Что содержит наследственную информацию
Строение клетки. Взаимосвязь строения и функций частей и органоидов клетки – основа ее целостности
Содержание:
Строение клетки
Сначала элементарная единица строения организмов получила латинское название cellula, что в переводе означает «маленькая камера». Древнегреческое слово «цитос» переводится как «ячейка». «Цитология» — название современной науки о строении и функциях разных типов клеток.
Бактерии, многие виды грибов, водорослей, простейшие животные — одноклеточные существа. Гораздо больше на Земле видов многоклеточных живых организмов. Вирусы не имеют клеточного строения, поэтому не могут быть отнесены ни к одной из названых групп. Однако для жизнедеятельности и размножения вирионы должны попасть в живые клетки.
Длительная эволюция жизни привела в далеком геологическом прошлом к появлению одноклеточных организмов. Многоклеточные возникли позже в истории Земли. Клетки у таких живых организмов преимущественно специализированные, имеют разнообразные формы, размеры и другие морфологические особенности. Они выполняют определенные функции в составе тканей и органов.
Цитологические знания появлялись, накапливались и дополнялись в течение нескольких веков. К середине XIX века исследователи сформулировали основные положения клеточной теории. Выдающийся вклад в развитие учения внесли М. Шлейден, Т. Шванн, Р. Вирхов и другие ученые.
Согласно результатам исследований, для клеток характерны:
Средний диаметр структурных единиц человеческого организма — около 25 микрон (мк) или микрометров (мкм). Крупными размерами отличаются яйцеклетки — 0,15 мм. В целом, ткани тела человека содержат 200 типов «строительных блоков». Скопления клеток, сходных по структуре и функциям, образуют ткани. Последние составляют основу органов.
Органоиды клеток
Микроскопические автономные системы содержат много компонентов. Органоиды — постоянные части клетки (рис. 1). Включения возникают и исчезают в зависимости от возраста и процессов жизнедеятельности. Компоненты тесно взаимодействуют в микроскопически маленьком пространстве.
Плазматическая мембрана
Общая толщина составляет 6–10 нм. Плазматическая мембрана содержит двойной слой липидов и два слоя белков. Белковые молекулы расположены на поверхности и в толщине липидного слоя. Растительные клетки, помимо плазматической мембраны, имеют плотную клеточную стенку.
Цитоплазма
Под оболочкой клетки находится полужидкая масса, коллоид (промежуточное состояние между истинным раствором и взвесью). Цитоплазма содержит белки, липиды, углеводы, РНК, ионы. Имеются протеиновые структуры в виде микронитей и микротрубочек — цитоскелет. В цитоплазму погружены все компоненты клетки.
Ядро
Митохондрии
«Энергетические станции» клетки — овальные или округлые тельца размером от 0,5 до 7 мкм. Наружная мембрана гладкая, внутренняя образует складки (кристы), как на
Матрикс содержит рибосомы, молекулы ДНК и РНК, ферменты. Часть вырабатываемой энергии расходуется в рибосомах, где из аминокислот синтезируются белки.
Пластиды
Крупные полуавтономные органоиды клетки, обладающие собственным геномом. Пластиды покрыты 2–4 белково-липидными оболочками. Внутри имеются строма, пузырьки, кольцевая молекула ДНК, рибосомы.
Получены веские доказательства происхождения пластид в результате симбиоза древней прокариотической клетки и цианобактерий.
Эндоплазматическая сеть или ретикулум (ЭР)
Система мешочков и каналов между ними диаметром 25–30 нм, образует единое целое с плазматической мембраной и оболочкой ядра. Различают гладкий и шероховатый ЭР. Сеть предназначена для транспортировки веществ в клетке к месту использования.
Комплекс Гольджи
Органоид в виде системы мешочков и пузырьков размером 20–30 нм. Комплекс Гольджи находится вблизи ядра, необходим для образования лизосом. Последние нужны для удаления продуктов распада.
Лизосомы
Мешочки сферической формы, покрытые одной мембраной. Внутреннее содержимое богато ферментами.
Вакуоли
Мешочки и пузырьки, покрытые одной мембраной. Крупные вакуоли характерны для растительных клеток, мелкие — для животных. Содержат пигменты, питательные вещества, минеральные растворы. Различают пищеварительные, фагоцитарные и сократительные вакуоли.
Клеточный центр
Органоид, не имеющий собственной мембраны. Клеточный центр образован центросферой и двумя центриолями, содержит белки, липиды, углеводы, нуклеиновые кислоты.
Рибосомы
Мелкие немембранные органоиды клетки. Состоят из большой и малой субъединиц. Рибосомы расположены в цитоплазме свободно или связаны с мембранами. Богаты РНК и белками.
Включения клетки могут быть жидкими и твердыми. Первые — это гранулы различных веществ. Капли жира — жидкие включения.
Если ядра нет, то организмы относятся к прокариотам (доядерным). В эволюционном плане они более древние и примитивные. Генетический материал таких клеток не отделен мембраной от цитоплазмы. Внутри расположены рибосомы. Почти не встречаются мембранные органоиды. Многие одноклеточные организмы относятся к прокариотам. Клетки, в которых хотя бы на одной стадии развития появляется ядро, — эукариотические.
Функции клеточных структур
Плазматическая мембрана ограничивает и препятствует вытеканию цитоплазмы, защищает находящиеся в ней органоиды. Оболочка клетки обладает избирательной проницаемостью. Происходит пассивный и активный транспорт веществ через микроотверстия.
Другие функции плазматической мембраны:
Пассивный транспорт через мембрану протекает без затрат энергии, в направлении от большей концентрации к меньшей. Так происходит осмотический перенос молекул воды. Активный транспорт протекает с затратами энергии, в направлении от меньшей концентрации к большей. Пример — диффузия питательных, минеральных веществ.
Клетка активно поглощает различные соединения. Если это твердые частицы, то процесс называется фагоцитоз. Поглощение капелек жидкости — пиноцитоз. Наружу через мембрану выводятся остатки веществ.
Цитоплазма объединяет органоиды и включения. Благодаря коллоидным и прочим свойствам внутреннего содержимого клетки осуществляется взаимодействие всех частей. Цитоскелет выполняет опорную функцию, способствует сохранению определенного положения органоидов в цитоплазме.
В ядре хранится наследственная информация, зашифрованная в структуре ДНК. Хроматин нужен для создания специфических для данного организма нуклеиновых кислот. Благодаря транскрипции РНК и поступлению данных в рибосомы происходит синтез белка. Ферменты нуклеоплазмы регулируют обмен аминокислот, белков, нуклеотидов. Ядро осуществляет контроль процессов жизнедеятельности клетки. Функции ядрышка — синтез одного из видов РНК.
Внутренняя мембрана митохондрии — место прикрепления ферментов для синтеза АТФ. Макроэргическое вещество необходимо для процессов жизнедеятельности. В митохондрии протекает аэробный этап дыхания, который сопровождается образованием АТФ.
Зеленая окраска хлоропластов обусловлена основным пигментом фотосинтеза. Осуществление этого процесса — основная задача пластид зеленого цвета. Световые реакции протекают на мембранах, содержащих молекулы хлорофилла. Темновые реакции фотосинтеза происходят в строме, богатой ферментами.
Хромопласты придают окраску цветкам, содержатся в плодах. Этот тип пластид обеспечивает привлечение опылителей и распространителей семян растений. Лейкопласты служат для запасания питательных веществ — крахмала, белка, масла.
В рибосомах шероховатого эндоплазматического ретикулума происходит синтез белков. Гладкий ЭР содержит ферменты для синтеза, преобразований липидов и углеводов. Этот же тип трубочек и мешочков служит для образования лизосом, транспорта и обезвреживания токсических веществ. Растворение крупных молекул, переваривание старых клеточных структур происходит в лизосомах. Они принимают активное участие в фагоцитозе, гибели клеток.
Пищеварительные вакуоли участвуют в фагоцитозе, выделяют ненужные вещества в окружающую среду. Сократительные — обеспечивают поддержание водно-солевого баланса.
Рибосомы участвуют в сборке белковых молекул. Клеточный центр нужен для правильного распределения генетического материала при митотическом делении. Этот органоид служит для образования выростов клеток — жгутиков и ресничек (органоидов движения).
Включениями называют непостоянные компоненты клеток. Одни вещества в их составе являются запасом питания, другие — отходами жизнедеятельности.
Взаимосвязь строения и функций частей и органоидов клетки – основа ее целостности
Органоиды — относительно обособленные компоненты, обладающие специфическими функциями и особенностями строения. Основная часть генетического материала эукариотической клетки сосредоточена в ядре. Центральный органоид в одиночку не в состоянии обеспечить реализацию наследственной информации. Принимают участие цитоплазма и рибосомы. Они расположены в основном на шероховатой эндоплазматической сети.
Синтезированные белки транспортируются в комплекс Гольджи, после преобразований — в те части клетки, где они нужны. Благодаря лизосомам клетки не превращаются в «свалки отходов».
Митохондрии вырабатывают энергию, необходимую для осуществления процессов в клетке. Хлоропласты у растений служат для получения исходного материала, участвующего в энергетических превращениях.
Условно все органоиды клетки делят на три группы по характеру выполняемых функций. Митохондрии и хлоропласты осуществляют превращения энергии. Рибосомы, их скопления осуществляют синтез белков. Другие образования принимают участие в синтезе и обмене веществ.
Несмотря на существующие различия, все части клетки тесно взаимодействуют. Органоиды взаимосвязаны не только в пространстве, но и химически. Связывает все части клетки цитоплазма, в ней же происходят многочисленные реакции. В результате формируется единая структурная и функциональная система.
Строение растительной клетки
Рис.1 Растительная клетка
Отличие клеточного строения растений от животных — наличие стенки, состоящей из целлюлозы, пектина, лигнина.
Под прочной оболочкой находится плазматическая мембрана, имеющей типичное строение. Есть поры, через которые осуществляется связь между соседними клетками посредством плазмодесм, цитоплазматических мостиков. Нет центриолей, характерных для животных.
Важное отличие растительных организмов — наличие пластид. Крупные хлоропласты придают частям растений зеленый цвет. Фотосинтез в зеленых пластидах — процесс автотрофного питания. Растения создают органическое вещество из воды и углекислого газа при участии солнечного света.
Оранжевая и желтая окраска обусловлена присутствием других типов пластид, красная и синяя — возникает благодаря антоцианам. Лейкопласты и хромопласты специализируются на хранении веществ.
Крупная центральная вакуоль в растительной клетке заполнена клеточным соком. Органоиду принадлежит ведущая роль в поддержании тургора, хранении полезных веществ и разрушении старых белков, отживших свое органоидов.
Строение животной клетки
Это типичные эукариотические клетки. Под плазматической мембраной находятся цитоплазма и органоиды. Клеточной стенки нет. ДНК локализована в ядре и митохондриях.
Рис.2 Животная клетка
Вакуоли в клетках животных выполняют пищеварительные и сократительные функции. Центриоли состоят из пучков микротрубочек, принимающих участие в процессе деления. В качестве органелл движения могут присутствовать реснички и жгутики. Они важны для перемещения одноклеточных животных. В организме многоклеточных создают движение жидкостей или молекул твердых веществ вдоль неподвижных клеток.
Клетка — мельчайшая единица строения многоклеточных организмов. У одноклеточных это и есть тело. Любая клетка представляет собой сложную биохимическую систему. Части или органоиды действуют как единое целое, обеспечивают жизнедеятельность, а при размножении — передачу наследственных признаков.
Биология
Лучшие условия по продуктам Тинькофф по этой ссылке
Дарим 500 ₽ на баланс сим-карты и 1000 ₽ при сохранении номера
. 500 руб. на счет при заказе сим-карты по этой ссылке
Лучшие условия по продуктам
ТИНЬКОФФ по данной ссылке
План урока:
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.
Информация о синтезе определенного вида белков записана на ДНК в виде сообщений, закодированных последовательностью нуклеотидов. Такие зашифрованные сообщения получили название генетического кода организма.
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.
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.
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.
Генетической информации присущи определенные свойства:
Решение задач по расшифровке генетического кода
В молекулярной биологии широко используется таблица генетического кода. Ее применяют для определения последовательности аминокислот в белке.
Используя таблицу для расшифровки генетического кода, следует вспомнить сокращенные названия аминокислот, которые нам понадобятся при решении задач.
Рассмотри алгоритм действий при решении задач на определение генетического кода.
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.
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.
1. Непосредственно образованию белка предшествует матричный синтез иРНК, который именуется транскрипция.
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.
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.
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.
ДНК и гены
ДНК ПРОКАРИОТ И ЭУКАРИОТ
Справа крупнейшая спираль ДНК человека, выстроенная из людей на пляже в Варне (Болгария), вошедшая в книгу рекордов Гиннесса 23 апреля 2016 года
Дезоксирибонуклеиновая кислота. Общие сведения
Дезоксирибонуклеи́новая кислота (ДНК) — макромолекула (одна из трёх основных, две другие — РНК и белки), обеспечивающая хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов. ДНК содержит информацию о структуре различных видов РНК и белков.
В клетках эукариот (животных, растений и грибов) ДНК находится в ядре клетки в составе хромосом, а также в некоторых клеточных органоидах (митохондриях и пластидах). В клетках прокариотических организмов (бактерий и архей) кольцевая или линейная молекула ДНК, так называемый нуклеоид, прикреплена изнутри к клеточной мембране. У них и у низших эукариот (например, дрожжей) встречаются также небольшие автономные, преимущественно кольцевые молекулы ДНК, называемые плазмидами.
С химической точки зрения ДНК — это длинная полимерная молекула, состоящая из повторяющихся блоков — нуклеотидов. Каждый нуклеотид состоит из азотистого основания, сахара (дезоксирибозы) и фосфатной группы. Связи между нуклеотидами в цепи образуются за счёт дезоксирибозы (С) и фосфатной (Ф) группы (фосфодиэфирные связи).
Рис. 2. Нуклертид состоит из азотистого основания, сахара (дезоксирибозы) и фосфатной группы
В подавляющем большинстве случаев (кроме некоторых вирусов, содержащих одноцепочечную ДНК) макромолекула ДНК состоит из двух цепей, ориентированных азотистыми основаниями друг к другу. Эта двухцепочечная молекула закручена по винтовой линии.
В ДНК встречается четыре вида азотистых оснований (аденин, гуанин, тимин и цитозин). Азотистые основания одной из цепей соединены с азотистыми основаниями другой цепи водородными связями согласно принципу комплементарности: аденин соединяется только с тимином (А-Т), гуанин — только с цитозином (Г-Ц). Именно эти пары и составляют «перекладины» винтовой «лестницы» ДНК (см.: рис. 2, 3 и 4).
Рис. 2. Азотистые основания
Последовательность нуклеотидов позволяет «кодировать» информацию о различных типах РНК, наиболее важными из которых являются информационные, или матричные (мРНК), рибосомальные (рРНК) и транспортные (тРНК). Все эти типы РНК синтезируются на матрице ДНК за счёт копирования последовательности ДНК в последовательность РНК, синтезируемой в процессе транскрипции, и принимают участие в биосинтезе белков (процессе трансляции). Помимо кодирующих последовательностей, ДНК клеток содержит последовательности, выполняющие регуляторные и структурные функции.
Рис. 3. Репликация ДНК
Расположение базовых комбинаций химических соединений ДНК и количественные соотношения между этими комбинациями обеспечивают кодирование наследственной информации.
Образование новой ДНК (репликация)
По завершении дупликации образуются две самостоятельные спирали, созданные из химических соединений родительской ДНК и имеющие с ней одинаковый генетический код. Таким путем ДНК способна перерывать информацию от клетки к клетке.
Более подробная информация:
СТРОЕНИЕ НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ
Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) относится к нуклеиновым кислотам. Нуклеиновые кислоты – это класс нерегулярных биополимеров, мономерами которых являются нуклеотиды.
НУКЛЕОТИДЫ состоят из азотистого основания, соединенного с пятиуглеродным углеводом (пентозой) – дезоксирибозой (в случае ДНК) или рибозой (в случае РНК), который соединяется с остатком фосфорной кислоты (H2PO3–).
Азотистые основания бывают двух типов: пиримидиновые основания – урацил (только в РНК), цитозин и тимин, пуриновые основания – аденин и гуанин.
Рис. 5. Структура нуклеотидов (слева), расположение нуклеотида в ДНК (снизу) и типы азотистых оснований (справа): пиримидиновые и пуриновые
Атомы углерода в молекуле пентозы нумеруются числами от 1 до 5. Фосфат соединяется с третьим и пятым атомами углерода. Так нуклеинотиды соединяются в цепь нуклеиновой кислоты. Таким образом, мы можем выделить 3’ и 5’-концы цепи ДНК:
Рис. 6. Выделение 3’ и 5’-концов цепи ДНК
Две цепи ДНК образуют двойную спираль. Эти цепи в спирали сориентированы в противоположных направлениях. В разных цепях ДНК азотистые основания соединены между собой с помощью водородных связей. Аденин всегда соединяется с тимином, а цитозин – с гуанином. Это называется правилом комплементарности (см. принцип комплементарности ).
Правило комплементарности:
| A–T G–C |
Например, если нам дана цепь ДНК, имеющая последовательность
3’– ATGTCCTAGCTGCTCG – 5’,
то вторая ей цепь будет комплементарна и направлена в противоположном направлении – от 5’-конца к 3’-концу:
5’– TACAGGATCGACGAGC– 3’.
Рис. 7. Направленность цепей молекулы ДНК и соединение азотистых оснований с помощью водородных связей
РЕПЛИКАЦИЯ ДНК
Репликация ДНК – это процесс удвоения молекулы ДНК путем матричного синтеза. В большинстве случаев естественной репликации ДНК праймером для синтеза ДНК является короткий фрагмент РНК (создаваемый заново). Такой рибонуклеотидный праймер создается ферментом праймазой (ДНК-праймаза у прокариот, ДНК-полимераза у эукариот), и впоследствии заменяется дезоксирибонуклеотидами полимеразой, выполняющей в норме функции репарации (исправления химических повреждений и разрывов в молекле ДНК).
Репликация происходит по полуконсервативному механизму. Это значит, что двойная спираль ДНК расплетается и на каждой из ее цепей по принципу комплементарности достраивается новая цепь. Дочерняя молекула ДНК, таким образом, содержит в себе одну цепь от материнской молекулы и одну вновь синтезированную. Репликация происходит в направлении от 3’ к 5’ концу материнской цепи.
Рис. 8. Репликация (удвоение) молекулы ДНК
ДНК-синтез – это не такой сложный процесс, как может показаться на первый взгляд. Если подумать, то для начала нужно разобраться, что же такое синтез. Это процесс объединения чего-либо в одно целое. Образование новой молекулы ДНК проходит в несколько этапов:
Рис. 9. Схематическое изображение процесса репликации ДНК: (1) Отстающая цепь (запаздывающая нить), (2) Ведущая цепь (лидирующая нить), (3) ДНК-полимераза α ( Polα ), (4) ДНК-лигаза, (5) РНК-праймер, (6) Праймаза, (7) Фрагмент Оказаки, (8) ДНК-полимераза δ ( Polδ ), (9) Хеликаза, (10) Однонитевые ДНК-связывающие белки, (11) Топоизомераза.
Далее описан синтез отстающей цепи дочерней ДНК (см. Схему репликативной вилки и функции ферментов репликации)
Нагляднее о репликации ДНК см. видео →
5) Непосредственно сразу после расплетания и стабилизации другой нити материнской молекулы к ней присоединяется ДНК-полимераза α (альфа) и в направлении 5’→3′ синтезирует праймер (РНК-затравку) – последовательность РНК на матрице ДНК длиной от 10 до 200 нуклеотидов. После этого фермент удаляется с нити ДНК.
СТРОЕНИЕ РНК
Рибонуклеиновая кислота (РНК) — одна из трёх основных макромолекул (две другие — ДНК и белки), которые содержатся в клетках всех живых организмов.
Последовательность нуклеотидов позволяет РНК кодировать генетическую информацию. Все клеточные организмы используют РНК (мРНК) для программирования синтеза белков.
Затем матричные РНК (мРНК) принимают участие в процессе, называемом трансляцией, т.е. синтеза белка на матрице мРНК при участии рибосом. Другие РНК после транскрипции подвергаются химическим модификациям, и после образования вторичной и третичной структур выполняют функции, зависящие от типа РНК.
Рис. 10. Отличие ДНК от РНК по азотистому основанию: вместо тимина (Т) в РНК представлен урацил (U), который также комплементарен аденину.
ТРАНСКРИПЦИЯ
Транскрипция – это процесс синтеза РНК на матрице ДНК. ДНК раскручивается на одном из участков. На одной из цепей содержится информация, которую необходимо скопировать на молекулу РНК – эта цепь называется кодирующей. Вторая цепь ДНК, комплементарная кодирующей, называется матричной. В процессе транскрипции на матричной цепи в направлении 3’ – 5’ (по цепи ДНК) синтезируется комплементарная ей цепь РНК. Таким образом, создается РНК-копия кодирующей цепи.
Рис. 11. Схематическое изображение транскрипции
Например, если нам дана последовательность кодирующей цепи
3’– ATGTCCTAGCTGCTCG – 5’,
то, по правилу комплементарности, матричная цепь будет нести последовательность
5’– TACAGGATCGACGAGC– 3’,
а синтезируемая с нее РНК – последовательность
3’– AUGUCCUAGCUGCUCG – 5’.
ТРАНСЛЯЦИЯ
Рассмотрим механизм синтеза белка на матрице РНК, а также генетический код и его свойства. Также для наглядности по ниже приведенной ссылке рекомендуем посмотреть небольшое видео о процессах транскрипции и трансляции, происходящих в живой клетке:
Рис. 12. Процесс синтеза белка: ДНК кодирует РНК, РНК кодирует белок
ГЕНЕТИЧЕСКИЙ КОД
Генетический код, общий для большинства про- и эукариот. В таблице приведены все 64 кодона и указаны соответствующие аминокислоты. Порядок оснований — от 5′ к 3′ концу мРНК.
Таблица 1. Стандартный генетический код
Среди триплетов есть 4 специальных последовательности, выполняющих функции «знаков препинания»:
Свойства генетического кода
1. Триплетность. Каждая аминокислота кодируется последовательностью из трех нуклеотидов – триплетом или кодоном.
2. Непрерывность. Между триплетами нет никаких дополнительных нуклеотидов, информация считывается непрерывно.
3. Неперекрываемость. Один нуклеотид не может входить одновременно в два триплета.
4. Однозначность. Один кодон может кодировать только одну аминокислоту.
5. Вырожденность. Одна аминокислота может кодироваться несколькими разными кодонами.
6. Универсальность. Генетический код одинаков для всех живых организмов.
Пример. Нам дана последовательность кодирующей цепи:
3’– CCGATTGCACGTCGATCGTATA– 5’.
Матричная цепь будет иметь последовательность:
5’– GGCTAACGTGCAGCTAGCATAT– 3’.
Теперь «синтезируем» с этой цепи информационную РНК:
3’– CCGAUUGCACGUCGAUCGUAUA– 5’.
Синтез белка идет в направлении 5’ → 3’, следовательно, нам нужно перевернуть последовательность, чтобы «прочитать» генетический код:
5’– AUAUGCUAGCUGCACGUUAGCC– 3’.
Теперь найдем старт-кодон AUG:
5’– AU AUG CUAGCUGCACGUUAGCC– 3’.
Разделим последовательность на триплеты:
Найдем стоп-кодон и согласно таблице генетического кода запишем последовательность аминокислот:
Центральная догма молекулярной биологии звучит следующим образом: информация с ДНК передается на РНК (транскрипция), с РНК – на белок (трансляция). ДНК также может удваиваться путем репликации, и также возможен процесс обратной транскрипции, когда по матрице РНК синтезируется ДНК, но такой процесс в основном характерен для вирусов.
Рис. 13. Центральная догма молекулярной биологии
ГЕНОМ: ГЕНЫ и ХРОМОСОМЫ
Термин «геном» был предложен Г. Винклером в 1920 г. для описания совокупности генов, заключенных в гаплоидном наборе хромосом организмов одного биологического вида. Первоначальный смысл этого термина указывал на то, что понятие генома в отличие от генотипа является генетической характеристикой вида в целом, а не отдельной особи. С развитием молекулярной генетики значение данного термина изменилось. Известно, что ДНК, которая является носителем генетической информации у большинства организмов и, следовательно, составляет основу генома, включает в себя не только гены в современном смысле этого слова. Большая часть ДНК эукариотических клеток представлена некодирующими («избыточными») последовательностями нуклеотидов, которые не заключают в себе информации о белках и нуклеиновых кислотах. Таким образом, основную часть генома любого организма составляет вся ДНК его гаплоидного набора хромосом.
Гены — это участки молекул ДНК, кодирующие полипептиды и молекулы РНК
За последнее столетие наше представление о генах существенно изменилось. Ранее геном называли участок хромосомы, кодирующий или определяющий один признак или фенотипическое (видимое) свойство, например цвет глаз.
В 1940 г. Джордж Бидл и Эдвард Тейтем предложили молекулярное определение гена. Ученые обрабатывали споры гриба Neurospora crassa рентгеновским излучением и другими агентами, вызывающими изменения в последовательности ДНК (мутации), и обнаружили мутантные штаммы гриба, утратившие некоторые специфические ферменты, что в некоторых случаях приводило к нарушению целого метаболического пути. Бидл и Тейтем пришли к выводу, что ген — это участок генетического материала, который определяет или кодирует один фермент. Так появилась гипотеза «один ген — один фермент». Позднее эта концепция была расширена до определения «один ген — один полипептид», поскольку многие гены кодируют белки, не являющиеся ферментами, а полипептид может оказаться субъединицей сложного белкового комплекса.
Современное биохимическое определение гена еще более конкретно. Генами называются все участки ДНК, кодирующие первичную последовательность конечных продуктов, к которым относятся полипептиды или РНК, обладающие структурной или каталитической функцией.
Наряду с генами ДНК содержит и другие последовательности, выполняющие исключительно регуляторную функцию. Регуляторные последовательности могут обозначать начало или конец генов, влиять на транскрипцию или указывать место инициации репликации или рекомбинации. Некоторые гены могут экспрессироваться разными путями, при этом один и тот же участок ДНК служит матрицей для образования разных продуктов.
Мы можем приблизительно рассчитать минимальный размер гена, кодирующего средний белок. Каждая аминокислота в полипептидной цепи кодируется последовательностью из трех нуклеотидов; последовательности этих триплетов (кодонов) соответствуют цепочке аминокислот в полипептиде, который кодируется данным геном. Полипептидная цепь из 350 аминокислотных остатков (цепь средней длины) соответствует последовательности из 1050 п.н. (пар нуклеотидов). Однако многие гены эукариот и некоторые гены прокариот прерываются сегментами ДНК, не несущими информации о белке, и поэтому оказываются значительно длиннее, чем показывает простой расчет.
Сколько генов в одной хромосоме?
ДНК прокариот устроена более просто: их клетки не имеют ядра, поэтому ДНК находится непосредственно в цитоплазме в форме нуклеоида.
Как известно, бактериальные клетки имеют хромосому в виде нити ДНК, уложенной в компактную структуру – нуклеоид. Хромосома прокариота Escherichia coli, чей геном полностью расшифрован, представляет собой кольцевую молекулу ДНК (на самом деле, это не правильный круг, а скорее петля без начала и конца), состоящую из 4 639 675 п.н. В этой последовательности содержится примерно 4300 генов белков и еще 157 генов стабильных молекул РНК. В геноме человека примерно 3,1 млрд пар нуклеотидов, соответствующих почти 29 000 генам, расположенным на 24 разных хромосомах.
Прокариоты (Бактерии).
Бактерия E. coli имеет одну двухцепочечную кольцевую молекулу ДНК. Она состоит из 4 639 675 п.н. и достигает в длину примерно 1,7 мм, что превышает длину самой клетки E. coli приблизительно в 850 раз. Помимо крупной кольцевой хромосомы в составе нуклеоида многие бактерии содержат одну или несколько маленьких кольцевых молекул ДНК, свободно располагающихся в цитозоле. Такие внехромосомные элементы называют плазмидами (рис. 16).
Большинство плазмид состоит всего из нескольких тысяч пар нуклеотидов, некоторые содержат более 10000 п. н. Они несут генетическую информацию и реплицируются с образованием дочерних плазмид, которые попадают в дочерние клетки в процессе деления родительской клетки. Плазмиды обнаружены не только в бактериях, но также в дрожжах и других грибах. Во многих случаях плазмиды не дают никаких преимуществ клеткам-хозяевам, и их единственная задача — независимое воспроизведение. Однако некоторые плазмиды несут полезные для хозяина гены. Например, содержащиеся в плазмидах гены могут придавать клеткам бактерий устойчивость к антибактериальным агентам. Плазмиды, несущие ген β-лактамазы, обеспечивают устойчивость к β-лактамным антибиотикам, таким как пенициллин и амоксициллин. Плазмиды могут переходить от клеток, устойчивых к антибиотикам, к другим клеткам того же или другого вида бактерий, в результате чего эти клетки также становятся резистентными. Интенсивное применение антибиотиков является мощным селективным фактором, способствующим распространению плазмид, кодирующих устойчивость к антибиотикам (а также транспозонов, которые кодируют аналогичные гены) среди болезнетворных бактерий, и приводит к появлению бактериальных штаммов с устойчивостью к нескольким антибиотикам. Врачи начинают понимать опасность широкого использования антибиотиков и назначают их только в случае острой необходимости. По аналогичным причинам ограничивается широкое использование антибиотиков для лечения сельскохозяйственных животных.
Эукариоты.
Таблица 2. ДНК, гены и хромосомы некоторых организмов