Передача наследственной информации клеткой. Основные свойства генетического кода и их значение

Проработав эти темы, Вы должны уметь:

1. Охарактеризовать приведенные ниже понятия и объяснить соотношения между ними:
   • полимер, мономер;
   • углевод, моносахарид, дисахарид, полисахарид;
   • липид, жирная кислота, глицерин;
   • аминокислота, пептидная связь, белок;
   • катализатор, фермент, активный центр;
   • нуклеиновая кислота, нуклеотид.
2. Перечислить 5-6 причин, которые делают воду столь важным компонентом живых систем.
3. Назвать четыре главных класса органических соединений содержащихся в живых организмах; охарактеризовать роль каждого из них.
4. Объяснить, почему контролируемые ферментами реакции зависят от температур, рН и присутствием коферментов.
5. Рассказать о роли АТФ в энергетическом хозяйстве клетки.
6. Назвать исходные вещества, основные этапы и конечные продукты реакций, вызываемых светом и реакции фиксации углерода.
7. Дать краткое описание общей схемы клеточного дыхания, из которого было бы ясно, какое место занимают реакции гликолиза, цикла Г.Кребса (цикла лимонной кислоты) и цепь переноса электронов.
8. Сравнить дыхание и брожение.
9. Описать строение молекулы ДНК и объяснить почему число остатков аденина равно числу остатков тимина, а число остатков гуанина равно числу остатков цитозина.
10. Составить краткую схему синтеза РНК на ДНК (транскрипция) у прокариот.
11. Описать свойства генетического кода и объяснить, почему он должен быть триплетным.
12. Исходя из данной цепи ДНК и таблицы кодонов определить комплементарную последовательность матричной РНК, указать кодоны транспортной РНК и аминокислотную последовательность, которая образуется в результате трансляции.
13. Перечислить этапы белкового синтеза на уровне рибосом.

Алгоритм решения задач.

Тип 1. Самокопирование ДНК.

Одна из цепочек ДНК имеет такую последовательность нуклеотидов:
АГТАЦЦГАТАЦТЦГАТТТАЦГ...
Какую последовательность нуклеотидов имеет вторая цепочка той же молекулы?

Чтобы написать последовательность нуклеотидов второй цепочки молекулы ДНК, когда известна последовательность первой цепочки, достаточно заменить тимин на аденин, аденин на тимин, гуанин- на цитозин и цитозин на гуанин. Произведя такую замену, получаем последовательность:
ТАЦТГГЦТАТГАГЦТАААТГ...

Тип 2. Кодирование белков.

Цепочка аминокислот белка рибонуклеазы имеет следующее начало: лизин-глутамин-треонин-аланин-аланин-аланин-лизин...
С какой последовательности нуклеотидов начинается ген, соответствующий этому белку?

Для этого следует воспользоваться таблицей генетического кода. Для каждой аминокислоты находим ее кодовое обозначение в виде соответствующей тройки нуклеотидов и выписываем его. Располагая эти тройки друг за другом в таком же порядке, в каком идут соответствующие им аминокислоты, получаем формулу строения участка информационной РНК. Как правило таких троек несколько, выбор делается по Вашему решению (но, берется только одна из троек). Решений соответственно может быть несколько.
АААЦАААЦУГЦГГЦУГЦГААГ

С какой последовательности аминокислот начинается белок, если он закодирован такой последовательностью нуклеотидов:
АЦГЦЦЦАТГГЦЦГГТ...

По принципу комплементарности находим строение участка информационной РНК, образующейся на данном отрезке молекулы ДНК:
УГЦГГГУАЦЦГГЦЦА...

Затем обращаемся к таблице генетического кода и для каждой тройки нуклеотидов, начиная с первой, находим и выписываем соответствующую ей аминокислоту:
Цистеин-глицин-тирозин-аргинин-пролин-...

Иванова Т.В., Калинова Г.С., Мягкова А.Н. "Общая биология". Москва, "Просвещение", 2000

• Тема 4. "Химический состав клетки." §2-§7 стр. 7-21
• Тема 5. "Фотосинтез." §16-17 стр. 44-48
• Тема 6. "Клеточное дыхание." §12-13 стр. 34-38
• Тема 7. "Генетическая информация." §14-15 стр. 39-44

Вопрос 1. Вспомните полное определение по­нятия «жизнь».

В середине XIX в. Фридрих Энгельс писал: «Жизнь есть способ существования белковых тел, существенным моментом которого явля­ется постоянный обмен веществ с окружаю­щей их внешней природой, причем с прекра­щением этого обмена веществ прекращается и жизнь, что приводит к разложению белка». На современном уровне знаний это классиче­ское определение жизни дополнено представ­лением об исключительной значимости нукле­иновых кислот — молекул, которые содержат генетическую информацию, позволяющую ор­ганизмам самовозобновляться и самовоспроизводиться (размножаться).

Приведем одно из современных определе­ний: «Живые тела, существующие на Земле, представляют собой открытые, саморегули­рующиеся и самовоспроизводящиеся системы, построенные из биополимеров — белков и нук­леиновых кислот». При этом понятие «откры­тая система» подразумевает отмеченный еще Ф. Энгельсом обмен веществами и энергией с окружающей средой (питание, дыхание, выде­ление); понятие «саморегуляция» — способ­ность к поддержанию постоянства химическо­го состава, структуры и свойств. Важным ус­ловием успешной саморегуляции является раздражимость — способность организма ре­агировать на информацию, поступающую из внешнего мира.

Вопрос 2. Назовите основные свойства генети­ческого кода и поясните их значение.

Можно выделить семь основных свойств ге­нетического кода.

Триплетность. Три стоящих подряд нук­леотида кодируют одну аминокислоту.

Однозначность. Один триплет не может кодировать более одной аминокислоты.

Избыточность. Одна аминокислота мо­жет быть кодирована более чем одним трипле­том.

Непрерывность. Между триплетами не существует «знаков препинания». Если «рам­ку считывания» сдвинуть на один нуклеотид, то весь код будет расшифрован неверно. В ка­честве примера приведем предложение, со­стоящее из трехбуквенных слов: жил был кот кот был сер. Теперь сдвинем «рамку считы­вания» на одну букву: илб ылк отк отб ылс ер.

Генетический код является неперекрывающимся. Любой нуклеотид может входить в состав только одного триплета.

Полярность. Существуют триплеты, оп­ределяющие начало и конец отдельных генов.

Универсальность. У всех живых организ­мов один и тот же триплет кодирует одну и ту же аминокислоту.

Вопрос 3. Какова сущность процесса передачи наследственной информации из поколения в поко­ление и из ядра в цитоплазму, к месту синтеза белка?

При передаче наследственной информации из поколения в поколение молекулы ДНК уд­ваиваются в процессе дупликации. Каждая до­черняя клетка получает одну из двух идентич­ных молекул ДНК. При бесполом размноже­нии генотип дочернего организма идентичен материнскому. При половом размножении ор­ганизм потомка получает собственный дипло­идный набор хромосом, собранный из гапло­идного материнского и гаплоидного отцовско­го наборов.

При передаче наследственной информации из ядра в цитоплазму ключевым процессом яв­ляется транскрипция — синтез РНК на ДНК. Синтезированная молекула иРНК является комплементарной копией определенного фраг­мента ДНК — гена и содержит информацию о строении определенного белка. Такая моле­кула иРНК является посредником между хра­нилищем генетической информации — ядром и цитоплазмой с рибосомами, где создаются белки. Рибосомы используют иРНК как мат­рицу («инструкцию») для синтеза белка в про­цессе трансляции.

Вопрос 4. Где синтезируются рибонуклеиновые кислоты?

Рибонуклеиновые кислоты синтезируются в ядре. Образование рРНК и сборка субъеди­ниц рибосом происходят в особых участках яд- pa — ядрышках. Небольшое количество РНК синтезируется в митохондриях и пластидах, где имеется собственная ДНК и собственные рибосомы.

Вопрос 5. Расскажите, где происходит синтез белка и как он осуществляется.

Синтез белка происходит в цитоплазме и осуществляется с помощью специализирован­ных органоидов — рибосом. Молекула иРНК соединяется с рибосомой тем концом, с кото­рого должен начаться синтез белка. Амино­кислоты, необходимые для синтеза белковой цепи, доставляются молекулами транспорт­ных РНК (тРНК). Каждая тРНК может пере­носить только одну из 20 аминокислот (напри­мер, только аланин). Какую конкретно амино­кислоту переносит тРНК, определяет триплет нуклеотидов, расположенный на верхушке центральной петли тРНК, — антикодон.

Если антикодон окажется комплементарен триплету нуклеотидов иРНК, находящемуся в данный момент в контакте с рибосомой, про­изойдет временное связывание тРНК с иРНК, и аминокислота будет включена в белковую цепь.

На следующем этапе освободившаяся тРНК уйдет в цитоплазму, а рибосома сделает «шаг» и сдвинется к следующему триплету иРНК. Затем к этому триплету подойдет тРНК с соответствующим антикодоном и доставит очеред­ную аминокислоту, которая будет присоедине­на к растущему белку.

Код триплетен. В состав РНК входят 4
нуклеотида: А, Г, Ц, У. Если бы мы
пытались обозначить одну аминокислоту
одним нуклеотидом, то 16 из 20
аминокислот остались бы не
зашифрованы. Двухбуквенный код
позволил бы зашифровать 16 аминокислот
(из четырех нуклеотидов можно составить
16 различных комбинаций, в каждой из
которых имеется два нуклеотида) .
Природа создала трехбуквенный, или
триплетный, код. Это означает, что каждая
из 20 аминокислот зашифрована
последовательностью трех нуклеотидов,
называемых триплетом или кодоном. Из 4
нуклеотидов можно создать 64 различные
комбинации по 3 нуклеотида в каждой
(4*4*4=64). Этого с избытком хватает для
кодирования 20 аминокислот и, казалось
бы, 44 кодона являются лишними. Однако
это не так.
2. Код вырожден. Это означает, что каждая
аминокислота шифруется более чем одним
кодоном (от двух до шести) . Исключение
составляют аминокислоты метионин и
триптофан, каждая из которых кодируется
только одним триплетом. (Это видно из
таблицы генетического кода.) Тот факт,
что метионин кодируется одним триплетом
АУТ, имеет особый смысл, который вам
станет понятен позже (16).
3. Код однозначен. Каждый кодон шифрует
только одну аминокислоту. У всех
здоровых людей в гене, несущем
информацию о бета-цепи гемоглобина,
триплет ГАА или ГАГ, стоящий на шестом
месте, кодирует глутаминовую кислоту. У
больных серповидноклеточной анемией
второй нуклеотид в этом триплете заменен
на У. Как видно из таблицы, триплеты ГУА
или ГУГ, которые в этом случае
образуются, кодируют аминокислоту валин.
К чему приводит такая замена, вы уже
знаете из раздела о ДНК.
4. Между генами имеются "знаки
препинания". В печатном тексте в конце
каждой фразы стоит точка. Несколько
связанных по смыслу фраз составляют
абзац. На языке генетической информации
таким абзацем являются оперон и
комплементарная ему и-РНК. Каждый ген в
опероне кодирует одну полипептидную
цепочку - фразу. Так как в ряде случаев
по матрице и-РНК последовательно
создается несколько разных
полипептидных цепей, они должны быть
отделены друг от друга. Для этого в
генетическом коде существуют три
специальные триплета - УАА, УАГ, УГА,
каждый из которых обозначает
прекрдщение синтеза одной полипептидной
цепи. Таким образом, эти триплеты
выполняют функцию знаков препинания.
Они находятся в конце каждого гена.
Внутри гена нет "знаков препинания".
Поскольку генетический код подобен
языку, разберем это свойство на примере
такой составленной из триплетов фразы:
жил был кот тих был сер мил мне тот кот.
Смысл написанного понятен, несмотря на
отсутствие "знаков препинания. Если же мы
уберем в первом слове одну букву (один
нуклеотид в гене) , но читать будем также
тройками букв, то получится бессмыслица:
илб ылк отт ихб ылс ерм илм нет отк от
Нарушение смысла возникает и при
выпадении одного или двух нуклеотидов из
гена. Белок, который будет считываться с
такого испорченного гена, не будет иметь
ничего общего с тем белком, который
кодировался нормальным геном.
6. Код универсален. Генетический код един
для всех живущих на Земле существ. У
бактерий и грибов, пшеницы и хлопка, рыб
и червей, лягушки и человека одни и те же
триплеты кодируют одни и те же
аминокислоты.

Лекция 5. Генетический код

Определение понятия

Генетический код - это система записи информации о последовательности расположения аминокислот в белках с помощью последовательности расположения нуклеотидов в ДНК.

Поскольку ДНК непосредственного участия в синтезе белка не принимает, то код записывается на языке РНК. В РНК вместо тимина входит урацил.

Свойства генетического кода

1. Триплетность

Каждая аминокислота кодируется последовательностью из 3-х нуклеотидов.

Определение: триплет или кодон - последовательность из трех нуклеотидов, кодирующая одну аминокислоту.

Код не может быть моноплетным, поскольку 4 (число разных нуклеотидов в ДНК) меньше 20. Код не может быть дуплетным, т.к. 16 (число сочетаний и перестановок из 4-х нуклеотидов по 2) меньше 20. Код может быть триплетным, т.к. 64 (число сочетаний и перестановок из 4-х по 3) больше 20.

2. Вырожденность.

Все аминокислоты, за исключением метионина и триптофана, кодируются более чем одним триплетом:

2 АК по 1 триплету = 2.

9 АК по 2 триплета = 18.

1 АК 3 триплета = 3.

5 АК по 4 триплета = 20.

3 АК по 6 триплетов = 18.

Всего 61 триплет кодирует 20 аминокислот.

3. Наличие межгенных знаков препинания.

Определение:

Ген - это участок ДНК, кодирующий одну полипептидную цепь или одну молекулу tPHK , r РНК или sPHK .

Гены tPHK , rPHK , sPHK белки не кодируют.

В конце каждого гена, кодирующего полипептид, находится, по меньшей мере, один из 3-х триплетов, кодирующих терминирующие кодоны РНК, или стоп-сигналы. В мРНК они имеют следующий вид: UAA , UAG , UGA . Они терминируют (оканчивают) трансляцию.

Условно к знакам препинания относится и кодон AUG - первый после лидерной последовательности. (См. лекцию 8) Он выполняет функцию заглавной буквы. В этой позиции он кодирует формилметионин (у прокариот).

4. Однозначность.

Каждый триплет кодирует лишь одну аминокислоту или является терминатором трансляции.

Исключение составляет кодон AUG . У прокариот в первой позиции (заглавная буква) он кодирует формилметионин, а в любой другой - метионин.

5. Компактность, или отсутствие внутригенных знаков препинания.
Внутри гена каждый нуклеотид входит в состав значащего кодона.

В 1961 г. Сеймур Бензер и Френсис Крик экспериментально доказали триплетность кода и его компактность.

Суть эксперимента: "+" мутация - вставка одного нуклеотида. "-" мутация - выпадение одного нуклеотида. Одиночная "+" или "-" мутация в начале гена портит весь ген. Двойная "+" или "-" мутация тоже портит весь ген.

Тройная "+" или "-" мутация в начале гена портит лишь его часть. Четверная "+" или "-" мутация опять портит весь ген.

Эксперимент доказывает, что код тршплетен и внутри гена нет знаков препинания. Эксперимент был проведен на двух рядом расположенных фаговых генах и показал, кроме того, наличие знаков препинания между генами.

6. Универсальность.

Генетический код един для всех живущих на Земле существ.

В 1979 г. Беррел открыл идеальный код митохондрий человека.

Определение:

«Идеальным» называется генетический код, в котором выполняется правило вырожденности квазидублетного кода: Если в двух триплетах совпадают первые два нуклеотида, а третьи нуклеотиды относятся к одному классу (оба - пурины или оба - пиримидины), то эти триплеты кодируют одну и ту же аминокислоту.

Из этого правила в универсальном коде есть два исключения. Оба отклонения от идеального кода в универсальном касаются принципиальных моментов: начала и конца синтеза белка:

Код триплетен. В состав РНК входят 4
нуклеотида: А, Г, Ц, У. Если бы мы
пытались обозначить одну аминокислоту
одним нуклеотидом, то 16 из 20
аминокислот остались бы не
зашифрованы. Двухбуквенный код
позволил бы зашифровать 16 аминокислот
(из четырех нуклеотидов можно составить
16 различных комбинаций, в каждой из
которых имеется два нуклеотида) .
Природа создала трехбуквенный, или
триплетный, код. Это означает, что каждая
из 20 аминокислот зашифрована
последовательностью трех нуклеотидов,
называемых триплетом или кодоном. Из 4
нуклеотидов можно создать 64 различные
комбинации по 3 нуклеотида в каждой
(4*4*4=64). Этого с избытком хватает для
кодирования 20 аминокислот и, казалось
бы, 44 кодона являются лишними. Однако
это не так.
2. Код вырожден. Это означает, что каждая
аминокислота шифруется более чем одним
кодоном (от двух до шести) . Исключение
составляют аминокислоты метионин и
триптофан, каждая из которых кодируется
только одним триплетом. (Это видно из
таблицы генетического кода.) Тот факт,
что метионин кодируется одним триплетом
АУТ, имеет особый смысл, который вам
станет понятен позже (16).
3. Код однозначен. Каждый кодон шифрует
только одну аминокислоту. У всех
здоровых людей в гене, несущем
информацию о бета-цепи гемоглобина,
триплет ГАА или ГАГ, стоящий на шестом
месте, кодирует глутаминовую кислоту. У
больных серповидноклеточной анемией
второй нуклеотид в этом триплете заменен
на У. Как видно из таблицы, триплеты ГУА
или ГУГ, которые в этом случае
образуются, кодируют аминокислоту валин.
К чему приводит такая замена, вы уже
знаете из раздела о ДНК.
4. Между генами имеются «знаки
препинания». В печатном тексте в конце
каждой фразы стоит точка. Несколько
связанных по смыслу фраз составляют
абзац. На языке генетической информации
таким абзацем являются оперон и
комплементарная ему и-РНК. Каждый ген в
опероне кодирует одну полипептидную
цепочку — фразу. Так как в ряде случаев
по матрице и-РНК последовательно
создается несколько разных
полипептидных цепей, они должны быть
отделены друг от друга. Для этого в
генетическом коде существуют три
специальные триплета — УАА, УАГ, УГА,
каждый из которых обозначает
прекрдщение синтеза одной полипептидной
цепи. Таким образом, эти триплеты
выполняют функцию знаков препинания.
Они находятся в конце каждого гена.
Внутри гена нет «знаков препинания».
Поскольку генетический код подобен
языку, разберем это свойство на примере
такой составленной из триплетов фразы:
жил был кот тих был сер мил мне тот кот.
Смысл написанного понятен, несмотря на
отсутствие «знаков препинания. Если же мы
уберем в первом слове одну букву (один
нуклеотид в гене) , но читать будем также
тройками букв, то получится бессмыслица:
илб ылк отт ихб ылс ерм илм нет отк от
Нарушение смысла возникает и при
выпадении одного или двух нуклеотидов из
гена. Белок, который будет считываться с
такого испорченного гена, не будет иметь
ничего общего с тем белком, который
кодировался нормальным геном.
6. Код универсален. Генетический код един
для всех живущих на Земле существ. У
бактерий и грибов, пшеницы и хлопка, рыб
и червей, лягушки и человека одни и те же
триплеты кодируют одни и те же
аминокислоты.