Хранение и использование наследственной информации - КЛЕТКА КАК СТРУКТУРНАЯ ЕДИНИЦА ОРГАНИЗМА

Постановка проблемы урока

Обыватель:Производители пишут, что выпущены косметические средства для кожи, содержащие ДНК и действующие на уровне ДНК!

Биолог:Информация, закодированная в ДНК, тщательно хранится и защищена от грубых вмешательств. Изменить её совсем не просто. К счастью, производители косметики просто обманывают потребителей.

• Почему биолог считает обман потребителей производителями хорошей новостью?

• В чём противоречие? На какой вопрос мы будем искать ответ? Предложите свой и сравните с вариантом авторов на с. 396.

Необходимые базовые знания

• Из каких мономеров построены молекулы нуклеиновых кислот? (§ 8-9)

• Какие нуклеиновые кислоты вам известны? (§ 8-9)

• Молекулы каких веществ называют информационными и почему? (§ 8-9)

Решение проблемы

Хранители информации

• Как изолирована наследственная информация в клетке эукариот?

В ядре каждой клетки в молекулах ДНК находится информация обо всём живом организме. Несмотря на то что клеткой используется лишь небольшая её часть, касающаяся собственного развития и жизнедеятельности, вся информация бережно хранится и передаётся дочерним клеткам.

В цитоплазме эукариот идут активные химические процессы, поэтому ядро клетки окружено двумя мембранами, необходимыми для защиты уязвимых тонких молекул ДНК от случайных повреждений. Кроме того, в ядре проходят специфические химические реакции, требующие определённого набора ферментов и среды. Поры, пронизывающие ядерные оболочки, служат для транспорта различных молекул в цитоплазму и обратно.

Упаковка ДНК

• В каком виде содержится ДНК в клетках эукариот?

В отличие от прокариот, ДНК которых представляет собой замкнутую кольцевую молекулу, ДНК эукариот представлена несколькими линейными молекулами. Общая длина их очень велика: например, длина ДНК человека составляет более 1 метра. Каким образом эти огромные молекулы могут помещаться в ядре, диаметр которого составляет несколько микрон?

ДНК эукариот связана с белками-гистонами, которые и обеспечивают упаковку этой огромной молекулы в компактные структуры —хромосомы.Гистоны очень богаты аминокислотами, имеющими положительно заряженные группы. Они связываются с отрицательно заряженными фосфатными группами на внешней стороне двойной спирали ДНК. В результате этих взаимодействий молекула ДНК становится в 10 тыс. раз короче исходной. Этот процесс называется конденсацией ДНК и наблюдается в клетке во время её деления. Она облегчает перемещение хромосом в дочерние клетки.

Информация, содержащаяся в столь плотно упакованной молекуле, не может быть доступна ферментам. Лишь между делениями клетки отдельные участки ДНК становятся доступными, но при этом ДНК не распаковывается до конца.

15.1. Способ упаковки ДНКДНК эукариот (1) связана с белками-гистонами (2). Гистоны изгибают ДНК так, что её небольшой отрезок спирально накручивается на комплекс из нескольких гистонов. Получается дисковидная частица (3). Частицы связываются друг с другом, образуя плотно упакованную нить (4), которую специальные белки укладывают в петли. Петли скручиваются в спирали и образуют складки (5). Из них формируется хромосома (6), которую хорошо видно в ядре (7) во время деления клетки.

Хромосомный набор

• Смешивается ли в клетке наследственная информация от отца и матери?

Числохромосом, содержащихся в клетке эукариот, специфично для каждого вида организмов. Клетки человека содержат 46 хромосом, собаки - 78 хромосом, кошки - 38, плодовой мушки дрозофилы - 8 (рис. 15.2), а у речного рака их 116. Во всех клетках организмов, кроме половых, диплоидный (двойной) набор хромосом, он всегда составляет чётное число.

15.2. Хромосомы дрозофилы: А — самки; Б — самца

Его обозначают 2n,гдеn-число пар сходных по строению и одинаковых по форме хромосом. Наличие таких пар объясняется тем, что один набор хромосом, содержащий информацию обо всех признаках, организм получает от отца через спермий, а другой — от матери через яйцеклетку. Так как обе хромосомы в таких парах содержат информацию об одних и тех же признаках организма, их называютгомологичными хромосомами.Заметим: связи между количеством хромосом живого организма и сложностью его устройства проследить не удаётся.

Генетический код

• На каком “языке” записана информация о строении и функциях клеток?

В ДНК закодирована информация о строении молекул белков. Свойства любого белка зависят от его первичной структуры — последовательности аминокислот. Она определяется последовательностью нуклеотидов на участке ДНК. Такой свойственный всем живым организмам способ зашифровки аминокислотной последовательности белков при помощи последовательности нуклеотидов называетсягенетическим кодом.Каким образом закодирована эта информация?

Каждой аминокислоте молекулы белка в молекуле ДНК соответствует комбинация из трёх последовательно расположенных нуклеотидов, называемых триплетом, или кодоном (рис. 15.3). Так как в состав ДНК входят 4 вида нуклеотидов, число их возможных сочетаний равно 4x4x4, т.е. теоретически ими можно закодировать 64 аминокислоты. Но в состав белковых молекул входят только 20 аминокислот, поэтому для большей части из них существует несколько равнозначных триплетов. Такой код называют вырожденным. Из 64 возможных кодовых триплетов генетического кода 61 кодирует аминокислоты. Ещё один триплет, соответствующий аминокислоте метионину (АУГ), обозначает место начала синтеза молекулы белка. Три триплета (УАА, УГА, УАГ) вовсе не кодируют аминокислоты, а служат стоп-сигналами, отмечая конец молекулы белка. Их называют стоп-кодонами.

15.3. Некоторые аминокислоты и кодирующие их триплеты мРНК

Аминокислота	Кодирующие триплеты (кодоны)
Аланин	ГЦУ ГЦЦ ГЦА ГЦГ
Аспарагин	ААУ ААЦ
Валин	ГУУ ГУЦ ГУЛ ГУТ
Глицин	ГГУ ГГЦ ГГА ГГГ
Глутамин	ЦАА ЦАГ
Изолейцин	АУУ АУЦ АУА
Лизин	ААА ААГ
Пролин	ЦЦУ ЦЦЦ ЦЦА ЦЦГ
Тирозин	УАУ УАЦ
Фенилаланин	УУУ УУЦ

Свойства генетического кода

1. Единица информации кодируетсятриплетом— тремя последовательно расположенными нуклеотидами ДНК (РНК).

2. Кододнозначен,т.е. триплету соответствует только одна аминокислота (или действие).

3. Кодвырожден,так как некоторые аминокислоты кодируются несколькими триплетами.

4. Между генами расположены “знаки препинания” (место начала синтеза молекулы белка, стоп-кодоны) — триплеты, отделяющие один ген от другого.

5. Один нуклеотид не может быть в составе двух триплетов — следовательно, генетический коднеперекрываем.

6. Кодуниверсален,так как он един для всех живых существ на Земле.

Считывание кода

• Какие механизмы позволяют использовать информацию, закодированную в молекуле

ДНК, для построения молекул белка?

Синтез белка идёт в цитоплазме, а молекула ДНК всегда находится в ядре, если только клетка не делится. Следовательно, необходимую информацию нужно переписать на молекулу-посредник. Такими посредниками выступают молекулы иРНК. Код ДНК переписывается в код РНК (как вы помните, состав РНК несколько отличается от состава ДНК). Этот процесс так и называется —транскрипция(лат.transcriptio- переписывание).

Затем происходит процесс перевода кода нуклеиновых кислот в аминокислотную последовательность белка, называемыйтрансляцией(лат.translatio- передача). Транскрипция идёт в ядре, а трансляция - вне ядра, на рибосомах.

В ДНК записана информация обо всех молекулах белка, свойственных данному организму. Следовательно, на иРНК единовременно копируется не вся молекула, а только её участок, несущий информацию о строении молекулы одного белка. Такой участок называется геном. В каждой молекуле ДНК заключено множествогенов,но и они составляют лишь часть всей молекулы. Каждый ген содержит не только тот участок, в котором закодирована структура какого-либо белка, но и специальные участки, способные “включать” и “выключать” работу каждого гена. Кроме того, существуют участки ДНК, управляющие копированием всей молекулы ДНК при делении клетки; участки, необходимые для прикрепления хромосомы к веретену деления, и другие. Но о том, что кодирует большая часть двойной спирали, пока ничего не известно, и считают, что клетки содержат большой избыток ДНК.

Репликация ДНК

• Как достигается идентичность молекул ДНК в каждой клетке организма?

Для тогочтобы поделиться надвое, клетка должна удвоить и всё свое содержимое, включая ДНК. Чтобы использовать информацию ДНК, её приходится копировать часто, а, чтобы её сохранить, надо копировать абсолютно точно. Эту работу в клетке выполняет специальный, хорошо отлаженный механизм.

Копирование молекулы ДНК называетсярепликацией, или редупликацией.Благодаря действию специального фермента, разрывающего водородные связи между азотистыми основаниями, две цепи исходной молекулы ДНК расходятся, подобно двум половинкам застёжки-молнии. Тогда каждая цепь оказывается открытой для сборки на ней, как на матрице, новой комплементарной цепи из нуклеотидов, доставленных к месту сборки. По каждой отдельной цепи движется фермент ДНК-полимераза, помогающий сращивать нуклеотиды в новую цепь при поддержке энергии АТФ. В результате получается две идентичные двойные цепи, из которых одна старая, материнская, а другая — вновь созданная. Поэтому такой принцип репликации называется полуконсервативным.

15.4. Репликация ДНК

“Скелеты” цепей имеют неодинаковые концы: один заканчивается гидроксильной группой (-ОН), а другой — остатком фосфорной кислоты. В двойной спирали цепи расположены “валетом”, что позволяет им связаться друг с другом. ДНК-полимераза может строить новую цепь только в одном направлении: от остатка фосфорной кислоты к гидроксильной группе. Поэтому одна новая цепь ДНК достраивается непрерывно, а другая - прерывисто, в виде коротких фрагментов, которые синтезируются во встречном направлении, а потом сшиваются.

Точность репликации ДНК очень высока: неверно присоединённые нуклеотиды встречаются не чаще, чем один на 10 миллиардов! Однако иногда ДНК повреждается факторами внешней среды, например, ультрафиолетом или некоторыми химическими веществами. Поэтому в клетке существует набор ферментов, устраняющих эти ошибки. Процесс устранения ошибок называется репарацией. И всё же отдельные ошибки устранить не удаётся. Возникшие генетические изменения называются мутациями.

Транскрипция

• В каком виде информация переносится из ядра к месту синтеза белка?

Транскрипция, т.е. синтез молекул РНК на цепи ДНК, катализируется ферментом РНК-полимеразой. Он прочно присоединяется к молекуле ДНК и начинает раскрывать определённый участок двойной спирали. Когда открывается доступ к нуклеотидам, РНК-полимераза подбирает комплементарные РНК-нуклеотиды к основной цепи ДНК, используя её как матрицу, и сшивает из них цепь РНК. За молекулой фермента двойная спираль ДНК немедленно восстанавливается, закрывая доступ к наследственной информации. Так продолжается до тех пор, пока фермент не достигнет стоп- сигнала. В этой точке РНК- полимераза отсоединяется от обеих молекул, а молекула РНК направляется в цитоплазму.

15.5. Транскрипция — создание иРНК

Трансляция

• Как происходит перевод информации ДНК на “язык” белка?

Это делают РНК различных типов, синтезированные на молекуле ДНК. Информацию о строении белка переписывает информационная РНК - иРНК, или иначе матричная РНК - мРНК. Информация о строении рибосомы содержится в рибосомной (рРНК), а информацией по опознанию аминокислот и их кодов располагают транспортные (тРНК), набор которых обеспечивает доставку всех 20 аминокислот, входящих в состав белков.

Нуклеотидная цепь молекулы тРНК складывается изначально в виде “клеверного листа” благодаря водородным связям, образующимся между основаниями нуклеотидов (А), а затем “листочки” и “черешок” листа сворачиваются так, что получается структура в виде латинской буквыL(Б). На одном её конце расположен антикодон - триплет, комплементарный кодону иРНК и соответствующий определённой аминокислоте. К другому концу присоединяется соответствующая аминокислота.

15.6. Строение транспортной РНК

Рибосомы обеспечивают взаимодействие иРНК с молекулами тРНК и выстраивание полипептидной цепи в точном соответствии с инструкцией, заложенной в ДНК. В цитоплазме клетки к разнообразным аминокислотам присоединяются молекулы специфических тРНК. В то же время к старт-кодону иРНК присоединяется рибосома. Она начинает перемещаться вдоль молекулы иРНК и последовательно активирует её триплеты, давая возможность подходить тРНК с соответствующими антикодонами и подносить аминокислоты в нужном порядке. При этом фермент рибосомы сшивает аминокислоты пептидной связью. Сигналом к окончанию процесса служит достижение рибосомой стоп-кодона.

Обычно, как только первая рибосома достаточно продвинется по иРНК, к её началу присоединяется новая рибосома и начинает собирать следующую молекулу белка. Такие “бусы” из множества рибосом, передвигающихся по одной иРНК, называют полирибосомами, или полисомами.

Синтез белка — один из самых энергоёмких процессов в клетке, требующий участия большого количества ферментов, контролирующих каждый шаг этого процесса.

15.7. Схема биосинтеза белка

В отличие от других органелл, митохондрии и хлоропласты всегда образуются путём деления, направляемого собственными ДНК. Они представлены кольцевыми молекулами, не образующими связь с гистонами, чем очень напоминают ДНК бактерий. Однако большая часть белков митохондрий и хлоропластов закодирована в ядерной ДНК и синтезируется в цитоплазме. Таким образом, эти органеллы в клетке обладают ограниченной автономией.

Обобщение новых знаний

Молекула ДНК, плотно упакованная с помощью белков-гистонов, образует хромосому. Число и форма хромосом в клетке специфичны для каждого вида организмов. Информация, содержащаяся в ДНК, записана с помощью универсального генетического кода, информационной единицей которого служит триплет - комбинация трёх нуклеотидов. Использование наследственной информации осуществляется в процессах репликации, транскрипции и трансляции, результатом которых является синтез белка.

Хромосома, гомологичная хромосома. Генетический код. Триплет. Транскрипция. Трансляция. Редупликация

Применение знаний

1. Какую роль в жизни клетки играют белки-гистоны?

2. Каковы свойства генетического кода?

3. В основе какого процесса лежит репликация ДНК?

4. Какова роль ДНК и РНК в процессе биосинтеза белка?

5. Что такое трансляция и транкрипция?

6. Какова последовательность нуклеотидов во второй цепочке молекулы ДНК, если одна из них имеет последовательность: ГАТТТАЦГАГТАЦЦГАТАЦТЦ?