Генетическая информация кратко конспект

Обновлено: 05.07.2024

Одна из самых замечательных особенностей жизни состоит в том, что все живые существа характеризуются общностью строения клеток и происходящих в них процессов (см. § 7). Однако они имеют и очень много различий. Даже особи одного вида различаются по многим свойствам и признакам: морфологическим, физиологическим, биохимическим.

Современная биология показала, что в своей основе сходство и различие организмов определяются в конечном счете набором белков. Чем ближе организмы друг к другу в систематическом положении, тем более сходны их белки.

Некоторые белки, выполняющие одинаковые функции, могут иметь сходное строение в клетках не только разных видов, но даже более далеких групп организмов. Например, инсулин (гормон поджелудочной железы), регулирующий уровень сахара в крови, близок по строению у собаки и человека. Однако большинство белков, выполняя одну и ту же функцию, несколько отличаются по строению у разных представителей одного и того же вида. Примером могут служить белки групп крови у человека. Такое разнообразие белков лежит в основе специфичности каждого организма.

Известно, что в эритроцитах (красных кровяных клетках дисковидной формы) содержится белок гемоглобин, который доставляет кислород ко всем клеткам тела. Это сложный белок. Каждая его молекула состоит из четырех полипептидных цепей. У людей, страдающих тяжелым наследственным заболеванием — серповидноклеточной анемией, эритроциты похожи не на диски, как обычно, а на серпы. Причина изменения формы клетки — в различии первичной структуры гемоглобина у больных и здоровых людей. В чем же это различие? В двух из четырех цепей нормального гемоглобина на шестом месте стоит глутаминовая кислота. При серповидноклеточной анемии она заменена на аминокислоту валин. Из 574 аминокислот, входящих в состав гемоглобина, заменены только две (по одной в двух цепях). Но это приводит к существенному изменению третичной и четвертичной структуры белка и, как следствие, к изменению формы и нарушению функции эритроцита. Серповидные эритроциты плохо справляются со своей задачей — переносом кислорода.

ДНК — матрица для синтеза белков. Каким же образом в эритроцитах здорового человека образуются миллионы идентичных молекул гемоглобина, как правило, без единой ошибки в расположении аминокислот? Почему в эритроцитах больных серповидноклеточной анемией все молекулы гемоглобина имеют одну и ту же ошибку в одном и том же месте?

Для ответа на эти вопросы обратимся к примеру с книгопечатанием. Учебник, который вы держите в руках, издан тиражом n экземпляров. Все n книг отпечатаны с одного шаблона — типографской матрицы, поэтому они совершенно одинаковы. Если бы в матрицу вкралась ошибка, то она была бы воспроизведена во всех экземплярах. Роль матрицы в клетках живых организмов выполняют молекулы ДНК. ДНК каждой клетки несет информацию не только о структурных белках, определяющих форму клетки (вспомните эритроцит), но и о всех белках-ферментах, белках-гормонах и других белках.

Углеводы и липиды образуются в клетке в результате сложных химических реакций, каждая из которых катализируется своим белком-ферментом. Владея информацией о ферментах, ДНК программирует структуру и других органических соединений, а также управляет процессами их синтеза и расщепления.

Поскольку молекулы ДНК являются матрицами для синтеза всех белков, в ДНК заключена информация о структуре и деятельности клеток, о всех признаках каждой клетки и организма в целом.

Каждый белок представлен одной или несколькими полипептидными цепями. Участок молекулы ДНК, служащий матрицей для синтеза одной полипептидной цепи, т. е. в большинстве случаев одного белка, называют геном. Каждая молекула ДНК содержит множество разных генов. Всю информацию, заключенную в молекулах ДНК, называют генетической, а всю совокупность ДНК клетки называют геномом. Идея о матричном принципе синтеза белков впервые была сформулирована еще в 20-х гг. XX в. выдающимся отечественным биологом Николаем Константиновичем Кольцовым.

НИКОЛАЙ КОНСТАНТИНОВИЧ КОЛЬЦОВ (1872— 1940) — отечественный зоолог, цитолог, генетик. Основоположник экспериментального метода исследований в биологии в нашей стране. Впервые выступил с теорией матричной репродукции хромосом. Основатель Института экспериментальной биологии. Был инициатором создания Всесоюзного института экспериментальной медицины, на основе которого впоследствии была создана Академия медицинских наук.

Удвоение ДНК. Молекулы ДНК обладают поразительным свойством, не присущим ни одной другой из известных молекул, — способностью к удвоению. Что представляет собой процесс удвоения? Вы помните, что двойная спираль ДНК построена по принципу комплементарности (см. рис. 7). Этот же принцип лежит в основе удвоения молекул ДНК. С помощью специальных ферментов водородные связи, скрепляющие нити ДНК, разрываются, нити расходятся, и к каждому нуклеотиду каждой из этих нитей последовательно пристраиваются комплементарные нуклеотиды. Разошедшиеся нити исходной (материнской) молекулы ДНК являются матричными — они задают порядок расположения нуклеотидов во вновь синтезируемой цепи. В результате действия сложного набора ферментов происходит соединение нуклеотидов друг с другом. При этом образуются новые нити ДНК, комплементарные каждой из разошедшихся цепей (рис. 21). Таким образом, в результате удвоения создаются две двойные спирали ДНК (дочерние молекулы), каждая из них имеет одну нить, полученную от материнской молекулы, и одну нить, синтезированную вновь.

Рис. 21. Схема удвоения ДНК

Процесс матричного синтеза ДНК, осуществляемый ферментами ДНК-полимеразами, называют репликацией.

Дочерние молекулы ДНК ничем не отличаются друг от друга и от материнской молекулы. При делении клетки дочерние молекулы ДНК расходятся по двум образующимся клеткам, каждая из которых вследствие этого будет иметь ту же информацию, которая содержалась в материнской клетке. Так как гены — это участки молекул ДНК, то две дочерние клетки, образующиеся при делении, имеют одинаковые гены.

На уроке мы узнаем как происходит передача и хранение наследственной информации в клетке, узнаем свойства генетического кода, а так рассмотрим процессы транскрипции и трансляции.

4. Глоссарий по теме (перечень терминов и понятий, введенных на данном уроке);

Ген; генетическая информация; геном; репликация ДНК; транскрипция; генетический код; кодон; трансляция; полисома

5. Основная и дополнительная литература по теме урока (точные библиографические данные с указанием страниц);

6. открытые электронные ресурсы по теме урока (при наличии);

7. Теоретический материал для самостоятельного изучения;

1. ДНК — матрица для синтеза белков. Каким же образом в эритроцитах здорового человека образуются миллионы идентичных молекул гемоглобина, как правило, без единой ошибки в расположении аминокислот? Почему в эритроцитах больных серповидноклеточной анемией все молекулы гемоглобина имеют одну и ту же ошибку в одном и том же месте?

Для ответа на эти вопросы обратимся к примеру, с книгопечатанием. Учебник, который вы держите в руках, издан тиражом п экземпляров. Все п книг отпечатаны с одного шаблона — типографской матрицы, поэтому они совершенно одинаковы. Если бы в матрицу вкралась ошибка, то она была бы воспроизведена во всех экземплярах. Роль матрицы в клетках живых организмов выполняют молекулы ДНК. ДНК каждой клетки несет информацию не только о структурных белках, определяющих форму клетки (вспомните эритроцит), но и обо всех белках-ферментах, белках-гормонах и других белках.

Каждый белок представлен одной или несколькими полимерными цепями. Участок молекулы ДНК, служащий матрицей для синтеза одной полипептидной цепи, т. е. в большинстве случаев одного белка, называют геном. Каждая молекула ДНК содержит множество разных генов. Всю информацию, заключенную в молекулах ДНК, называют генетической. Идея о том, что генетическая информация записана на молекулярном уровне и что синтез белков идет по матричному принципу, впервые была сформулирована еще в 20-х годах выдающимся отечественным биологом Н. К. Кольцовым.

2. Удвоение ДНК. Молекулы ДНК обладают поразительным свойством, не присущим ни одной другой из известных молекул, — способностью к удвоению. Что представляет собой процесс удвоения? Вы помните, что двойная спираль ДНК построена по принципу комплементарности. Этот же принцип лежит в основе удвоения молекул ДНК. С помощью специальных ферментов водородные связи, скрепляющие нити ДНК, разрываются, нити расходятся, и к каждому нуклеотиду каждой из этих нитей последовательно пристраиваются комплементарные нуклеотиды. Разошедшиеся нити исходной (материнской) молекулы ДНК являются матричными — они задают порядок расположения нуклеотидов во вновь синтезируемой цепи. В результате действия сложного набора ферментов происходит соединение нуклеотидов друг с другом. При этом образуются новые нити ДНК, комплементарные каждой из разошедшихся цепей. Таким образом, в результате удвоения создаются две двойные спирали ДНК (дочерние молекулы), каждая из них имеет одну нить, полученную от материнской молекулы, и одну нить, синтезированную вновь.

В клетке генетическая информация передается благодаря транскрипции от ДНК к белку:

3. Генетический код — определенные сочетания нуклеотидов, несущих информацию о структуре белка, и последовательность их расположения в молекуле ДНК.\

Ген — участок молекулы ДНК, несущий информацию о структуре одной молекулы белка.

Свойства генетического кода:

— триплетность — одна аминокислота кодируется тремя рядом расположенными нуклеотидами — триплетом, или кодоном;

— универсальность — код един для всего живущего на Земле (у мха, сосны, амебы, человека, страуса и пр. одни и те же триплеты кодируют одни и те же аминокислоты);

— вырожденность — одной аминокислоте может соответствовать несколько триплетов (от двух до шести). Исключение составляют аминокислоты метионин и триптофан, каждая из которых кодируется только одним триплетом (метионин кодируется триплетом АУГ);

— специфичность — каждый триплет кодирует только одну аминокислоту.

Триплеты ГАА или ГАГ, занимающие шестое место в гене здоровых людей, несут информацию о цепи гемоглобина, кодируя глутаминовую кислоту. У больных серповидноклеточной анемией второй нуклеотид заменен на У, а триплеты ГУА и ГУГ кодируют валин;

— неперекрываемость — кодоны одного гена не могут одновременно входить в соседний;

— непрерывность — в пределах одного гена считывание генетической информации происходит в одном направлении.

4. Трансляция – механизм, с помощью которого последовательность триплетов оснований иРНК переводится в специфическую последовательность аминокислот в полипептидной цепи.

Подготовительным этапом трансляции является рекогниция – активирование и присоединение аминокислоты к тРНК (фермент аминоацил-тРНК-синтетаза (кодаза)).

Затем иРНК соединяется с рибосомой (у прокариот начинается синтез с кодона АУГ, с которым взаимодействует антикодон особой тРНК (с формилметионином)), затем первая тРНК доставляет сюда первую аминокислоту (для каждой аминокислоты есть своя тРНК) и связывается с определенным участком иРНК по принципу комплементарности (антикодон тРНК соответствует кодону иРНК).

Происходит связывание с иРНК и с рибосомой второй тРНК, несущей вторую аминокислоту. Первая и вторая аминокислоты соединяются пептидной связью (фермент пептидил-трансфераза). Затем рибосома перемещается на один триплет вперед, первая тРНК освобождается, приходит третья тРНК. Рибосома перемещается по молекуле иРНК прерывисто, триплет за триплетом, делая каждый из них доступным для контакта с тРНК. Сущность трансляции в подборе по принципу комплементарности антикодона тРНК к кодону иРНК. Если антикодон тРНК соответствует кодону иРНК, то аминокислота, доставляемая такой тРНК, включается в полипептидную цепь, и рибосома перемещается на следующий триплет (фермент транслоказа).

Как только рибосома дойдет до стоп-кодона иРНК, происходит распад комплекса, полипептид отделяется от матрицы-иРНК и приобретает свою конформацию.

Для трансляции необходимы ферменты (кодаза, пептидил-трансфераза, транслоказа), энергия АТФ, ионы Mg 2+ .

Таким образом, главными этапами трансляции являются:

1) присоединение иРНК к рибосоме;

2) рекогниция (активация аминокислоты и ее присоединение к тРНК);

3) инициация (начало синтеза) полипептидной цепи;

4) элонгация (удлинение) цепи;

5) терминация (окончание синтеза) цепи;

6) дальнейшее использование иРНК (или ее разрушение).

8. примеры и разбор решения заданий тренировочного модуля (не менее 2 заданий).

Найдите и выделите цветом по вертикали и горизонтали названия химических элементов:

самый распространённый элемент в земной коре и живых организмов;
элемент – основа строения органических соединений, атомы которого способны соединяться друг с

Правильный вариант/варианты (или правильные комбинации вариантов):

Подсказка: при необходимости обратитесь к дополнительным материалам

Установите соответствие между термином и его определением.

Процесс синтеза дочерней молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты на матрице родительской молекулы ДНК

Транскрипция

Процесс синтеза РНК с использованием ДНК в качестве матрицы

Процесс образования органического вещества из углекислого газа и воды на свету при участии фотосинтетических пигментов

Основоположники клеточной теории

Правильный вариант/варианты (или правильные комбинации вариантов):

Процесс синтеза дочерней молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты на матрице родительской молекулы ДНК

Процесс синтеза РНК с использованием ДНК в качестве матрицы

Транскрипция

Процесс синтеза белка из аминокислот на матрице информационной (матричной) РНК (иРНК, мРНК), осуществляемый рибосомой

Основная роль в определении структуры синтезируемого белка принадлежит ДНК.

ДНК – это полимер из нуклеотидов, а белок из аминокислот. Для того, чтобы 4 нуклеотида могли кодировать 20 аминокислот, они должны быть в определенных сочетаниях. Экспериментальным путем было выяснено, что это последовательность из трех нуклеотидов – триплет (или кодон). Разных триплетов из четырех по три будет 64, а аминокислот 20, следовательно, одна и та же аминокислота кодируется несколькими триплетами. И только метионин и триптофан кодируется одним триплетом. Из 64 возможных триплетов 61 кодируют 20 аминокислот, а 3 (нонсенс триплеты) кодируют окончание биосинтеза белка.

Генетический код имеет следующие основные свойства:

Универсальность - код един для всех живых организмов;

Вырожденность (множественность) - одну аминокислоту кодируют от 2 до 6 триплетов;

Триплетность - одну аминокислоту кодируют 3 нуклеотида;

Неперекрываемость - нуклеотид одного триплета не может входить в состав соседнего триплета;

Специфичность - один триплет кодирует строго определенную аминокислоту.

РЕАКЦИИ МАТРИЧНОГО СИНТЕЗА

Реакции транскрипции, трансляции, а также репликации (удвоение ДНК) носят название матричных реакций. Роль матрицы в клетках живых организмов выполняют ДНК или иРНК. Мономерные молекулы (нуклеотиды или аминокислоты), из которых синтезируется полимер, в соответствии с принципом комплементарности располагаются и фиксируются на матрице в строго определенном порядке. После соединения мономерных звеньев в полимерную цепь, новый полимер сходит с матрицы.

Таким образом, матричные реакции:

ДНК материнской клетки репликация ДНК (дочерних клеток – все клетки многоклеточного организма) транскрипция иРНК трансляция белок.

Реакции матричного синтеза обнаружены только в клетках живых организмов и вне организма, в естественных условиях, неизвестны. Поэтому матричный синтез является одним из специфичных свойств живого.

БИОСИНТЕЗ БЕЛКОВ

Структура белка определяется ДНК, которая находятся в ядре. Ген – участок двойной молекулы ДНК – строго определенная последовательность нуклеотидов – содержащая информацию о первичной структуре одной молекулы белка и определяющая развитие какого-либо признака или свойства организма.

В процессе биосинтеза белка выделяют два последовательных этапа транскрипцию и трансляцию.

I этап – транскрипция (протекает в ядре) – процесс переписывания информации с ДНК на молекулу про-иРНК, согласно принципу комплементарности. Предшественница иРНК (про-иРНК) содержит в себе ряд инертных, бессмысленных участков-интронов. В результате процессинга – созревания иРНК, интроны с помощью фермента рестриктазы вырезаются, а оставшиеся экзоны – смысловые участки, несущие информацию о белке, сшиваются ферментом лигазой в цепочку. Процесс сшивания иРНК в одну нить называется сплайсингом. Сплайсинг идет в ядрышках.

II этап – трансляция (протекает в цитоплазме )– синтез полипептидных цепей белков на матрице иРНК, выполняемый рибосомами..

Во время трансляции выделяют такие стадии:

1. Стадия активизации аминокислот – аминокислоты присоединяются к ножке тРНК, образуя комплекс аминоацил-тРНК.

2. Стадия инициации. Синтез белка начинается с образования комплекса иРНК с рибосомой. Сначала поступившая из ядра в цитоплазму иРНК соединяется с малой субъединицей рибосомы. Первый кодон у всех иРНК несет информацию об аминокислоте метионине, т.к. имеет стартовый кодон АУГ, к которому присоединяется антикодон тРНК-метионин, именуемая инициаторной тРНК, т.к. обеспечивает связь малой субъединицы рибосомы с большой.

Дальнейшее удлинение пептидной цепи происходит путем повторения предыдущих фаз.

4. Стадия терминации – окончание биосинтеза белка. иРНК имеет участок, содержащий один из стоп-кодонов при контакте рибосомы с этими кодонами биосинтез белка прекращается, а рибосома распадается на субъединицы.

Генетический код — это система записи генетической информации о порядке расположения аминокислот в белках в виде последовательности нуклеотидов в ДНК или РНК.

Каждая аминокислота белка закодирована в ДНК триплетом — тремя расположенными подряд нуклеотидами. Каждому триплету нуклеотидов соответствует одна аминокислота в молекуле белка.

Так как ДНК состоит из четырёх видов нуклеотидов, то число возможных сочетаний из \(4\) по \(3\) равно 4 3 = 64 . Но в состав белков входит всего \(20\) аминокислот. Установлено, что многие аминокислоты кодируются не одним, а несколькими триплетами (до \(6\)), т. е. генетический код является вырожденным. Благодаря такому свойству генетического кода хранение и передача наследственной информации оказываются более надёжными.

аминокислоту пролин кодируют \(4\) триплета — ГГА, ГГГ, ГГТ и ГГЦ, которые отличаются только одним нуклеотидом. Если произойдёт ошибка в третьем нуклеотиде, то структура белка не изменится — всё равно это будет кодовый триплет аминокислоты пролин.

Учёные определили, какими триплетами ДНК закодирована каждая из \(20\) аминокислот, образующих молекулы белков, и составили карту генетического кода.

Чтобы определить название закодированной триплетом аминокислоты, находим нуклеотиды в таблице: первый нуклеотид — слева, второй — вверху и третий — справа. Проводим от всех нуклеотидов линии, и в месте их пересечения читаем название кислоты. В таблице показан пример определения аминокислоты: триплет ГТГ кодирует аминокислоту гистидин.

2. Код универсален. Все живые организмы (от бактерии до человека) используют единый генетический код.

Порядок расположения нуклеотидов в цепях ДНК определяет её неповторимость, а также специфичность белков, которые ею кодируются. Для каждого вида и для каждой отдельной особи вида строение ДНК и белков индивидуально.

Читайте также: