Сначала изучите: Химический состав клетки, Обмен веществ и энергии
Биосинтез белка — важнейший процесс пластического обмена (ассимиляции): наследственная информация, записанная в ДНК, превращается в последовательность аминокислот белка. Белки же выполняют в клетке функции ферментов, строительного материала, переносчиков, гормонов и защиты — то есть признаки организма проявляются именно через белки. Поток информации идёт так: ДНК → и-РНК → белок. Эта тема — основа генетики, мутаций и биотехнологии. На экзамене бывают задачи на нахождение комплементарной цепи, и-РНК и последовательности аминокислот, числа нуклеотидов и аминокислот, длины и массы гена.
§1. Нуклеиновые кислоты: краткое повторение
ДНК — двухцепочечная спираль (Дж. Уотсон и Ф. Крик, 1953). Состав нуклеотида: дезоксирибоза, остаток фосфорной кислоты и азотистое основание — А (аденин), Т (тимин), Г (гуанин), Ц (цитозин). Цепи соединяются водородными связями по принципу комплементарности:
А = Т (2 водородные связи), Г ≡ Ц (3 водородные связи).
Правило Чаргаффа: в ДНК А = Т, Г = Ц, значит А + Г = Т + Ц (пурины = пиримидины).
РНК — одноцепочечная; углевод — рибоза, вместо тимина У (урацил). Виды: и-РНК (информационная, переносит информацию), т-РНК (транспортная, переносит аминокислоту, имеет антикодон), р-РНК (входит в состав рибосом).
Для расчётов: расстояние между парами нуклеотидов в ДНК (вдоль спирали) 0,34 нм; средняя масса нуклеотида около 345 (а.е.м.), средняя масса аминокислоты около 110.
§2. Генетический код
Ген — участок ДНК, несущий информацию об одной полипептидной цепи (белке). Последовательность аминокислот записана последовательностью нуклеотидов — это генетический код.
- Одну аминокислоту кодируют три подряд идущих нуклеотида — триплет (в и-РНК — кодон). Из 4 видов нуклеотидов получается 4³ = 64 триплета.
- 61 кодон кодирует аминокислоты, 3 — стоп-кодоны (UAA, UAG, UGA) — прекращают синтез.
- AUG — старт-кодон, кодирует метионин; синтез начинается с него.
Свойства генетического кода:
- триплетность — одна аминокислота = 3 нуклеотида;
- однозначность (специфичность) — каждый кодон кодирует только одну аминокислоту;
- избыточность (вырожденность) — многие аминокислоты кодируются 2–6 разными кодонами (61 кодон на 20 аминокислот);
- универсальность — код одинаков у всех организмов (от бактерий до человека); на этом основана генная инженерия;
- непрерывность и неперекрываемость — между кодонами нет «запятых», один нуклеотид не входит сразу в два кодона.
§3. Репликация ДНК
Перед делением клетки, в S-периоде интерфазы, ДНК удваивается (редупликация). Ферменты раскручивают двойную спираль и разделяют цепи; ДНК-полимераза достраивает к каждой старой цепи комплементарные нуклеотиды.
Полуконсервативный способ: в каждой новой молекуле ДНК одна старая (матричная) и одна новая цепь.
В результате образуются две одинаковые ДНК, и дочерние клетки получают одинаковую наследственную информацию. Ошибка при репликации — генная мутация.
§4. Транскрипция
Транскрипция («переписывание») у эукариот идёт в ядре. Двойная спираль ДНК раскручивается на участке гена, фермент РНК-полимераза на одной цепи ДНК — матричной (транскрибируемой) — синтезирует комплементарную ей и-РНК:
матрица ДНК → и-РНК: А → У, Т → А, Г → Ц, Ц → Г.
Значит, и-РНК повторяет вторую — кодирующую — цепь ДНК, только вместо Т стоит У.
У эукариот образовавшаяся и-РНК созревает (процессинг): вырезаются участки гена, не несущие информации, — интроны, а информативные участки — экзоны — сшиваются. Готовая и-РНК через поры ядра выходит в цитоплазму к рибосоме. У прокариот ядра нет, транскрипция и трансляция идут в цитоплазме почти одновременно.
§5. Трансляция
Трансляция («перевод») идёт в цитоплазме, на рибосомах.
- Активация аминокислот: каждая т-РНК с помощью особого фермента присоединяет свою аминокислоту; на это тратится энергия АТФ.
- Инициация: и-РНК связывается с малой субъединицей рибосомы, к старт-кодону AUG подходит т-РНК с метионином, затем присоединяется большая субъединица.
- Элонгация: к рибосоме подходит т-РНК, антикодон которой комплементарен очередному кодону, и приносит аминокислоту; между соседними аминокислотами образуется пептидная связь; рибосома сдвигается по и-РНК на один кодон (3 нуклеотида).
- Терминация: когда рибосома доходит до стоп-кодона, подходящей т-РНК нет, полипептид отделяется, рибосома распадается на субъединицы.
На одной и-РНК одновременно может работать несколько рибосом — такой комплекс называется полисомой; благодаря этому много копий одного белка образуется быстро. Готовый полипептид затем сворачивается и изменяется в ЭПС и аппарате Гольджи, из первичной структуры формируются третичная и четвертичная.
Биосинтез белка — энергозатратный процесс (пластический обмен): расходуется АТФ, участвуют ферменты.
§6. Формулы для решения задач
- Нуклеотиды и-РНК = аминокислоты × 3 (если учитывать стоп-кодон, ещё +3).
- Нуклеотиды ДНК (двухцепочечного гена) = аминокислоты × 6.
- Длина гена = нуклеотиды одной цепи × 0,34 нм.
- Масса гена ≈ число нуклеотидов × 345; масса белка ≈ аминокислоты × 110.
- Антикодон т-РНК комплементарен кодону и-РНК: кодон GCU → антикодон CGA.
- Число т-РНК, участвующих в трансляции, = числу аминокислот.
Внимательно читайте, какая цепь в задаче матричная: и-РНК комплементарна матричной цепи.
Пример
Первая цепь ДНК: ATG ACC CAA. Если матрицей служит вторая цепь, какой будет полипептид? (AUG — метионин, ACC — треонин, CAA — глутамин)
- Вторая цепь комплементарна первой: TAC TGG GTT.
- и-РНК комплементарна второй цепи, то есть повторяет первую с заменой Т → У: AUG ACC CAA.
- Читаем кодоны: AUG — метионин, ACC — треонин, CAA — глутамин.
- Ответ: метионин — треонин — глутамин.
Пример
Белок состоит из 150 аминокислот. Найдите число нуклеотидов в и-РНК и ДНК гена и длину гена (без стоп-кодона).
- и-РНК: 150 × 3 = 450 нуклеотидов.
- ДНК (две цепи): 450 × 2 = 900 нуклеотидов.
- Длина гена по одной цепи: 450 × 0,34 = 153 нм.
- Ответ: 450 нуклеотидов, 900 нуклеотидов, 153 нм.
Пример
В фрагменте ДНК аденин составляет 20%. Найдите доли остальных нуклеотидов.
- По правилу Чаргаффа Т = А = 20%.
- Г + Ц = 100% − 40% = 60%.
- Г = Ц = 60% / 2 = 30%.
- Ответ: Т — 20%, Г — 30%, Ц — 30%.
Проверьте себя
- Сколько кодонов кодируют аминокислоты?
- Где идёт транскрипция у эукариот?
- Какой кодон и-РНК соответствует триплету TAC матричной цепи ДНК?
- Каков антикодон т-РНК, если кодон и-РНК GCU?
- Сколько аминокислот кодирует и-РНК из 600 нуклеотидов (без стоп-кодона)?
- В ДНК гуанина 15%. Сколько процентов аденина?
- Что означает универсальность генетического кода?
- Какова длина гена белка из 120 аминокислот?
Типичные ошибки
- Писать в и-РНК тимин (Т) — в РНК вместо него урацил (У).
- Комплементарно переписывать не матричную, а кодирующую цепь.
- Считать стоп-кодон аминокислотой.
- Указывать, что транскрипция идёт на рибосоме, — на рибосоме идёт трансляция.
- При расчёте длины гена умножать на 0,34 все нуклеотиды двух цепей — нужно только одной цепи.
- Писать, что репликация идёт во время деления (в митозе), — она идёт в S-периоде интерфазы.
Итог: 0 / 8 верно (решено: 0)