Урок «Применение знаний о построении комплементарных последовательностей нуклеотидов и нуклеиновых кислот и определение качественного и количественного состава молекул нуклеиновых кислот»

Урок «Применение знаний о построении комплементарных последовательностей нуклеотидов и нуклеиновых кислот и определение качественного и количественного состава молекул нуклеиновых кислот»

Генетический код

Веществами, ответственными за хранение и передачу генетической информации, являются нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК).

Все функции клеток и организма в целом определяются набором белков, обеспечивающих

• образование клеточных структур,
• синтез всех других веществ (углеводов, жиров, нуклеиновых кислот),
• протекание процессов жизнедеятельности.

В геноме содержится информация о последовательности аминокислот во всех белках организма. Именно эта информация и называется генетической информацией.

За счёт регуляции генов регулируется время синтеза белков, их количество, место нахождения в клетке или в организме в целом. Во многом за это отвечают регуляторные участки ДНК, усиливающие и ослабляющие экспрессию генов в ответ на те или иные сигналы.

Информация о белке может быть записана в нуклеиновой кислоте только одним способом — в виде последовательности нуклеотидов. ДНК построена из 4 видов нуклеотидов (А, Т, Г, Ц), а белки — из 20 видов аминокислот. Таким образом, возникает проблема перевода четырёхбуквенной записи информации в ДНК в двадцатибуквенную запись белков. Соотношения, на основе которых осуществляется такой перевод, называются генетическим кодом.

Первым проблему генетического кода теоретически рассмотрел выдающийся физик Георгий Гамов. Генетический код обладает определённым набором свойств, которые будут рассмотрены ниже.

 

СВОЙСТВА ГЕНЕТИЧЕСКОГО КОДА

КОЛЛИНЕАРНОСТЬ (линейность)

Сначала мы рассмотрим, как в последовательности нуклеотидов записана последовательность аминокислот в белках. Логично предположить, что, поскольку последовательности нуклеотидов и аминокислот линейны, то между ними существует линейное соответствие, т. е. расположенным рядом нуклеотидам в ДНК соответствуют расположенные рядом аминокислоты в полипептиде. На это же указывает линейный характер генетических карт. Доказательством такого линейного соответствия, или коллинеарности, является совпадение линейного расположения мутаций на генетической карте и аминокислотных замен в белках мутантных организмов.

Триплетность

При рассмотрении свойств кода реже всего встает вопрос о кодовом числе. Необходимо закодировать 20 аминокислот четырьмя нуклеотидами. Очевидно, что 1 нуклеотид не может кодировать 1 аминокислоту, т. к. тогда было бы возможно закодировать только 4 аминокислоты. Для того чтобы закодировать 20 аминокислот, нужны комбинации из нескольких нуклеотидов. Если взять комбинации из двух нуклеотидов, то мы получим 16 различных комбинаций (= 16). Этого недостаточно. Комбинаций из трёх нуклеотидов будет уже 64 (= 64), т. е. даже больше, чем нужно. Понятно, что комбинации из большего числа нуклеотидов тоже могли бы быть использованы, но из соображений простоты и экономии они маловероятны, т. е. код триплетный.

Знаки препинания

Важный вопрос, решить который теоретически оказалось невозможным, каким образом триплеты, кодирующие соседние аминокислоты, отделяются друг от друга, т. е. есть ли в генетическом тексте знаки препинания.

Отсутствие запятых — эксперименты

 

Неперекрываемость

Гамов предположил, что код перекрывающийся, т. е. первый, второй и третий нуклеотиды кодируют первую аминокислоту, второй, третий и четвёртый — вторую аминокислоту, третий, четвёртый и пятый — третью и т. д. Такая гипотеза создавала видимость решения пространственных затруднений, но создавала другую проблему. При таком кодировании за данной аминокислотой не могла идти любая другая, так как в кодирующем её триплете два первых нуклеотида уже были определены, и число возможных триплетов снижалось до четырёх. Анализ последовательностей аминокислот в белках показал, что встречаются все возможные пары соседних аминокислот, т. е. код должен быть неперекрывающимся.

Универсальность

Еще одним свойством генетического кода, постулированным из теоретических соображений, является его универсальность. Предполагалось, что все виды живых организмов произошли в результате эволюции от одного общего предка, поэтому они имеют одинаковый генетический код. Это положение подтвердилось дальнейшими исследованиями. Оно имеет большое практическое значение, т. к. благодаря универсальности генетического кода мы можем заставить гены одного организма работать в другом организме и производить функционально активные белки. Это позволяет с помощью методов генетической инженерии получать в бактериях белки человека, нужные для медицинских целей, например, инсулин или гормон роста. Однако универсальность генетического кода оказалась не абсолютной. Известно несколько генетических систем, в которых генетический код немного отличается от универсального. Прежде всего это митохондрии. Кроме того, отклонения от универсального генетического кода найдены у некоторых инфузорий и паразитических бактерий. Однако во всех этих случаях отклонения незначительны и, очевидно, возникли вторично на основе универсального кода.

Расшифровка кода

Когда основные свойства генетического кода были изучены, начались работы по его расшифровке и были определены значения всех триплетов (см. рис.). Триплет, кодирующий определённую аминокислоту, получил название кодона. Как правило, указываются кодоны в мРНК, иногда — в смысловой цепи ДНК (те же кодоны, но с заменой У на Т). Для некоторых аминокислот, например, метионина, существует только один кодон. Другие имеют по два кодона (фенилаланин, тирозин). Есть аминокислоты, которые кодируются тремя, четырьмя и даже шестью кодонами. Кодоны одной аминокислоты похожи друг на друга и, как правило, отличаются одним последним нуклеотидом. Это делает генетический код более устойчивым, так как замена последнего нуклеотида в кодоне при мутациях не ведёт к замене аминокислоты в белке. Знание генетического кода позволяет нам, зная последовательность нуклеотидов в гене, выводить последовательность аминокислот в белке, что широко используется в современных исследованиях.

Трансляция, или биосинтез белка, является неотъемлемой частью жизнедеятельности любой живой клетки. При нарушении биосинтеза белка клетка рано или поздно погибает. Синтез белка в клетке протекает при участии специальных органелл — рибосом. Это немембранные органеллы, состоящие из рРНК и рибосомальных белков. Последовательность аминокислот в каждом белке определяется последовательностью нуклеотидов в гене — участке ДНК, кодирующем именно этот белок. Соответствие между последовательностью аминокислот в белке и последовательностью нуклеотидов в кодирующих его ДНК и иРНК определяется универсальным правилом — генетическим кодом (см. тему «Генетический код»). Информация о последовательности аминокислот в белке в процессе транскрипции «переписывается» с ДНК на иРНК, комплементарную одной из цепей ДНК, затем эта иРНК взаимодействует с рибосомами и направляет синтез нужного белка.

Процесс биосинтеза белка можно подразделить на несколько стадий:

1. Активация аминокислот, или предварительный этап, или рекогниция.
2. Инициация.
3. Элонгация.
4. Терминация.

Структура транспортных РНК

Чтобы понять дальнейшие процессы, необходимо подробнее остановиться на структуре тРНК (см. рис.).

Рис. 1. тРНК.

В структуре транспортной РНК имеются 3 "шпильки" и стебелек. Они образуются в результате комплементарности соседних участков РНК. На вершине каждой "шпильки" расположена петля. В антикодоновой петле (петля 2 на рис. 1) расположены три нуклеотида, которые называются антикодоном.

Антикодон отвечает за правильную установку аминокислоты в полипептидной цепочке.
Информация о последовательности аминокислот в белке записана в виде последовательности кодонов в мРНК. Как же расположить нужные аминокислоты против кодонов мРНК? Ведь между нуклеотидами и аминокислотами нет никакой комплементарности. Именно тРНК играет роль адаптора между нуклеотидной последовательностью мРНК и последовательностью аминокислот в белке. Для этого тРНК комплементарно присоединяется к кодону мРНК своим антикодоном (см. рис. 2) в ходе трансляции. К концу тРНК предварительно прикрепляется соответствующая аминокислота. Затем она встраивается в растущую цепь белка.
Таким образом, антикодонкомплементарен кодону, кодирующему ту аминокислоту, которую несёт эта тРНК.

Рибосомы

Рибосомы — молекулярные машины биосинтеза белка. Они представляют собой сложный комплекс молекул рибосомальных РНК (рРНК) и белков. Каждая рибосома состоит из двух неравных частей, называемых большой и малой субъединицами. Большая субъединица примерно в 2 раза больше малой.

Состав субъединиц рибосом

Субъединицы рибосомы способны разделяться и объединяться. В цитоплазме они присутствуют как отдельно, так и вместе. Для начала синтеза белка субъединицы должны быть разъединены. Отдельная малая субъединица связывает мРНК в начале трансляции и находит стартовый кодон. Затем присоединяется большая субъединица, и уже полная рибосома осуществляет биосинтез белка. Участок, ответсвенный за образование пептидной связи, расположен в большой субъединице.

АКТИВАЦИЯ АМИНОКИСЛОТ, ИЛИ ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ ЭТАП

Активация аминокислот происходит путем их присоединения к тРНК. Она происходит в цитоплазме, без всякой связи с рибосомами.
Реакцию активации аминокислот осуществляют специальные ферменты. Этих ферментов 20, по числу аминокислот. Каждый такой фермент специфически узнает определенную аминокислоту и соответствующую ей тРНК и связывает их, при этом расщепляется молекула АТФ. Образуется молекула аминоацил-тРНК, то есть тРНК с висящей на ее конце соответствующей аминокислотой.
Этот процесс является ключевым с точки зрения кодирования. Именно в этот момент устанавливается соответствие между аминокислотой и антикодоном тРНК, и если процесс активации аминокислот будет происходить неправильно, то во всех белках появятся ошибки (например, одна из аминокислот будет вставляться по "чужому" кодону, кодирующему другую аминокислоту).
В ходе этого процесса расщепляется АТФ, и образующаяся аминоацил-тРНК содержит энергию, обеспечивающую рост белковой цепи, поэтому данный процесс и называется активацией аминокислот.

 

Участки (сайты) рибосомы

В рибосоме выделяют А-участок, куда приходят новые аминоацил-тРНК, и Р-участок (пептидильный), где в момент прихода новой аминоацил-тРНК находится растущий пептид. Иногда выделяют также Е-участок (от empty — пустой), в котором оказываются уже отдавшие аминокислоту, "пустые" тРНК.

Инициация трансляции

Основными задачами инициации являются:

1) Связывание малой субъединицы рибосомы с мРНК.

Связывание рибосомы с мрнк

2) Нахождение инициаторного, или стартового, кодона АУГ, как правило, это первый АУГ с 5'-конца мРНК. Точное позиционирование рибосомы относительно него обеспечивает установление нужной рамки считывания. Рамка считывания — это разбиение последовательности на триплеты, а таких разбиений возможно три, но кодирует нужный белок только одна. Если рамка сдвинется, то получится совершенно другой полипептид.

3) Установка метионил-тРНК (или формилметионил-тРНК у прокариот) в Р-участок рибосомы, привлечение следующей аминоацил-тРНК, присоединение большой субъединицы и сборка полной рибосомы.

Таким образом, в результате инициации мы получаем рибосому, точно установленную в нужное положение на мРНК, в Р-участке имеется тРНК с аминокислотой, а А-участок свободен. Этим заканчивается стадия инициации.

Элонгация трансляции

Элонгация трансляции представляет собой цикл из 3 повторяющихся событий:

1) Присоединение новой аминоацил-тРНК в А-участок в соотвествии с кодоном, который там оказался. При этом происходит комплементарное взаимодействие антикодона тРНК с кодоном в мРНК.

2) Образование пептидной связи с перевешиванием растущего пептида с тРНК в Р-участке на новопришедшую аминоацил-тРНК в А-участке. Осуществляется за счет каталитической активности большой субъединицы рибосомы, главную роль здесь играет рРНК.

Этот процесс называют транспептидацией ("перевешиванием пептида"). В катализе его ключевую роль играет рРНК, поэтому ее иногда считают примером РНК-фермента — рибозима.

3) Транслокация — шаг рибосомы на один триплет в сторону 3'-конца мРНК. Всё, что было в А-участке, оказывается в Р-участке, а А-участок теперь свободен для присоединения новой аминоацил-тРНК. Цикл замыкается.

Факторы элонгации

 

Часто на одной мРНК последовательно друг за другом синтезируют белок несколько рибосом. Это позволяет более эффективно использовать мРНК и синтезировать в единицу времени больше белковых молекул. Такие структуры, состоящие из одной мРНК и нескольких работающих на ней рибосом, называются полисомами (см. рис.).

 

Процесс элонгации продолжается до тех пор, пока в А-участок не попадет стоп-кодон, для которого в клетке нет тРНК с комплементарным антикодоном. Напомним, что стоп-кодонами являются три кодона: UAA, UAG, UGA. На этих кодонах процесс элонгации останавливается, и начинается завершающий этап биосинтеза белка, называемый терминацией.

Терминация трансляции

В действие вступают вспомогательные белки, называемые факторами терминации. Эти белки узнают стоп-кодоны и связываются в рибосоме на место тРНК в А-участке. При этом происходит гидролиз связи синтезированного пептида с тРНК. Это приводит к тому, что освободившаяся тРНК покидает рибосому, а образовавшийся пептид освобождается и начинает самостоятельное существование. Рибосома диссоциирует на субъединицы и освобождает мРНК.

Направление синтеза

Синтез новой цепи начинается с 5’-конца, новые нуклеотиды присоединяются всегда к 3’-концевому нуклеотиду, к его свободной ОН-группе. При этом комплекс белков, синтезирующий ДНК, двигается вдоль матричной нити в направлении от 3' к 5', постепенно расплетая новые участки двойной спирали. Новые данные экспериментов показывают, что, скорее, наоборот, ДНК протягивается сквозь статичную «фабрику репликации» — совокупность осуществляющих репликацию белков. Так продолжается до полного завершения удвоения всей молекулы ДНК.

 

Точки начала синтеза днк

Синтез ДНК начинается на участке ДНК с определенной последовательностью нуклеотидов, который узнают специальные белки. Этот участок называется origin of replication, или Оri. В кольцевых молекулах ДНК прокариот, как правило, только 1 Оri, а в гораздо более длинных линейных хромосомах эукариот — несколько. В области Ori ДНК расплетается, и образуется так называемый репликационный глазок. По сути, это две репликативные вилки, движущиеся из одной точки в противоположные стороны. По мере синтеза новых цепей «глазок» растет, вилки движутся друг от друга, расплетая все новые и новые участки ДНК. Синтез идет до тех пор, пока движущиеся навстречу репликативные вилки не встретятся. Тогда вся молекула оказывается полностью удвоенной.

Синтез РНК, так же, как и синтез ДНК, осуществляется в соответствии с принципом комплементарности. В отличие от синтеза ДНК, которая реплицируется вся целиком, РНК синтезируется в виде отдельных относительно небольших (от десятков до десятков тысяч нуклеотидов) молекул.

Участок ДНК, с которого синтезируется определенная молекула РНК, называется ген. Синтез РНК называется транскрипцией и осуществляется ферментом ДНК-зависимой РНК-полимеразой (то есть синтезирующей РНК на матрице ДНК), или просто РНК-полимеразой (РНК-зависимые РНК-полимеразы встречаются, например, у некоторых РНК-содержащих вирусов). Этот фермент (сам или с помощью специальных белков) узнает начало гена, точнее, определенную последовательность нуклеотидов в ДНК, называемую промотором.

Присоединившись к промотору, РНК-полимераза расплетает участок ДНК, образуя «транскрипционный пузырь», полностью находящийся внутри молекулы фермента. После этого начинается синтез РНК с определенной точки молекулы ДНК (старт). В процессе синтеза используются нуклеотиды, содержащие рибозу и три фосфатных остатка, а в качестве оснований гуанин, аденин, цитозин и урацил. При этом строится цепь РНК, комплементарная только одной из цепей ДНК, называемой матричной. В строящейся цепи аденин ставится напротив тимина в матричной ДНК, гуанин — против цитозина, цитозин — против гуанина, а урацил — против аденина, т. е. образуются пары Т–А и А–У. Это происходит потому, что участки азотистого основания, участвующие в образовании комплементарных пар, у урацила и тимина одинаковы.

Та цепь ДНК, которая не используется в качестве матрицы, называется смысловой, так как последовательность нуклеотидов в ней совпадает с последовательностью синтезируемой РНК с той только разницей, что тимин в ДНК в РНК заменен на урацил.

Так же, как и при репликации, синтез РНК идет в направлении от 5’-конца к 3’-концу. По мере синтеза РНК-полимераза двигается по молекуле ДНК (в направлении от 3’-конца к 5’-концу по матричной нити), расплетая новый участок ДНК. В отличие от репликации, РНК-полимераза отделяет образуемый ею продукт (РНК) от матрицы, а матрицу снова заплетает в двойную спираль.

Во время всего процесса синтеза внутри молекулы фермента находится примерно постоянный по размеру «транскрипционный пузырь», в котором РНК-продукт связан комплементарными нуклеотидами с ДНК-матрицей, а из фермента выходит постоянно удлиняющаяся молекула РНК.

Так продолжается до тех пор, пока фермент не дойдет до конца гена. Там находится специальная последовательность нуклеотидов, называемая терминатор. На этом месте РНК-полимераза завершает синтез. Продукт - готовая молекула РНК - отделяется от матрицы и фермента. После этого РНК-полимераза также отделяется от ДНК-матрицы и ищет новый промотор.

В результате транскрипции в клетке образуются все виды РНК. Основными из них являются:

1. Матричные, или информационные РНК (сокращенно мРНК, или иРНК), в которых закодирована последовательность аминокислот в белке.
2. Транспортные РНК (сокращенно тРНК), переносящие активированные аминокислоты к месту синтеза белка.
3. Рибосомные РНК (сокращенно рРНК), образующие рибосомы, частицы, в которых происходит биосинтез белка.

Кроме этого, существует более 10 других видов РНК, участвующих в клеточных процессах, которые не рассматриваются в школьном курсе.

созревание (процессинг) рнк

У прокариот РНК сразу после синтеза готова к трансляции (биосинтезу белка). Говорят, что в прокариотических клетках происходит сопряжение транскрипции и трансляции, т. е. рибосомы могут присоединиться к свободному 5'-концу РНК (он освобождается первым, т. к. при синтезе нуклеиновых кислот удлиняется всегда 3'-конец) и начать ее трансляцию еще до завершения транскрипции (см. рис.). РНК - весьма нестабильная молекула и легко подвергается гидролизу; время жизни РНК прокариот обычно не превышает нескольких минут.

У эукариот все происходит иначе. У них имеется ядро, внутри которого нет активных рибосом, синтез белка идет исключительно в цитоплазме. Поэтому для того чтобы принять участие в трансляции, иРНК должна сначала выйти из ядра через одну из ядерных пор. Это занимает некоторое время; возможно, в связи с этим РНК эукариот имеют специальные приспособления для повышения стабильности и живут гораздо дольше (как минимум несколько часов). Эти приспособления - модификации концов, предотвращающие их деградацию (разрушение). На 5'-конце эукариотических иРНК имеется кэп («шапочка»), на 3'-конце - полиА-хвост, то есть длинная цепочка нуклеотидов с аденином (А). Она не транслируется и не кодирует аминокислот, но защищает 3'-конец и сама с течением жизни РНК постепенно разрушается. Когда хвост становится слишком коротким, то специальные ферменты откусывают кэп, и РНК деградирует. Таким образом, длина полиА-хвоста регулирует время жизни РНК. Время жизни иРНК - очень важный параметр. Чем дольше живет иРНК, тем большее количество белка успеет с нее синтезироваться. Поэтому регуляция времени жизни РНК (в частности, при участии белков, которые связываются с полиА-хвостом и стабилизируют его) является одним из уровней регуляции экспрессии гена, то есть интенсивности продукции соответствующего белка. Присоединение кэпа называется кэпированием РНК, а присоединение полиА-хвоста - полиаденилированием.

Помимо защитных модификаций концов иРНК, у эукариот с предшественником иРНК происходит еще один важный процесс. Это вырезание из РНК незначащих участков - интронов. Дело в том, что большинство генов эукариот, в отличие от генов прокариот, содержат некодирующие участки. Они транскрибируются, т. к. находятся внутри гена, но если такая РНК начнет транслироваться, то нормального белка не получится - последовательность интрона бессмысленна, с точки зрения структуры белка это «абракадабра», и, скорее всего, синтез быстро оборвется из-за случайного стоп-кодона внутри интрона. Кодирующие участки РНК, которые перемежаются интронами, носят название экзонов. В процессе сплайсинга интроны из РНК вырезаются, а экзоны сшиваются между собой. В результате получается зрелая иРНК, не содержащая «лишних» участков.

Все эти три процесса - кэпирование, полиаденилирование и сплайсинг - происходят с иРНК эукариот в ядре и называются вместе созреванием, или процессингом, РНК. После этого осуществляется экспорт иРНК из ядра через одну из ядерных пор. Только правильно процессированная иРНК называется зрелой и может принять участие в трансляции.

После завершения созревания иРНК выходит через ядерные поры в цитоплазму, где связывается с рибосомами и подвергается трансляции. Трансляция - это процесс биосинтеза белка. Информация о последовательности аминокислот в белке записана в генах, то есть в виде нуклеотидной последовательности ДНК, и переносится из ядра к рибосомам в виде иРНК.

 

Домашнее задание

Сделать конспект, зарисовать рис. 1,2

https://www.youtube.com/watch?v=BmAq-EolVCc

https://www.youtube.com/watch?v=SWoVUwG25Jo - записать решение задачи в тетрадь

 

 

Урок «Применение знаний о построении комплементарных последовательностей нуклеотидов и нуклеиновых кислот и определение качественного и количественного состава молекул нуклеиновых кислот»

Генетический код

Веществами, ответственными за хранение и передачу генетической информации, являются нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК).

Все функции клеток и организма в целом определяются набором белков, обеспечивающих

• образование клеточных структур,
• синтез всех других веществ (углеводов, жиров, нуклеиновых кислот),
• протекание процессов жизнедеятельности.

В геноме содержится информация о последовательности аминокислот во всех белках организма. Именно эта информация и называется генетической информацией.

За счёт регуляции генов регулируется время синтеза белков, их количество, место нахождения в клетке или в организме в целом. Во многом за это отвечают регуляторные участки ДНК, усиливающие и ослабляющие экспрессию генов в ответ на те или иные сигналы.

Информация о белке может быть записана в нуклеиновой кислоте только одним способом — в виде последовательности нуклеотидов. ДНК построена из 4 видов нуклеотидов (А, Т, Г, Ц), а белки — из 20 видов аминокислот. Таким образом, возникает проблема перевода четырёхбуквенной записи информации в ДНК в двадцатибуквенную запись белков. Соотношения, на основе которых осуществляется такой перевод, называются генетическим кодом.

Первым проблему генетического кода теоретически рассмотрел выдающийся физик Георгий Гамов. Генетический код обладает определённым набором свойств, которые будут рассмотрены ниже.

 

СВОЙСТВА ГЕНЕТИЧЕСКОГО КОДА

КОЛЛИНЕАРНОСТЬ (линейность)

Сначала мы рассмотрим, как в последовательности нуклеотидов записана последовательность аминокислот в белках. Логично предположить, что, поскольку последовательности нуклеотидов и аминокислот линейны, то между ними существует линейное соответствие, т. е. расположенным рядом нуклеотидам в ДНК соответствуют расположенные рядом аминокислоты в полипептиде. На это же указывает линейный характер генетических карт. Доказательством такого линейного соответствия, или коллинеарности, является совпадение линейного расположения мутаций на генетической карте и аминокислотных замен в белках мутантных организмов.

Триплетность

При рассмотрении свойств кода реже всего встает вопрос о кодовом числе. Необходимо закодировать 20 аминокислот четырьмя нуклеотидами. Очевидно, что 1 нуклеотид не может кодировать 1 аминокислоту, т. к. тогда было бы возможно закодировать только 4 аминокислоты. Для того чтобы закодировать 20 аминокислот, нужны комбинации из нескольких нуклеотидов. Если взять комбинации из двух нуклеотидов, то мы получим 16 различных комбинаций (= 16). Этого недостаточно. Комбинаций из трёх нуклеотидов будет уже 64 (= 64), т. е. даже больше, чем нужно. Понятно, что комбинации из большего числа нуклеотидов тоже могли бы быть использованы, но из соображений простоты и экономии они маловероятны, т. е. код триплетный.