Последовательность реализации генетической информации кратко

Обновлено: 05.07.2024

Транскрипция (от лат. transcription- переписывание) заключается в том, что на одной из нитей ДНК происходит матричный синтез молекул м-РНК, комплементарных определенным участкам ДНК, соответствующих одному или нескольким генам.

Этот синтез осуществляется особым ферментом – РНК-полимеразой, который прикрепляется к началу участка ДНК, расплетает двойную спираль ДНК и, перемещаясь вдоль одной из нитей, последовательно строит рядом с ней комплементарную нить РНК. По мере передвижения РНК-полимеразы, растущая нить РНК отходит от матрицы ДНК и двойная спираль ДНК позади фермента восстанавливается, а когда РНК-полимераза достигает конца копируемого участка, РНК отделяется от ДНК. Синтезированная м-РНК содержит информацию, точно переписанную с соответствующего участка ДНК.

РНК-полимеразы контролируют транскрипцию участков ДНК, несущих информацию о трех классах молекул РНК:

- матричных (м-РНК) или информационных РНК (и-РНК), главной задачей которых является перенос информации с ДНК к месту синтеза белка, к рибосомам;

- рибосомных (р-РНК) входящих в состав рибосом, осуществляющих синтез белка;

- транспортных РНК (т-РНК), которые доставляют аминокислоты к месту синтеза белка. Для каждой из аминокислот существуют свои транспортные РНК, которые отличаются по составу нуклеотидов.

Нуклеотидная цепь т-РНК имеет специфическую пространственную структуру, похожую на листочек клевера и содержит два активных центра. Один расположен на переднем конце и представляет последовательность трех нуклеотидов (антикодон), а на другом конце акцепторный участок, к которому присоединяется аминокислота.

Второй этап реализации наследственной информации начинается после отсоединения молекул РНК от ДНК. Этот этап называется процессингом (созреванием). В этот период из РНК вырезаются (сплайсинг) участки которые не несут информацию о структуре белка (интроны) а участки несущие информацию о структуре белка (экзоны) соединяются вместе. Далее молекулы м-РНК выходят через ядерные поры из ядра в цитоплазму и соединяются с рибосомами, где происходит процесс трансляции – синтез полипептидной цепи.Туда же, в сопровождении т-РНК подходят аминокислоты, из которых будет строиться белок. В цитоплазме всегда имеются аминокислоты, образующиеся из белков пищи.

Инициация начинается с прикрепления малой субъединицы рибосомы к м-РНК на участке связывания, который обычно содержит кодон АУГ. Затем туда же присоединяется т-РНК с аминокислотой метионин.

После этого большая и малая субъединицы объединяются, и образуется активная рибосома.

В большей субъединице расположены Р-участок и А-участок. При образовании рибосомы т-РНК с метионином оказывается в Р-участке, а в А-участке по принципу комплементарности присоединяется следующая т-РНК с аминокислотой. В большей субъединице рибосомы происходит соединение двух аминокислот с образованием пептидной связи при участии фермента – пептидил-трасферазы.

Затем рибосома смещается вдоль м-РНК на один триплет и т-РНК из А-участка оказывается в Р-участке. Таким образом, освобождается А-участок для другой комплементарной т-РНК.

Многократное повторение процесса образования пептидной связи между аминокислотами и продвижение рибосомы по м-РНК на один триплет, приводит к удлинению полипептидной цепи. Эта стадия получила название элонгация.

При освобождении начального участка м-РНК к нему опять присоединяются другие большая и малая субъединицы.

Обычно на одной м-РНК может находиться до 100 рибосом.

Такая структура называется полирибосомой или полисомой.

Затем, готовый белок отходит от рибосомы и по ЭПС транспортируется в тот участок клетки, где требуется данный вид белка.Процесс белкового синтеза происходит с затратой большого количества энергии. Таким образом, процесс передачи наследственной информации с молекулы ДНК осуществляется путем образования различных белков с участием различных типов РНК. При этом структура белковой молекулы, состав ее аминокислот определяется последовательностью нуклеотидов в соответствующем участке молекулы ДНК.

Понятие о генах, их свойствах

Ген – элементарный, дискретный наследственный фактор, который определяет строение одной белковой полипептидной цепи. Он – единица наследственности и передается от родителей детям. Гены располагаются в хромосомах в линейном порядке, занимают определенное положение – локус.

Размеры генов неодинаковы, от нескольких миллионов пар оснований до нескольких сотен оснований, их размер зависит от размера белка, который здесь зашифрован. Принято считать, что средний размер генов составляет около 30000 пар оснований. Гены отделены друг от друга фрагментами ДНК, содержащими нетранскрибируемые повторяющиеся последовательности нуклеотидов.

Каждая хромосома содержит одну гигантскую молекулу ДНК – генофора, в ней много генов. По современным оценкам, у человека имеется около 30 – 40 тысяч генов, каждый из которых выполняет специфическую функцию. Сумма генов соматической клетки организма называется генотипом. В генотипе каждый ген имеет себе пару, парные (аллельные) гены отвечают за развитие одного признака.

Гены, регулирующие активность участков генома называются функциональными, их несколько видов: ген регулятор; ген промотор; ген оператор; ген терминатор; гены мобильные.

Ген регулятор в хромосоме один, располагается в любом месте, несет информацию о строении белка-репрессора, который может блокировать ген оператор.

Ген промотор – их в хромосоме столько, сколько оперонов. Он всегда находится перед геном оператором и определяет начало транскрипции, связываясь с РНК – полимеразой и скорость транскрипции.

Ген оператор – включает или выключает структурные гены, в зависимости от того, соединяется он с белком-репрессором или свободен от него. Этот ген – начальник над структурными генами и входит в состав оперона вместе с группой структурных генов.

Гены терминаторы – они программируют окончание синтеза белковой молекулы (УАГ, УАА, УГА), располагаются между структурными генами, входят в состав оперона.

Прыгающие (мобильные) гены – это гены, которые могут перемещаться в хромосоме, встраиваться между генами или внутри их и менять их работу. Опасно, когда вставка происходит в активный участок структурного гена, может произойти мутация.

Структурные гены вместе с рядом функциональных генов (промотор, оператор, терминатор) образуют единицу гетеросинтеза - оперон. Как он функционирует? На основании своих исследований французские учение Ф.Жакоб и Ж.Моно предложили схему регуляции синтеза ферментов (белков) у микроорганизмов путем отрицательной индукции.

Рис.3. Регуляция активности генов: lac-оперон E.coli

Ими была предложена концепция лактозного оперона (рис.3).

С гена регулятора списывается информация в виде и-РНК и в рибосомах образуется белок-репрессор.

Он соединяется с оператором и подавляет функцию всего оперона. Низкомолекулярное вещество индуктор соединяется с репрессором и инактивирует его, вследствие чего последний теряет способность подавлять функцию оперона.

Ген оператор, при участии промотора, дает команду структурным генам, с них списывается информация, поступает в цитоплазму и в рибосомах синтезируется белок.

Митохондриальные гены

Митохондриальная ДНК содержит 13 генов, кодирующих белки и гены т-РНК. М-ДНК полностью секвенирована, на ней выявлены все структурные гены.

Реализа́ция генети́ческой информа́ции — процесс, происходящий внутри каждой живой клетки, во время которого генетическая информация, записанная в ДНК, воплощается в биологически активных веществах — РНК и белках. Переход генетической информации от ДНК к РНК и от РНК к белку является универсальным для всех без исключения клеточных организмов. Представление об этом информационном потоке называется центральной догмой молекулярной биологии.

Содержание

Реализация генетической информации у про- и эукариот

Принципиальная схема реализации генетической информации у про- и эукариот.
ПРОКАРИОТЫ. У прокариот синтез белка транскрипции и может происходить еще до завершения синтеза мРНК цистронные, то есть содержат несколько независимых генов.
ЭУКАРИОТЫ. мРНК эукариот синтезируется в виде предшественника, пре-мРНК, претерпевающего затем сложное стадийное созревание - полиаденилирование), выщепление незначащих участков - интронов и соединение друг с другом значащих участков - экзонов (сплайсинг). При этом соединение экзонов одной и той же пре-мРНК может проходить разными способами, приводя к образованию разных зрелых мРНК, и в конечном итоге разных вариантов белка (альтернативный сплайсинг). Только мРНК, успешно прошедшая процессинг, экспортируется из ядра в цитоплазму и вовлекается в трансляцию.

Основные стадии процесса реализации генетической информации у эукариот

Начальная стадия хранения информации

После окончания клеточного хроматин, который содержит ДНК с генетической информацией находится в так называемом конденсированном состоянии, которое предназначено для того, чтобы в наиболее сохранном виде доставить генетическую информацию из родительской клетки в дочерние. В этом состоянии ДНК находится в максимально компактном состоянии и не работает.

Деконденсация хроматина

К развёрнутым участкам ДНК получают доступ специальные ферменты, называемые нуклеотидов. Между нуклеотидами ДНК и РНК существует химическое сродство, что позволяет полимеразе двигаться по ДНК и синтезировать РНК, в точности соответствующую ДНК. Полученная в результате транскрипции РНК называется информационной (иРНК) или матричной (мРНК). Переписываемый участок не бесконечен, а ограничен с обеих сторон специальными ДНК-последовательностями и называется геном. После транскрипции с гена получается соответствующая ему мРНК. Подробнее см. Трансляция и транспорт аминокислот

Рибосомы плавают в цитоплазме клетки и к ним поступают мРНК с информацией из ядра и тРНК с материалом из окружающей цитоплазмы. Рибосома также похожа на застёжку-молнию, только гораздо крупнее РНК-полимеразы и представляет собой целую клеточную Биологическая активность белков

Процесс биосинтеза белка осуществляется на рибосомах, а хранителем генетической информации является ДНК- Для передачи информации с ДНК, нахо -дящейся в ядре, к месту синтеза белка требуется посредник. Его роль выполняет информационная (матричная) РНК, которая синтезируется на одной из цепей молекулы ДНК по принципу комплементарности.

Таким образом, реализация наследственной информации в клетке осуществляется в два этапа: сначала информация о структуре белка копируется с ДНК на иРНК (транскрипция), а затем реализуется на рибосоме в виде конечного продукта — белка (трансляция). Это можно представить в виде схемы:

Транскрипция. Переписывание наследственной информации с ДНК на иРНК называется транскрипцией (от лат. транскрипцио — переписывание). Этот процесс происходит следующим образом.

На определенном участке молекулы ДНК происходит разъединение комплементарных цепей. Вдоль одной из цепей (ее называют транскрибируемой цепью) начинает движение фермент РНК-полимераза.

в) генетический код

РНК-полимераза синтезирует из нуклеотидов молекулу иРНК, при этом транскрибируемая цепь ДНК используется в качестве матрицы (рис. 65). Полученная иРНК комплементарна участку транскрибируемой цепи ДНК, значит, порядок нуклеотидов в иРНК строго определен порядком нуклеотидов в ДНК Например, если участок транскрибируемой цепи ДНК имеет последовательность нуклеотидов А Ц Г Т Г А, то соответствующий участок молекулы иРНК будет иметь вид У Г ЦАЦУ (обратите внимание, что в состав нуклеотидов РНК вместо тимина входит урацил). Таким образом, в результате транскрипции генетическая информация переписывается с ДНК на иРНК

Транскрипция может происходить одновременно на нескольких генах одной хромосомы и на генах, расположенных в разных хромосомах.

Поскольку в одной молекуле ДНК содержится множество генов, очень важно, чтобы РНК-полимераза начинала синтез иРНК со строго определенного участка ДНК- Поэтому в начале каждого гена находится особая специфическая последовательность нуклеотидов, называемая промотором. РНК-полимераза распознает промотор, взаимодействует с ним и начинает синтез цепочки иРНК с нужного места. Фермент синтезирует иРНК, присоединяя к ней новые нуклеотиды, пока не дойдет до особой последовательности нуклеотидов в молекуле ДНК — терминатора. Эта последовательность нуклеотидов указывает на то, что синтез иРНК нужно прекратить.

У прокариот синтезированные молекулы иРНК могут сразу же взаимодействовать с рибосомами и участвовать в синтезе белков. У эукариот иРНК синтезируется в ядре. Там она взаимодействует со специальными ядерными белками и переносится через поры в ядерной мембране в цитоплазму.

На специальных генах синтезируются и два других типа РНК: тРНК и рРНК

В цитоплазме обязательно должен быть полный набор аминокислот, необходимых для синтеза белков. Эти аминокислоты образуются в результате расщепления белков, получаемых организмом с пищей, или синтезируются в самом организме.

Информационная РНК связывается с малой субъединицей рибосомы, после этого присоединяется большая субъединица (рис. 66).

Синтез белка начинается со стартового кодона АУТ. Так как этот триплет кодирует аминокислоту метионин, то все белки (за исключением особых случаев) будут начинаться с остатка метионина. Отщепление этого остатка у большинства белков происходит позднее, в ходе созревания белковой молекулы.

Начиная со стартового кодона, молекула иРНК последовательно, триплет за триплетом, продвигается через рибосому, что сопровождается ростом полипеп-тидной цепочки. Соединение аминокислот в нужную последовательность (в соответствии с кодонами иРНК) осуществляется на рибосомах при участии транспортных р н к

Благодаря специфическому расположению комплементарных нуклеотидов молекула тРНК, как уже отмечалось, имеет форму, напоминающую лист клевера (рис. 67). У каждой тРНК имеется акцепторный конец, к которому присоединяется определенная аминокислота, предварительно активированная энергией АТФ. Для активации одной аминокислоты необходимо расщепить одну молекулу АТФ.

В противоположной части молекулы тРНК находится специфический триплет — ант и кодон, ответственный за прикрепление по принципу комплемен-тарности к соответствующему триплету иРНК (кодону).

Молекула тРНК с присоединенной активированной аминокислотой благодаря антикодону комплементарно связывается с соответствующим кодоном иРНК Таким же образом к следующему кодону иРНК прикрепляется вторая тРНК с активированной аминокислотой. Между двумя аминокислотами возникает пептидная связь, после чего первая тРНК освобождается от аминокислоты и покидает рибосому.

После этого иРНК сдвигается на один триплет, а в рибосому проникает следующая молекула тРНК с аминокислотой. В результате к образованному дипептиду присоединяется третья аминокислота и иРНК сдвигается еще на один триплет. Так происходит наращивание полипептид-ной цепочки.

Процесс трансляции продолжается до тех пор, пока в рибосому не попадет один из трех стоп-кодонов:

УАА, УАГ или УГА, после чего синтез белка прекращается и рибосома распадается на две субъединицы.

Все описанные реакции происходят очень быстро. Подсчитано, что синтез крупной молекулы белка осуществляется приблизительно за 1 —2 мин.

Каждый этап биосинтеза белка катализируется соответствующими ферментами и снабжается энергией за счет расщепления АТФ.

Молекула иРНК может связываться одновременно с несколькими рибосомами. Комплекс из иРНК и рибосом (от 5—6 до нескольких десятков) называется пол и сомой. Образование полисом повышает эффективность функционирования иРНК, так как позволяет одновременно осуществлять синтез нескольких одинаковых молекул белка.

Если синтез белка происходил на рибосомах, связанных с шероховатой ЭПС, то образовавшаяся полипептидная цепь сначала оказывается внутри полости эндоплазматической сети, а затем транспортируется в комплекс Гольджи. В этих органоидах происходит созревание белка — формирование вторичной, третичной и четвертичной структуры, присоединение к белковой молекуле небелковых компонентов и др. Если синтез белка осуществлялся на свободных рибосомах, расположенных в гиалоплазме, то синтезированная белковая молекула транспортируется в нужную часть клетки, где и приобретает соответствующую структуру.

Таким образом, генетическая информация, которая содержится в ДНК, в результате процессов транскрипции и трансляции реализуется в клетке в виде молекул белков. Синтез белка обеспечивается взаимодействием всех типов РНК: рРНК является главным структурным компонентом рибосом, иРНК — носителем информации о первичной структуре белка, тРНК доставляют на рибосому аминокислоты, а также обеспечивают их правильное включение в полипептид-ную цепь.

Биосинтез РНК (транскрипция) и биосинтез белка (трансляция) осуществляются с использованием матриц — ДНК и иРНК соответственно. Поэтому, так же как и репликация, процессы транскрипции и трансляции являются реакциями матричного синтеза.

1. Какие процессы относятся к реакциям матричного синтеза?

Брожение, трансляция, транскрипция, фотосинтез, репликация.

2. Что такое транскрипция? Как протекает этот процесс?

3. Какой процесс называется трансляцией? Охарактеризуйте основные этапы трансляции.

4. Почему при трансляции в состав белка включаются не любые аминокислоты в случайном порядке, а только те, которые закодированы триплетами иРНК, причем в строгом соответствии с последовательностью этих триплетов? Как вы думаете, сколько видов тРНК участвует в синтезе белков в клетке?

5. Реакции матричного синтеза следует относить к процессам ассимиляции или диссимиляции? Почему?

6. Участок транскрибируемой цепи ДНК имеет следующий порядок нуклеотидов: ТАЦТГГАЦАТАТТАЦААГАЦТ. Установите последовательность аминокислотных остатков пептида, закодированного этим участком.

7. Исследования показали, что в молекуле иРНК 34% от общего числа азотистых оснований приходится на гуанин, 18 % — на урацил, 28 % — на цитозин и 20 % — на аденин. Определите процентный состав азотистых оснований двуцепочечного участка ДНК, одна из цепей которого служила матрицей для синтеза данной иРНК.

8. В эритроцитах млекопитающих синтез гемоглобина может происходить еще в течение нескольких дней после утраты этими клетками ядер. Как вы можете это объяснить?

Глава 1. Химические компоненты живых организмов

Глава 2. Клетка — структурная и функциональная единица живых организмов

Глава 3. Обмен веществ и преобразование энергии в организме

Глава 4. Структурная организация и регуляция функций в живых организмах

Глава 5. Размножение и индивидуальное развитие организмов

Глава 6. Наследственность и изменчивость организмов

Глава 7. Селекция и биотехнология

Биология: учеб. для 10-го кл. учреждений общ. сред, образования с рус. яз. обуч. / Н. Д. Лисов [и др.]; под ред. Н. Д. Лисова. — 3-е изд., перераб. — Минск : Народная асвета, 2014. — 270 с.: ил.