Генетический код и матричные синтезы

 ГЕН — это участок одной цепи ДНК, на котором содержится информация об одном белке или признаке.

Ген является единицей генетической информации, а наименьшей кодирующей единицей является ТРИПЛЕТ на ДНК или на и-РНК (то есть три соседних нуклеотида). 

Почему именно на иРНК, а не на тРНК или рРНК. Потому что изначально генетическая информация о структуре белка содержится в ДНК на гене, а иРНК - это копия гена, которая передает эту информацию из ядра от ДНК рибосомам в цитоплазму.

Генетический код — это способ кодирования последовательности аминокислот в молекуле белка с помощью нуклеотидов в ДНК.

Единицей генетического кода является ТРИПЛЕТ.

Коды имеются на ДНК и на иРНК.

Свойства генетического кода. 

1.Триплетность: 1 триплет кодируют 1 аминокислоту. Например, триплет иРНК 5’-АУГ-3’ → кодирует аминокислоту МЕТ (метионин).

2. Специфичность или однозначность: один триплет кодирует только одну единственную определенную аминокислоту.

3. Непрерывность: триплеты последовательно, друг за другом, поэтому ни один нуклеотид нельзя пропустить, иначе сместятся остальные и при синтезе получится другой белок.

4. Универсальность: генетический код одинаков у всех без исключения организмов на нашей планете.

5. Однонаправленность.
Триплеты считываются в одном направлении, если прочитать в обратном, то получится другая аминокислота, а в итоге и другой белок.

6. Избыточность (или вырожденность): одну и ту же аминокислоту можно закодировать несколькими триплетами. 

 Всего триплетов в генетическом коде 64 (4 нуклеотида в третьей степени), из них 61- смысловые триплеты для 20 аминокислот, поэтому есть возможность кодировать каждую аминокислоту несколькими триплетами.

7. Неперекрываемость: каждый нуклеотид может входит в состав только одного триплета (нельзя считывать его дважды).

8. Отсутствие знаков препинания.

Ученые выяснили, что у человека всего около 25–30 тыс. генов, но не все из них кодируют белки; информация с большей части нашей ДНК не считывается никогда, так как в ней содержится огромное количество бессмысленных участков, повторов и генов, кодирующих признаки, утратившие значение для человека (хвост, избыточная волосатость тела и др.). 

Генетический код расшифрован в 1864 г, но расшифровка генов, за что они отвечают продолжается.

Гены, кодирующие первичную структуру белка, рибосомальной или транспортной РНК называются структурными, а гены, обеспечивающие активацию или подавление считывания информации со структурных генов, — регуляторными. Однако даже структурные гены содержат регуляторные участки.

Сокращения названий аминокислот (их запоминать не нужно):

Ала — аланин

Арг — аргинин

Асн — аспарагин

Асп — аспарагиновая кислота

Вал — валин

Гис — гистидин

Гли — глицин

Глн — глутамин

Глу — глутаминовая кислота

Иле — изолейцин

Лей — лейцин

Лиз — лизин

Мет — метионин

Про — пролин

Сер — серин

Тир — тирозин

Тре — треонин

Три — триптофан

Фен — фенилаланин

Цис — цистеин

Если начать считывание генетической информации не с первого нуклеотида в триплете, а со второго, то произойдет не только сдвиг рамки считывания — синтезированный таким образом белок будет совсем иным не только по последовательности нуклеотидов, но и по структуре и свойствам. Между триплетами отсутствуют какие бы то ни было знаки препинания, поэтому нет никаких препятствий для сдвижки рамки считывания, что открывает простор для возникновения и сохранения мутаций.

Матричные реакции 

При делении клетки идет передача наследственной информации, что требует высокой скорости и точности синтеза или репликации ДНК. 

Также клетка содержит сотни и тысячи копий разных белков, особенно ферментов, следовательно, для их синтеза «штучный» способ их производства не подходит. Более прогрессивным способом является штамповка, которая позволяет получить много точных копий быстро. Для штамповки необходима матрица, с которой идет копирование.

В клетках принцип матричного синтеза заключается в том, что новые молекулы белков и нуклеиновых кислот синтезируются  по программе, заложенной в структуре ДНК или иРНК.

К реакциям матричного синтеза относятся: 

- репликация ДНК 

- транскрипция РНК 

- трансляция белка

Биосинтез белка и нуклеиновых кислот

Репликация ДНК. ДНК представляет собой двухцепочечный биополимер, мономерами которого являются нуклеотиды. Если бы биосинтез ДНК происходил по принципу ксерокопирования, то неизбежно возникали бы многочисленные искажения и погрешности в наследственной информации, которые в конечном итоге привели бы к гибели новых организмов. Поэтому процесс удвоения ДНК происходит иным, полуконсервативным способом: молекула ДНК расплетается, и на каждой из цепей синтезируется новая цепь по принципу комплементарности. Процесс самовоспроизведения молекулы ДНК, обеспечивающий точное копирование наследственной информации и передачу ее из поколения в поколение, называется репликацией(от лат. репликацио — повторение). В результате репликации образуются две абсолютно точные копии материнской молекулы ДНК, каждая из которых несет по одной копии материнской.

Процесс репликации на самом деле крайне сложен, так как в нем участвует целый ряд белков. Одни из них раскручивают двойную спираль ДНК, другие разрывают водородные связи между нуклеотидами комплементарных цепей, третьи (например, фермент ДНК-полимераза) подбирают по принципу комплементарности новые нуклеотиды и т. д. Образовавшиеся в результате репликации две молекулы ДНК в процессе деления расходятся по двум вновь образующимся дочерним клеткам.

Ошибки в процессе репликации возникают крайне редко, однако если они и происходят, то очень быстро устраняются как ДНК-полимеразами, так и специальными ферментами репарации, поскольку любая ошибка в последовательности нуклеотидов может привести к необратимому изменению структуры и функций белка и, в конечном итоге, неблагоприятно сказаться на жизнеспособности новой клетки или даже особи.

Биосинтез белка. Как образно выразился выдающийся философ XIX века Ф. Энгельс: «Жизнь есть форма существования белковых тел». Структура и свойства белковых молекул определяются их первичной структурой, т. е. последовательностью аминокислот, зашифрованной в ДНК. От точности воспроизведения этой информации зависит не только существование самого полипептида, но и функционирование клетки в целом, поэтому процесс синтеза белка имеет огромное значение. Он, по-видимому, является самым сложным процессом синтеза в клетке, поскольку здесь участвует до трехсот различных ферментов и других макромолекул. Кроме того, он протекает с высокой скоростью, что требует еще большей точности.

В биосинтезе белка выделяют два основных этапа: транскрипцию и трансляцию.

Транскрипция (от лат. транскрипцио— переписывание) — это биосинтез молекул иРНК на матрице ДНК.

Поскольку молекула ДНК содержит две антипараллельных цепи, то считывание информации с обеих цепей привело бы к образованию совершенно различных иРНК, поэтому их биосинтез возможен только на одной из цепей, которую называют кодирующей, или кодогенной, в отличие от второй, некодирующей, или некодогенной. Обеспечивает процесс переписывания специальный фермент РНК-полимераза, который подбирает нуклеотиды РНК по принципу комплементарности. Этот процесс может протекать как в ядре, так и в органоидах, имеющих собственную ДНК, — митохондриях и пластидах.

Синтезированные в процессе транскрипции молекулы иРНК проходят сложный процесс подготовки к трансляции (митохондриальные и пластидные иРНК могут оставаться внутри органоидов, где и происходит второй этап биосинтеза белка). В процессе созревания иРНК к ней присоединяются первые три нуклеотида (АУГ) и хвост из адениловых нуклеотидов, длина которого определяет, сколько копий белка может синтезироваться на данной молекуле. Только потом зрелые иРНК покидают ядро через ядерные поры.

Параллельно в цитоплазме происходит процесс активации аминокислот, в ходе которого аминокислота присоединяется к соответствующей свободной тРНК. Этот процесс катализируется специальным ферментом, на него затрачивается АТФ.

Трансляция (от лат. трансляцио — передача) — это биосинтез полипептидной цепи на матрице иРНК, при котором происходит перевод генетической информации в последовательность аминокислот полипептидной цепи.

Второй этап синтеза белка чаще всего происходит в цитоплазме, например на шероховатой ЭПС. Для его протекания необходимы наличие рибосом, активация тРНК, в ходе которой они присоединяют соответствующие аминокислоты, присутствие ионов Mg2+, а также оптимальные условия среды (температура, рН, давление и т. д.).

Для начала трансляции (инициации) к готовой к синтезу молекуле иРНК присоединяется малая субъединица рибосомы, а затем по принципу комплементарности к первому кодону (АУГ) подбирается тРНК, несущая аминокислоту метионин. Лишь после этого присоединяется большая субъединица рибосомы. В пределах собранной рибосомы оказываются два кодона иРНК, первый из которых уже занят. К соседнему с ним кодону присоединяется вторая тРНК, также несущая аминокислоту, после чего между остатками аминокислот с помощью ферментов образуется пептидная связь. Рибосома передвигается на один кодон иРНК; первая из тРНК, освободившаяся от аминокислоты, возвращается в цитоплазму за следующей аминокислотой, а фрагмент будущей полипептидной цепи как бы повисает на оставшейся тРНК. К новому кодону, оказавшемуся в пределах рибосомы, присоединяется следующая тРНК, процесс повторяется и шаг за шагом полипептидная цепь удлиняется, т. е. происходит ее элонгация.

Окончание синтеза белка (терминация) происходит, как только в молекуле иРНК встретится специфическая последовательность нуклеотидов, которая не кодирует аминокислоту (стоп-кодон). После этого рибосома, иРНК и полипептидная цепь разделяются, а вновь синтезированный белок приобретает соответствующую структуру и транспортируется в ту часть клетки, где он будет выполнять свои функции.

Трансляция является весьма энергозатратным процессом: на присоединение одной аминокислоты к тРНК расходуется энергия одной молекулы АТФ, еще несколько используются для продвижения рибосомы по молекуле иРНК.

Для быстроты синтеза белковых молекул к иРНК могут присоединяться друг за другом несколько рибосом, которые образуют единую структуру — полисому или полирибосому.

На одной полисоме при трансляции образуется столько молекул одного вида белка, сколько рибосом в этой полирибосоме.

Использованы рисунки и некоторый материал с сайта https://examer.ru/ege_