Биология

Урок 9: Информация наследственности

Наследственная информация и реализация ее в клетке

Одним из основных процессов метаболизма клетки считается синтез белка, в процессе которого происходит реализация наследственной информации посредством нуклеиновых кислот. В этом уроке разберем, что такое генетическая информация и где она хранится. Познакомимся с понятиями «ген» и «генетический код». Рассмотрим основные стадии биосинтеза белка и механизм их регуляции.

План урока:

Генетическая информация

Решение задач по расшифровке генетического кода

Биосинтез белка

 

Генетическая информация

Население Земли составляет более 7,6 млрд.человек, но найти одинаковых людей просто невозможно. Каждый человек обладает уникальными особенностями, которые сформировались в процессе его развития.  У любого организма есть свой генотип, состоящий из определенного набора генов, которые определяют свойства организма или признаки.Все эти факторы являются решающими при формировании и развитии живых существ.

Носителем генетической информации считаются нуклеиновые кислоты. Подробно мы с ними знакомились в  5 уроке "Химический состав клетки".

На молекуле ДНК осуществляется хранение генетической информации, которая записана на ней в виде последовательности нуклеотидов.

Определенный участок ДНК, который выполняет функцию хранения генетической информации,получил название ген.

1 gen

Информация о синтезе определенного вида белков записана на ДНК в виде сообщений, закодированных последовательностью нуклеотидов. Такие зашифрованные сообщения получили название генетического кода организма.

2 geneticheskij kod

Генетический код разных организмов обладает рядом общих свойств. Остановимся подробнее на каждом из них.

1. Триплетность – каждая аминокислота кодируется сочетанием из трех расположенных нуклеотидов, получивших название кодон или триплет. Соответственно, единицей генетического кода будет триплет.

3 geneticheskij kod tripleten

Мы уже знаем, что генетическая информация организма записана на молекуле ДНК посредством сочетания четырех нуклеотидов – аденин (А), гуанин (Г), цитозин (Ц), тимин (Т). Нетрудно посчитать, что число возможных комбинаций из четырех нуклеотидов по три составит 64, этого сочетания вполне достаточно для кодирования 20 аминокислот, входящих в состав белка. Вспомнить строение белка вам поможет  урок 5 "Химический состав клетки". В настоящее время установлены кодоны для всех известных аминокислот и составлена таблица генетического кода. В следующем пункте остановимся подробнее на правилах пользования данной таблицы и решении задач по расшифровке генетического кода.

2. Код является множественным, или «вырожденным», в таком случае одна и та же аминокислота способна шифроваться несколькими триплетами. Избыточность генетического кода имеет значение для повышения надежности передачи генетической информации.

4 geneticheskij kod vyrozhden

Специфичность генетического кода заключается в том, что каждый триплет шифрует только одну аминокислоту.

4. Код считается неперекрывающимся, при этом один и тот же нуклеотид не способен содержаться в составе двух рядом расположенных триплетов.

5. В генетическом коде отсутствуют запятые, то есть если произойдет выпадение одного нуклеотида, его место займет ближайший нуклеотид из соседнего кодона, благодаря чему изменится весь порядок считывания. Данный сбой приводит к появлению различных мутаций на генном уровне. Однако, молекула ДНК весьма длинная и складывается из миллионов нуклеотидных пар, поэтому генетическая информация о структуре белка должна быть разграничена. И действительно, существуют триплеты-инициаторы синтеза белковой молекулы и триплеты, которые прекращают синтез белка. Данные кодоны служат своеобразными знаками препинания генетического кода.

6. Нуклеотидный код является единым для всех живых организмов, в этом проявляется его универсальность.  Это свойство кода считается убедительным доказательством общности происхождения живой природы.

Из всего вышесказанного можно сделать вывод о том, что такое генетической информации.

5 geneticheskaja informacija

Генетической информации присущи определенные свойства:

6 diskretnost

 

Решение задач по расшифровке генетического кода

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

7 tablica geneticheskogo koda

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

8 tablica

Рассмотри алгоритм действий при решении задач на определение генетического кода.

9 zadacha reshenie

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.

10 pervyj osnovanie tripleta

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.

 

Биосинтез  белка

Структура любого белка зашифрована в ДНК, которая не участвует в его биосинтезе. Данная молекула  работает лишь матрицей для создания иРНК. Впервые в живых организмах мы сталкиваемся с реакциями матричного синтеза. Для неживой природы такие процессы не характерны. Такие реакции происходят очень быстро и точно. Рассмотрим их на примере сборки белковой молекулы.

Биосинтез белка происходит на рибосомах, пребывающих в большей степени в цитоплазме.  Значит, с целью передачи генетической информации с ДНК к зоне формирования белка требуется проводник. В качестве его выступает иРНК.

Биосинтез белка включает в себя два последовательных этапа. Остановимся подробнее на каждой из этих стадий - транскрипции и трансляции белка.

11 biosintez belka

1. Непосредственно образованию белка предшествует матричный синтез иРНК, который именуется транскрипция.

12 transkripcija

Установлено, что РНК синтезируется в ядре клетки на одной из цепочек ДНК согласно принципу комплиментарности. Подробно описан данный принцип в 5 уроке  "Химический состав клетки".

Процесс транскрипции белка совершается никак не на целой молекуле ДНК, а только на небольшой ее зоне. Активная роль здесь отводится ферменту РНК-полимераза, которая способствует формированию РНК и распознает «знаки препинания». Транскрипция РНК, нужной с целью формирования белка, происходит в несколько последовательных этапов.

Сначала при содействии ферментов разрываются водородные связи в азотистых основаниях цепочки ДНК. В результате этого нити ДНК разъединяются. В этом месте начинается процесс транскрипции РНК – передача данных с ДНК, необходимых в синтезе определенного белка. Фермент перемещается по цепи ДНК и связывает между собой нуклеотиды в увеличивающуюся цепь иРНК. При биосинтезе белка транскрипция способна совершаться синхронно на некоторых генах одной хромосомы, а также на генах, размещенных на разных хромосомах. В следствие обмена генетической информацией формируется иРНК с последовательностью нуклеотидов, являющихся верной копией матрицы ДНК.

Синтезированная в ядре иРНК отделяется от своей матрицы и через поры ядерной оболочки поступает в цитоплазму, где прикрепляется к малой субъединице рибосом.

На специальных генах формируются и два других типа РНК – тРНК и рРНК. Начало и конец синтеза всех типов РНК строго зафиксирован специальными триплетами, выполняющими функцию «знаков препинания».

2. Вторым этапом синтеза белка считается трансляция. Проистекают данные реакции в рибосомах, куда доставляется информация о структуре белка на иРНК. Процесс трансляции заключается в переносе и реализации генетической информации в виде синтеза белка.

13 transljacija

Зрелые молекулы иРНК, попав в цитоплазму, присоединяются к рибосомам  и затем постепенно протягиваются через ее тело. В каждый момент биосинтеза  белка в клетке внутри рибосомы находится незначительный участок иРНК.

Аминокислоты доставляются в рибосомы различными тРНК, которых в клетке несколько десятков.

Трансляция белка наступает со стартового кодона АУГ. Из этой зоны всякая рибосома прерывисто, триплет за триплетом, перемещается по иРНК, что сопровождается увеличением полипептидной цепочки. Количество аминокислот в белке соответствует числу триплетов иРНК.

Встраивание аминокислот исполняется при содействии тРНК – главных агентов биосинтеза белка в организме.

14 transportnaja rnk

Цепь тРНК своей конфигурацией напоминает листик клевера. На вершине размещается особенный триплет – антикодон, который прикрепляется согласно принципу комплиментарности к конкретному кодону иРНК.

 

Рассмотрим последовательность ключевых процессов данного этапа биосинтеза белка.

Молекула тРНК, несущая первостепенную аминокислоту, подходит к рибосоме и примыкает антикодоном к комплиментарному ей триплету. Впоследствии к данной рибосоме присоединяется второй комплекс из тРНК и аминокислоты. В итоге между аминокислотами зарождается пептидная связь.

Первая тРНК, сбросив аминокислоту, оставляет рибосому. Затем к сформировавшейся цепочке прикрепляется третья аминокислота, доставленная в рибосому собственной тРНК, потом четвертая и так далее.

Течение биосинтеза белка не прекращается вплоть до тех пор, пока рибосома не достигнет одного из трех стоп-кодонов – УАА, УАГ или УГА.

На этом образование данной белковой цепочки прекращается, а иРНК под действием ферментов распадаются на нуклеотиды.

 

Всякий этап биосинтеза белка ускоряется подходящим ферментом и снабжается энергией за счет расщепления АТФ.

Большую роль в транспорте белка после его биосинтеза играет эндоплазматическая сеть. Образовавшиеся белки поступают в ее каналы, по которым перемещаются к определенным участкам клетки.

Синтез белковых молекул протекает непрерывно и с большой скоростью: в одну минуту образуется примерно 50-60 тысяч пептидных связей. Синтез одной молекулы длится всего 3-4 секунды.

Для сравнения можно привести пример синтезированного искусственно белка инсулина. Эта молекула состоит из 51 аминокислотного остатка, а для его синтеза потребовалось провести около 5000 операций. В этой работе принимали участие 10 человек в течении трех лет. Как видите, в лабораторных условиях синтез белка требует огромных усилий, времени и средств.

В результате биосинтеза половина белков нашего тела обновляются за 80 дней. За всю свою жизнь человек обновляет весь свой белок около 200 раз.

Синтез белка характерен только для живых существ, значит, является основным отражением свойств живого.

 

ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ

Вопрос: 1
Какие структуры считаются носителями генетической информации?
1Нуклеиновые кислоты
2АТФ
3Углеводы
4Ферменты
Ответить
1
Вопрос: 2
Что не является свойством генетического кода?
1Триплетность
2Вырожденность
3Единичность
4Множественность
Ответить
3
Вопрос: 3
Определите по таблице генетического кода, какая аминокислота соответствует триплету ЦАГ?
1Глицин
2Валин
3Цистеин
4Глутаминовая кислота
Ответить
2
Вопрос: 4
Какой фермент участвует в транскрипции?
1Амилаза
2Синтетаза
3Полимераза
4Все вышеперечисленные
Ответить
3
Вопрос: 5
В каком органоиде клетке протекает трансляция?
1Митохондрии
2Пластиды
3Эндоплазматическая сеть
4Рибосомы
Ответить
4
Вопрос: 6
С какого кодона начинается трансляция белка?
1АЦГ
2ЦГУ
3АУГ
4УГЦ
Ответить
3
Допущено ошибок:
Оценка:
Подробнее
Ваши ответы:
1 вопрос:

Какие структуры считаются носителями генетической информации?
1) Нуклеиновые кислоты 2) АТФ 3) Углеводы 4) Ферменты
2 вопрос:

Что не является свойством генетического кода?
1) Триплетность 2) Вырожденность 3) Единичность 4) Множественность
3 вопрос:

Определите по таблице генетического кода, какая аминокислота соответствует триплету ЦАГ?
1) Глицин 2) Валин 3) Цистеин 4) Глутаминовая кислота
4 вопрос:

Какой фермент участвует в транскрипции?
1) Амилаза 2) Синтетаза 3) Полимераза 4) Все вышеперечисленные
5 вопрос:

В каком органоиде клетке протекает трансляция?
1) Митохондрии 2) Пластиды 3) Эндоплазматическая сеть 4) Рибосомы
6 вопрос:

С какого кодона начинается трансляция белка?
1) АЦГ 2) ЦГУ 3) АУГ 4) УГЦ
Посмотреть ответы
Правильные ответы:
1 вопрос: Нуклеиновые кислоты
2 вопрос: Единичность
3 вопрос: Валин
4 вопрос: Полимераза
5 вопрос: Рибосомы
6 вопрос: АУГ