Биология - Сергей Кутя

1. ДНК образована двумя полинуклеотидными цепями, при этом соединение нуклеотидов в цепь обеспечивается ферментом ДНК-полимеразой.

2. Цепи правозакручены спирально вокруг общей оси, один виток включает 10 пар нуклеотидов.

3. Фосфатные группировки находятся снаружи спирали, а азотистые основания внутри.

4. Цепи антипараллельны, то есть последовательность атомов одной цепи противоположна таковой в другой.

5. Цепи удерживаются водородными связями между азотистыми основаниями по принципу комплементарносги. Аденин соединяется двумя связями с тимином, гуанин тремя связями с цитозином (рис. 16).

Рис. 16. Строение ДНК: А – фрагмент нити ДНК. К первому углеродному атому дезоксирибозы присоединено азотистое основание: 1 – цитозин; 2 – гуанин. Б – двойная спираль ДНК: Д – дезоксирибоза; Ф – фосфат; А – аденин; Т – тимин; Г – гуанин; Ц – цитозин.

Открытие явления комплементарности – крупнейшее достижение биологии XX века. Следует заметить, что водородные связи слабые и нарушаются при изменении pH клетки или нагревании до 100°. Исходя из сказанного, различают первичную и вторичную структуру ДНК.

Первичная структура – это линейная последовательность нуклеотидов в антипараллельных цепях.

Вторичная структура – сближение азотистых оснований по принципу комплементарности, их спирализация, что придает молекуле ДНК высокую компактность. Как показал академик Белозерский, ДНК, выделенная из разных тканей одного организма, имеет одинаковый нуклеотидный состав, а соотношение пар азотистых оснований является строгим видовым признаком.

Функции ДНК

1) аутосинтетическая – репликация (синтез ДНК) в S-периоде интерфазы клеточного цикла;

2) гетеросинтетическая – участие в синтезе белка, хранении и передачи генетической информации.

При репликации происходит следующее:

а) разрыв водородных связей между двумя полинуклеотндными цепями и их расхождение;

б) деспирализация полинуклеотндных цепей;

в) синтез новых цепей вдоль каждой из разделившихся, но правилу комплементарности с точным сохранением их структуры.

Описанная репликация называется полуконсерватнвной, поскольку одна из цепей новой молекулы ДНК является старой, а другая вновь синтезированной. Репликация протекает при участии ферментов ДНК-полимераз (рис.17).

Рис. 17. Схема репликации ДНК.

ДНК – это единственная макромолекула клетки, которая способна устранять повреждения, возникающие в ее структуре, что может приводить к мутациям. Более того, в ней закодирована информация о механизмах самых разнообразных репарационных процессов.

РНК

Общий принцип структурной организации нуклеиновых кислот сохранен, но имеется ряд особенностей. Сахарид представлен рибозой (содержит на один атом кислорода больше. чем дезоксирибоза). Азотистое основание тимин заменено на урацил (Т-У). В молекулах РНК только одна полинуклеотидная цепь, то есть они одноцепочечные.

Выделяют три разновидности РНК

1) и-РНК, информационная;

2) т-РНК, транспортная;

3) р-РНК, рибосомальная.

Молекула и-РНК синтезируется на молекуле ДНК в ядре клетки и затем переносится в цитоплазму; т-РНК присутствует в цитоплазме и осуществляет транспорт аминокислот; р-РНК находится в рибосомах.

Функция РНК – участие в синтезе белка. Сколь бы замечательны не были белки, они лишены одного очень важного свойства. Белок в составе клетки не может точно воспроизвести сам себя на протяжении ряда клеточных делений. Точное копирование белковых молекул происходит с помощью генетического кода. Под ним понимают систему записи в молекулах ДНК генетической информации о строении белковой молекулы. Белок состоит из аминокислот, которых всего 20. Аминокислоты в белковой молекуле расположены в линейном порядке, подобно нуклеотидам молекулы ДНК. Строгая последовательность аминокислот определяет первичную структуру белковой молекулы, ее специфичность. Так, в составе белка гемоглобина 300 аминокислот. Достаточно изменить лишь одну аминокислоту в общей цепи, чтобы свойства гемоглобина нарушились. Последовательность аминокислот в белке определяется последовательностью нуклеотидов в молекуле ДНК, его генетическим кодом.

Принципы генетического кода

1. Код триплетный: три нуклеотида, расположенные рядом в строгой последовательности, соответствуют определенной аминокислоте. Триплет нуклеотидов называют кодоном. Например, аминокислоту валин кодирует кодон ЦАТ.

2. Код специфичен. Нет случаев, когда один и тот же кодон соответствовал бы нескольким аминокислотам.

3. Код вырожденный или избыточный, поскольку одной аминокислоте может соответствовать несколько триплетов. Валин кодирует не только кодон ЦАТ, но и ЦАЦ. Это свойство имеет существенное значение для повышения надежности системы хранения генетической информации.

4. Код однонаправленный. При синтезе белка считывание информации идет от первого основания к третьему в одном направлении.

5. Код неперекрывающийся. Это значит, нет таких оснований, которые принадлежали бы одновременно двум кодонам. Триплет ограничен как бы «рамкой» считывания, которая перемещается сразу на три основания: УГГ ЦАА.

6. Код является универсальным для всех живых существ.

Синтез белка в клетке

Синтез белка включает несколько уровней (рис. 18)

1. Претранскрипционный. 2. Транскрипционный. 3. Транспортный.

4. Трансляционный. 5. Посттрансляционный.

Рис. 18. Общая схема синтеза белка в эукариотической клетке.

Претранскрипционный уровень. Это стартовый этап синтеза, во время которого происходит активация молекулы ДНК с помощью специальных белков.

Транскрипционный уровень. Транскрипцией называется синтез и-РНК на молекуле ДНК с последовательностью нуклеотидов комплементарной молекуле ДНК. Матрицей для и-РНК служит только одна из двух имеющихся цепей ДНК, то есть синтез носит полуконсервативный характер. Процесс контролируется ферментами РНК-полимеразами.

В молекуле ДНК выделяется определенный фрагмент – промотор как начальный участок синтеза. За ним следуют информационные нуклеотидные кодоны. Существует два вида наборов нуклеотидов. Триплеты, несущие информацию об аминокислотах – экзоны. Они образуют короткие сегменты ДНК и, как правило, разделены более длинными неинформативным участком нуклеотидов, которые называют интроны. В каждом гене число экзонов на один превышает число интронов. С началом транскрипции в состав и-РНК включаются как экзоны, так и интроны. Первичный транскрипт полностью копирует молекулу ДНК.

Транспортный уровень. Охватывает период между транскрипцией и трансляцией. На данном этапе происходит процессинг, то есть созревание и-РНК. Суть его – удаление интронов с помощью ферментов рестриктаз. Экзоны сохраняются и соединяются в единую цепь с помощью ферментов лигаз. Указанное явление называется сплайсинг. В ходе его возможны ошибки транскрипции, когда удаляются не все интроны. Прошедшая сплайсинг и-РНК значительно укорочена, компактна и может служить матрицей для синтеза белка. Для этого она переносится из ядра в цитоплазму к рибосомам. В клетках животных и растений на всем пути от ядерного хроматина к рибосомам и-РНК находится не в свободном состоянии, а связана специальными белками-переносчиками. Они различны в ядре и цитоплазме. Образно говоря, белки везут и-РНК в рибосому «на перекладных».

Трансляционный уровень. Трансляцией называется синтез полипептидной цепи из аминокислот согласно кодирующей и-РНК. В ходе трансляции происходит перевод генетической информации в аминокислотную последовательность: ДНК, и-РНК, белок. Трансляция является очень важной частью общего метаболизма клетки. В ней задействованы не менее 20 ферментов (аминоацилсинтетаз), до 60 различных т-РНК, 3—5 молекул р-РНК и макромолекулы и-РНК. Здесь выделяют следующие этапы: инициация, элонгация, терминация.

Инициация – начало трансляции. Фермент аминоацилсинтетаза активирует определенную аминокислоту и вовлекает ее в белковый синтез. Активированная аминокислота соединяется с т-РНК специализированной на данной аминокислоте. Эта т-РНК имеет форму трилистника и содержит три петли. Антикодоновая петля имеет антикодон, то есть триплет нуклеотидов, соответствующий своей аминокислоте. Псевдоуридиновая петля необходима при взаимодействии с рибосомой. Дигидроуридиновая петля служит для соединения с ферментом аминоацил-синтетазой. (Рис. 19). Доставленная к рибосоме и-РНК связывается с рибосомальной РНК. При этом рибосома диссоциирует, ее малая и большая субъединицы несколько раздвигаются, и рибосома насаживается на и-РНК. В начальной части и-РНК имеются стартовые кодоны АУГ и ГУГ. К ним присоединяется т-РНК, несущая соответствующую аминокислоту (рис. 20).