Организация потока информации в клетке
А)Химический состав и биологическая роль ДНК. Биологический код
ДНК – сложное органическое соединение, являющееся материальным носителем наследственной информации. Структура ДНК была смоделирована в 1953 г. в США учеными Д. Уотсоном и Ф. Криком. ДНК представляет собой двойной неразветвленный полимер, закрученный спирально, за исключением одноцепочечной молекулы ДНК вирусов и кольцевой молекулы ДНК бактерий, пластид, митохондрий. Мономерами ДНК являются нуклеотиды. Каждый нуклеотид состоит из азотистого основания, остатка фосфорной кислоты и углевода дезоксирибозы. В одной молекуле ДНК насчитывается 10-25 тыс. нуклеотидов четырех типов, различающихся по азотистому основанию: в адениновый нуклеотид входит аденин, в гуаниновый – гуанин, в тиминовый – тимин, в цитидиловый – цитозин. Нуклеотиды двух цепочек ДНК соединены комплементарно через азотистые основания водородными связями: А=Т, Г 
Ц, а внутри одной цепочки – через остатки фосфорной кислоты. ДНК существует в трех формах: ядерная ( в хромосомах), митохондриальная и пластидная. Количество ДНК в ядре строго постоянно. Молекулы ДНК во много раз больше макромолекул белка. Длина одной молекулы составляет десятки и сотни микрон. Уникальное свойство молекулы ДНК – репликация, т. е. способность к самоудвоению. Структура ДНК каждой особи постоянна, стабильна. Изменение молекулы ДНК (генная мутация) приводит к появлению новых признаков и свойств организма, так как вызывает синтез новых белков.
Биологический код(генетический)- единая система записи наследственной информации в молекулах нуклеиновых кислот в виде последовательности нуклеотидов. Генетический код триплетен. Триплет – последовательность трех нуклеотидов, кодирующая одну аминокислоту. Поскольку в состав белков входит 20 аминокислот, то очевидно, что каждая из них не может кодироваться одним нуклеотидом. Избыточность ( вырожденность) кода является следствием его триплетности и означает то, что одна аминокислота может кодироваться несколькими триплетами. Кроме того, некоторые триплеты выполняют специфические функции. Так, в молекуле иРНК три из них УАА, УАГ, УГА – являются терминирующими кодонами, то есть стоп-сигналами, прекращающими синтез полипептидной цепи. Одновременно с избыточностью коду присуще свойство однозначности, которое означает, что каждому кодону соответствует только одна определенная аминокислота. Код коллинеарен, то есть последовательность нуклеотидов в гене точно соответствует последовательности аминокислот в белке. Генетический код неперекрываем и компактен, то есть не содержит знаков препинания. Это значит что процесс считывания не допускает возможности перекрывания кодонов и начавшись на определенном кодоне, ситывание идет непрерывно триплет за триплетом вплоть до стоп-сигналов – терминирующих кодонов. Генетический код универсален, то есть ядерные гены всех организмов одинаковым образом кодируют информацию о белках вне зависимости от уровня организации и систематического положеня этих организмов.
Б)Химический состав и биологическая роль РНК. Виды РНК
РНК – сложное органическое соединение относящееся к группе нуклеиновых кислот. Известна в четырех формах: информационная, рибосомальная, транспортная и генетическая ( у некоторых вирусов). Количество РНК в клетке непостоянно, так как она синтезируется по мере необходимости на молекуле ДНК. В клетке РНК находится в ядре, цитоплазме, митохондриях и пластидах. Все формы РНК принимают участие в биосинтезе белка, поэтому играют роль посредников генами и белковыми молекулами, синтезируемыми в соответствии с генетической программой. По строению РНК представляет собой одинарную полинуклеотидную цепочку, которая может образовывать спираль или спаренные спиральные участки. РНК – полимер, мономерами которого являются нуклеотиды. В состав РНК входят нуклеотиды четырех типов, различающиеся по азотистому основанию: аденин входит в состав аденилового основания, гуанин – гуанилового, урацил – уридилового, цитозин – цитидилового. Кроме того, в каждом нуклеотиде имеются углевод рибоза и остаток фосфорной кислоты.
Каждый вид РНК выполняет свою функцию, поэтому их молекулы различаются по строению, размеру, молекулярной массе. Но в любом случае молекула РНК меньше ДНК. Транспортные РНК образуются в ядре на ДНК, затем переходят в цитоплазму. Их функция – транспортировка аминокислот к рибосомам, где идет сборка белковой молекулы. Информационная РНК синтезируется также в ядре на молекуле ДНК по принципу комплементарности (транскрипция), после чего она переходит в цитоплазму. Здесь иРНК образует комплекс с рибосомами, и осуществляется сборка молекул белка (трансляция). Рибосомальная РНК так же синтезируется на ДНК и, войдя в состав субъединиц рибосом, входит в цитоплазму. Ее молекулы самые крупные. Все виды РНК, за исключением генетической РНК вирусов, не способны к самоудвоению и самосборке.
В) Ауторепродукция ДНК
Ауторепродукция – то же самое что и репликация – удвоение молекулы ДНК путем достройки на каждой из продольных половинок точных копий по принципу комплементарности. Этот процесс происходит в синтетический период интерфазы.При репликации молекула ДНК постепенно разделяется специальным ферментом на две половины в продольном направлении. По мере того как открываются нуклеотиды разделяемой молекулы, к ним тут же присоединяются свободные нуклеотиды, ранее синтезируемые в цитоплазме. Согласно принципу комплементарности эти новые нклеотиды присоединяются к сторого определенным местам. Таким образом, каждая половина спирали снова становится целой и вместо одной молекулы ДНК получаются две. В каждой из образовавшихся молекул одна половина – бывшая матрица, вторая – вновь образованная, комплементарная первой. Одна из молекул ДНК остается в материнской хроматиде, вторая образует дочернюю, в результате чего хромосома становится двухроматидной.
Г) Транскрипция
К рибосомам – местам сборки белков – высылается из ядра несущий информацию посредник, способный пройти через поры ядерной оболочки. Таким посредником является иРНК. По принципу комплементарности она синтезируется на ДНК при участии фермента, называемого РНК-полимеразой. Процесс синтеза РНК, осуществляемый РНК-полимеразой по матрице ДНК, называют транскрипцией. иРНК является копией не всей молекулы ДНК, а только части ее – одного гена у эукариот или группы рядом расположенных генов, несущих информацию о структуре белков, необходимых для выполнения одной функции, к прокариот. Такую группу генов называют опероном. В начале каждого оперона находится своего рода посадочная площадка для РНК-полимеразы, называемая промотором. Это специфическая последовательность нуклеотидов ДНК, которую фермент узнает благодаря химическому сродству. Только присоединившись к промотору РНК-полимераза способна начать синтез РНК. Дойдя до конца оперона, фермент встречает сигнал,означающий конец считывания. Готовая иРНК отходит от ДНК и наравляется к месту синтеза белков. В процессе транскрипции можно выделить четыре этапа. 1) Связывание РНК-полимеразы с промотором. 2) Инициация – начало синтеза. Она заключается в образовании первой фосфоэфирной связи между АТФ или ГТФ и вторым нуклеотидом синтезирующейся молекулы РНК. 3) Элонгация – рост цепи РНК то есть последовательное присоединение нуклеотидов друг к другу в том порядке,в котором стоят комплементарные им нуклеотиды в транскрибируемой нити ДНК. 4) Терминация – завершение синтеза РНК
Д) Явление процессинга и сплайсинга. Их биологическая роль в организации информации
Процессинг – процесс формирования зрелых молекул РНК из их предшественников. Это совокупность реакций, ведущих к превращению первичных продктов транскрипции в функционирующие молекулы. Процессинг т- и рРНК в основном сводится к удалению лишних фрагментов с концов молекул. Что касается иРНК, то у эукариот ее процессинг осуществляется многоступенчато. Основными его событиями являются следующие:
- модификация концов молекулы иРНК,в ходе которой к концам молекулы присоединяются специфические короткие последовательности нуклеотидов, обозначающие место начала и место конца трансляции
- сплайсинг – удаление неинформативных последовательностей РНК, соответствующих интронам ДНК.
У всех организмов процессинг РНК происходит в ядре. Для каждого типа молекул он осуществляется специальным ферментом
Сплайсинг – удаление последовательностей нуклеотидов РНК, соответствующих интронам ДНК, и соединение участков с транскрибируемыми последовательностями экзонов. В результате сплайсинга молекулярная масса иРНК уменьшается примерно в 10 раз.
Вопрос №12