Роль днк в биосинтезе белка кратко

Обновлено: 05.07.2024

Раздел ЕГЭ: 2.6. Генетическая информация в клетке. Гены, генетический код и его свойства. Матричный характер реакций биосинтеза. Биосинтез белка и нуклеиновых кислот

К реакциям матричного синтеза относят репликацию ДНК, синтез и-РНК на ДНК (транскрипцию) и синтез белка на и-РНК (трансляцию), а также синтез РНК или ДНК на РНК вирусов.

Биосинтез белка — это один из видов пластического обмена, в ходе которого наследственная информация, закодированная в генах ДНК, реализуется в определенную последовательность аминокислот в белковых молекулах. В биосинтезе белка выделяют два основных этапа: транскрипцию и трансляцию.

Репликация ДНК

Структура молекулы ДНК, установленная Дж. Уотсоном и Ф. Криком в 1953 г., отвечала тем требованиям, которые предъявлялись к молекуле-хранительнице и передатчику наследственной информации. Молекула ДНК состоит из двух комплементарных цепей. Эти цепи удерживаются слабыми водородными связями, способными разрываться под действием ферментов. Процесс удвоения ДНК происходит 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.

Передача информации и синтез белка идут по матричному принципу, сравнимому с работой печатного станка в типографии. Информация от ДНК многократно копируется. Если при копировании произойдут ошибки, то они повторятся во всех последующих копиях. Правда, некоторые ошибки при копировании информации молекулой ДНК могут исправляться. Этот процесс устранения ошибок называется репарацией. Первой из реакций в процессе передачи информации является репликация молекулы ДНК и синтез новых цепей ДНК.

Репликация — это процесс самоудвоения молекулы ДНК, осуществляемый под контролем ферментов. На каждой из цепей ДНК, образовавшихся после разрыва водородных связей, при участии фермента ДНК-полимеразы синтезируется дочерняя цепь ДНК. Материалом для синтеза служат свободные нуклеотиды, имеющиеся в цитоплазме клеток.

Биологический смысл репликации заключается в точной передаче наследственной информации от материнской молекулы к дочерним, что в норме и происходит при делении соматических клеток.

Биосинтез белка и нуклеиновых кислот

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

Транскрипция — это биосинтез молекул иРНК на соответствующих участках ДНК. Транскрипция происходит только на одной цепи ДНК, которая называется кодирующей, в отличие от другой — некодирующей, или кодогенной. Обеспечивает процесс переписывания специальный фермент РНК-полимераза, который подбирает нуклеотиды РНК по принципу комплементарности.

Синтезированные в процессе транскрипции в ядре молекулы иРНК покидают его через ядерные поры, а митохондриальные и пластидные иРНК остаются внутри органоидов. После транскрипции происходит процесс активации аминокислот, в коде которой аминокислота присоединяется к соответствующей свободной тРНК.

Трансляция — это биосинтез полипептидной цепи на молекуле 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 Mg 2+ , а также оптимальные условия среды (температура, рН, давление и т. д.).

Для начала транскрипции (инициации) к 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.

Когда 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, то есть 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 энергоемким процессом, поскольку на присоединение одной аминокислоты к тРНК расходуется энергия одной молекулы АТФ, еще несколько используются для продвижения рибосомы по молекуле иРНК.

Репликация ДНК и синтез белка в клетке протекают по принципу матричного синтеза, поскольку новые молекулы нуклеиновых кислот и белков синтезируются в соответствии с программой, заложенной в структуре ранее существовавших молекул тех же нуклеиновых кислот (ДНК или РНК).

ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) – один из важнейших компонентов живого вещества. Посредством ее осуществляется сохранение и передача наследственной информации из поколения в поколение с возможностью изменчивости в некоторых рамках. Синтез всех необходимых живой системе белков был бы невозможен без ДНК-матрицы. Ниже мы рассмотрим устройство, формирование, основы функционирования и роль ДНК в биосинтезе белков.

Строение молекулы ДНК

Дезоксирибонуклеиновая кислота – это макромолекула, состоящая из двух нитей. Ее структура имеет несколько уровней организации.

Первичная структура цепи ДНК представляет собой последовательность нуклеотидов, содержащих каждый одно из четырех азотистых оснований: аденин, гуанин, цитозин или тимин. Цепочки возникают при соединении сахара дезоксирибозы одного нуклеотида с фосфатным остатком другого. Этот процесс осуществляется с участием белка-катализатора – ДНК-лигазы.

Вторичная структура ДНК – это так называемая двойная спираль (точнее – двойной винт). Основания способны соединяться друг с другом следующим образом: аденин и тимин образуют двойную водородную связь, а гуанин и цитозин – тройную. Эта особенность лежит в основе принципа комплементарности оснований, согласно которому цепочки соединяются друг с другом. При этом происходит винтообразное (чаще - правое) закручивание двойной цепочки.
Третичная структура – это сложная конформация огромной молекулы, возникающая посредством дополнительных водородных связей.
Четвертичная структура образуется в комплексе с особыми белками и РНК и представляет собой способ упаковки ДНК в клеточном ядре.

Функции ДНК

Рассмотрим, какую роль играет ДНК в живых системах. Этот биополимер является матрицей, содержащей запись структуры различных нужных организму белков, РНК, а также разного рода регуляторных участков. В целом, все эти компоненты составляют генетическую программу организма.

Посредством биосинтеза ДНК генетическая программа передается следующим поколениям, обеспечивая наследственность основополагающей для жизни информации. ДНК способна мутировать, благодаря чему возникает изменчивость живых организмов одного биологического вида и, как следствие, возможен процесс естественного отбора и эволюция живых систем.

При половом размножении ДНК организма-потомка формируется путем сочетания отцовской и материнской наследственной информации. При комбинации ее возникают различные варианты, что также способствует изменчивости.

Как воспроизводится генетическая программа

Инициируется репликация особым комплексом ферментов на определенных участках ДНК. При этом двойная цепочка расплетается, формируя репликационную вилку, где и проходит процесс биосинтеза ДНК – наращивания комплементарных последовательностей нуклеотидов на каждой из цепочек.

Особенности репликационного комплекса

Репликация протекает также с участием сложной совокупности ферментов – реплисомы, главную роль в которой играет ДНК-полимераза.

Одна из цепочек в ходе биосинтеза ДНК является лидирующей и формируется непрерывно. Образование отстающей цепи проходит путем присоединения коротких последовательностей – фрагментов Оказаки. Эти фрагменты сшиваются при помощи ДНК-лигазы. Такое течение процесса называется полунепрерывным. Кроме того, его характеризуют как полуконсервативный, поскольку в каждой из новообразованных молекул одна из цепей – материнская, а вторая – дочерняя.

Репликация ДНК – это один из ключевых этапов при клеточном делении. Данный процесс лежит в основе передачи наследственной информации новому поколению, а также роста организма.

Что представляют собой белки

Белок является важнейшим функциональным элементом в клетках всех живых организмов. Они выполняют каталитическую, структурную, регуляторную, сигнальную, защитную и множество других функций.

Молекула белка – это биополимер, образованный последовательностью аминокислотных остатков. Она, как и молекулы нуклеиновых кислот, характеризуется наличием нескольких уровней структурной организации – от первичного до четвертичного.

Существует 20 видов обладающих определенными особенностями (канонических) аминокислот, используемых живыми системами для построения огромного количества самых разнообразных белков. Самостоятельно белок, как правило, не синтезируется. Ведущая роль в формировании сложной белковой молекулы принадлежит нуклеиновым кислотам – ДНК и РНК.

Сущность генетического кода

Итак, ДНК – это информационная матрица, на которой сохраняется информация о необходимых организму для роста и жизнедеятельности белках. Белки строятся из аминокислот, ДНК (и РНК) – из нуклеотидов. Определенным нуклеотидным последовательностям молекулы ДНК соответствуют определенные последовательности аминокислот тех или иных белков.

Структурных единиц белка – канонических аминокислот – в клетке 20 видов, а нуклеотидов в составе ДНК – 4 вида. Так что каждая аминокислота записана на ДНК-матрице как сочетание трех нуклеотидов – триплет, ключевыми компонентами которого являются азотистые основания. Такой принцип соответствия называется генетическим кодом, а триплеты оснований – кодонами. Ген – это последовательность кодонов, содержащая запись какого-либо белка и некоторые служебные сочетания оснований – старт-кодон, стоп-кодон и прочие.

Некоторые свойства генетического кода

Генетический код практически универсален – за очень малым количеством исключений он одинаков у всех организмов, от бактерий до человека. Это свидетельствует, во-первых, о родстве всех форм жизни на Земле, а во-вторых, о древности самого кода. Вероятно, на ранних этапах существования примитивной жизни достаточно быстро сформировались разные варианты кода, но эволюционное преимущество получил только один.

Кроме того, он специфичен (однозначен): разные аминокислоты не кодируются одним и тем же триплетом. Также для генетического кода характерна вырожденность, или избыточность – несколько кодонов могут соответствовать одной и той же аминокислоте.

Функциональные единицы в составе ДНК

Совокупность всего генетического материала организма называют геномом. Таким образом, ДНК – это носитель генома. В состав генома входят не только структурные гены, кодирующие те или иные белки. Существенная часть ДНК содержит участки, имеющие разное функциональное назначение.

Так, в составе ДНК присутствуют:

Участие ДНК в биосинтезе белка

ДНК способна образовывать устойчивую структуру, ключевым элементом которой является комплементарное соединение азотистых оснований. Двойная цепь ДНК обеспечивает, во-первых, полное воспроизведение молекулы, а во-вторых – считывание отдельных участков ДНК при белковом синтезе. Этот процесс называется транскрипцией.

В ходе транскрипции участок ДНК, содержащий определенный ген, расплетается, и на одной из цепочек – матричной – синтезируется молекула РНК в качестве копии второй цепочки, называемой кодирующей. Этот синтез также базируется на свойстве оснований образовывать комплементарные пары. В синтезе принимают участие некодирующие, служебные области ДНК и фермент РНК-полимераза. РНК уже служит матрицей для синтеза белка, и в дальнейшем процессе ДНК не участвует.

Обратная транскрипция

Долгое время считалось, что матричное копирование генетической информации может идти только в одном направлении: ДНК → РНК → белок. Эта схема получила название центральной догмы молекулярной биологии. Однако в ходе исследований было установлено, что в ряде случаев возможно копирование с РНК на ДНК – так называемая обратная транскрипция.

Способность переносить генетический материал с РНК на ДНК свойственна ретровирусам. Характерным представителем таких РНК-содержащих вирусов является вирус иммунодефицита человека. Встраивание вирусного генома в ДНК зараженной клетки происходит с участием особого фермента – обратной транскриптазы (ревертазы), выступающей как катализатор биосинтеза ДНК на матрице РНК. Ревертаза также входит в состав вирусной частицы. Новообразованная молекула интегрируется в клеточную ДНК, где служит для производства новых вирусных частиц.

Что такое ДНК человека

Человеческая ДНК, содержащаяся в ядре клетки, упакована в 23 пары хромосом и содержит около 3,1 миллиарда спаренных нуклеотидов. Помимо ядерной, в клетках человека, как и остальных эукариотических организмов, присутствует митохондриальная ДНК – фактор наследственности клеточных органелл митохондрий.

Наука уже сформировала достаточно четкое понимание того, что такое ДНК человека в структурном и функциональном отношении, но дальнейшая работа ученых в этой области будет приносить новые открытия и новые биомедицинские технологии.

Днк роль в биосинтезе белка

ДНК представляет собой цепь нуклеиновых кислот, расположенных в двух полимерах или нитях. Каждая нить имеет один набор аминокислот, который подключается к противоположным аминокислотам для получения структуры, которая выглядит как лестница. Порядок аминокислот представляет собой генетическую карту, которая сообщает информацию в клетку, как она должна быть структурирована и сообщает клеткам, как в совокупности образовать большой организм. Эта информация используется непосредственно для создания клеточных компонентов, таких как рибонуклеиновой кислоты (РНК) и белка.

Наличие ДНК в синтезе белка является жизненно важным. Синтез белка является актом создания нового белка в клетке. Весь процесс происходит в рибосомах, своего рода белковых заводах внутри клетки. Есть много шагов в процессе синтеза белка. Использование ДНК во время синтеза белка происходит на первой ступени и называется синтезом аминокислот. Второй этап называется транскрипцией, и на заключительном этапе где рибосома транслирует информацию в белок.

Белок, называемый геликаза, разбивает полимеры ДНК в синтезе белка. Одна из нитей будет содержать план белка, требуемого для построения клеток. Это нити будут скопированы в матричной РНК (мРНК), при этом мРНК организована таким образом, что состоит из противоположных аминокислот к присутствующим в разделе ДНК на копирование.
МРНК затем принимает информацию с рибосомой. Рибосома будет обрабатывать мРНК, переводить код аминокислоты, используя противоположности тех, которые в мРНК, поэтому происходит возвращение цепи обратно к своей первоначальной форме. Исходя из этого, рибосома делает белки.

Организмы не способны синтезировать все аминокислоты. Есть около 20 известных аминокислот в мире, и люди могут синтезировать около 12 из них. Остальные попадает через пищу, а иногда через жидкости.

Процесс биосинтез белка — наиболее значимая реакция пластического обмена. Способность синтезировать белок есть у всех клеток живых организмов: сложных и простых, грибов, растений и животных. Клетка содержит несколько тысяч различных белков. При этом, для каждого вида клеток характерны специфические белки.

Способность к синтезу собственных уникальных белков является наследственной и сохраняется на протяжении всей жизни организма. Биосинтез белков происходит наиболее интенсивно, когда клетки активно растут и развиваются.

Что такое биосинтез белка?

Процессом синтеза белка называется — процесс, состоящий из множества стадий, на которых происходит синтез белковой макромолекулы и последующее созревание (формирование) белка, и происходящий в живых организмах.

Фотосинтез связан с большими энергетическими затратами. Благодаря ему происходит обеспечение клеток так называемым строительным материалом, биологическими катализаторами (ферментами), регуляторами и средствами защиты организма.

Каково значение белков в клетке? Значение белков неоценимо. Для этого рассмотрим, что такое биосинтез подробнее.

Код ДНК

Определение места синтеза белковых макромолекул — наивысшее достижение молекулярной биологии. ДНК играет ключевую роль в определении структуры синтезируемого белка. Молекула ДНК содержит информацию о первичной структуре молекулы белка.

Геном — часть молекулы ДНК, содержащая информацию о первичной структуре одного белка.

Генетический код — единая для всех живых организмов система сохранения полной наследственной информации.

Если говорить о структуре, то она представляет собой определенную последовательность нуклеотидов в молекулах нуклеиновых кислот. Эта последовательность задает последовательность введения аминокислотных остатков в полипептидную цепь в ходе ее синтеза.

Согласно исследованиям ученых, каждая аминокислота в полипептидной цепи кодируется последовательностью, которая состоит из 3 нуклеотидов (это триплет нуклеотидов).

Всего выделяют 20 основных аминокислот. Каждая аминокислота имеет способность кодироваться несколькими разными триплетами.

Матрица — молекула ДНК, которая содержит информацию.

Процесс считывания и передачи информации

Расположение молекул ДНК — ядро клетки. Также они могут находиться в пластидах и митохондриях. В определенный момент происходит деспирализация молекулы ДНК и расхождение ее параллельных цепей.

В соответствии с принципом комплементарности, на этих цепях происходит синтез небольших молекул и-РНК (информационной РНК). Это транскрипция или считывание.

Молекула и-РНК, синтезированная таким образом, направляется к месту синтеза белка.

Трансляция — процесс переноса и-РНК из ядра к месту синтеза белка.

Механизм биосинтеза белка

Синтез белковых молекул осуществляется на мембранах ЭПС (эндоплазматическая сеть). Рибосома является органеллой, которая отвечает за синтез белка. Рибосомы, нанизываясь на молекулу и-РНК, формируют полисому. Молекула т-РНК (транспортная РНК), которая несет кислотный остаток, подходит к каждой рибосоме.

т-РНК отличается формой трилистика: верхушка — это триплет нуклеотидов или антикодон. Он формирует комплементарную пару с соответствующим триплетом и-РНК (кодоном).

Рибосома в процессе синтеза белка надвигается на нитевидную молекулу и-РНК, которая оказывается двумя ее субъединицами. Присоединение т-РНК к и-РНК происходит в определенном месте — в месте совпадения кодона и антикодона. Присоединение аминокислотных остатков к синтезируемой цепи происходит при помощи полипептидных связей. Происходит отсоединение т-РНК, после чего она покидает рибосому.

Это продолжается до завершения синтеза нити аминокислотных остатков (белковой молекулы).

Репликация ДНК

Биосинтез белка и нуклеиновых кислот

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

Читайте также: