живых организмов, то есть наследственная информация о белках человека может считываться бактериями и наоборот. Это свидетельствует о единстве происхождения органического мира. Однако, 64 комбинациям нуклеотидов по три соответствует только 20 аминокислот, вследствие чего одну аминокислоту могут кодировать 1-6 триплетов и имеется три стоп-кодона, то есть генетический код избыточен, или вырожден. Три триплета не имеют соответствующих аминокислот, их называют стоп-кодонами (УАА, УАГ, УГА), так как они обозначают окончание синтеза полипептидной цепи.

 

Матричный характер реакций биосинтеза

Биосинтез белка и нуклеиновых кислот

Репликация ДНК, а также синтез РНК и белков в клетках осуществляются по принципу матричного синтеза, который заключается в том, что новые молекулы белков и нуклеиновых кислот синтезируются в соответствии с программой, заложенной в структуре ранее существовавших молекул нуклеиновых кислот (ДНК или РНК).

Репликация ДНК. Процесс самовоспроизведения молекулы ДНК, обеспечивающий точное копирование наследственной информации и передачу её из поколения в поколение, называется репликацией. В результате репликации образуются две абсолютно точные копии материнской молекулы ДНК, каждая из которых несёт по одной копии материнской. Ключевым ферментом репликации является ДНК-полимераза. Репликация ДНК является полуконсервативной, так как молекула ДНК расплетается, и на каждой из ее цепей синтезируется новая цепь по принципу комплементарности.

Образовавшиеся в результате репликации две молекулы ДНК в процессе деления расходятся по двум вновь образующимся дочерним клеткам.

Ошибки в процессе репликации возникают крайне редко, но если они происходят, то устраняются ДНК-полимеразами или ферментами репарации.

Биосинтез белка является сложнейшим клеточным процессом - в нем участвует до трехсот различных ферментов и других макромолекул. Выделяют два основных этапа синтеза белка: транскрипцию и трансляцию.

Биосинтез молекул иРНК происходит только на одной из цепей, которую называют матричной. Транскрибируется только один ген или группа генов. Процесс транскрипции катализирует фермент РНК-полимераза, которая подбирает нуклеотиды РНК по принципу комплементарности. Этот процесс у эукариот протекает в ядре и в органоидах, имеющих собственную ДНК, - митохондриях и пластидах, а у прокариот - в нуклеотиде.

Синтезированные в процессе транскрипции в ядре молекулы иРНК проходят сложный процесс подготовки к трансляции, после чего они выходят в цитоплазму.

Трансляция - это биосинтез полипептидной цепи на матрице иРНК, при котором происходит перевод генетической информации в последовательность аминокислот полипептидной цепи.

Трансляция чаще всего происходит в цитоплазме, например, на шероховатой ЭПС. Для синтеза белка необходима предварительная активация аминокислот, в ходе которой аминокислота присоединяется к соответствующей тРНК. Этот процесс катализируется специальным ферментом и требует затраты АТФ.

Для начала трансляции (инициации) к готовой к синтезу молекуле иРНК присоединяется малая субъединица рибосомы, а затем к первому кодону иРНК (АУГ) подбирается тРНК с комплементарным антикодоном, несущая аминокислоту метионин. Лишь после этого присоединяется большая субъединица рибосомы. В пределах собранной рибосомы оказываются два кодона иРНК, первый из которых уже занят. К соседнему с ним кодону подбирается вторая тРНК, также несущая аминокислоту, после чего между остатками аминокислот с помощью ферментов образуется пептидная связь. Рибосома передвигается на один кодон иРНК; первая из тРНК, освободившаяся от аминокислоты, покидает рибосому, а фрагмент синтезирующейся полипептидной цепи удерживается на оставшейся тРНК. К новому кодону, оказавшемуся в пределах рибосомы, присоединяется следующая тРНК, процесс повторяется и шаг за шагом полипептидная цепь удлиняется, то есть происходит ее элонгация.

Окончание синтеза белка (терминация) происходит, когда рибосома сдвинется на некодирующую последовательность нуклеотидов - стоп-кодон. После этого рибосома, иРНК и полипептидная цепь разделяются, а вновь синтезированный белок транспортируется в ту часть клетки, где он будет выполнят свои функции.

 

 

 

 

ЕГЭ. Биология: пошаговая подготовка / Ю.А. Садовниченко. - Москва: Эксмо, 2018. - 368 с.