Что относится к молекулярно генетическому уровню
Молекулярно-генетический уровень жизни
Вы будете перенаправлены на Автор24
Характеристика молекулярно-генетического уровня жизни
Для того, чтобы иметь четкое понимание явлений жизни необходимо знание закономерностей молекулярно-генетического уровня организации живого. Молекулярный уровень организации жизни находится на границе между живой и неживой материей, является первоосновой жизни на Земле.
Неважно, какую сторону биологической организации рассматривать, ведь в любом случае все приводит к макромолекулам органических соединений и реакциям между ними. Понимания сущности живого можно достигнуть лишь выяснив молекулярные механизмы процессов жизнедеятельности клетки.
Но при этом одно только знание свойств макромолекул и их структуры не позволяют до конца понять свойства жизни, так как жизнь возникает только в тот момент, когда все эти многочисленные молекулы находятся в клетке и взаимодействуют между собой, являясь единой системы. Процессов жизни вне клетки не существует, выделенные из макромолекулы клетки имеют физические и химические свойства, но при этом живыми не являются. Ввиду того, что биологические свойства они проявляют исключительно в живых клетках, их называют биологическими молекулами.
Гены на этом уровне организации жизни являются элементарными единицами. В ХХ веке теория наследственности получила широкое развитие. Также быстро развивались такие направления, как анализ процесса мутаций, исследование строения хромосом, вирусов и фагов, а также молекулярная биология и биохимия. это дало возможность для выявления основных черт организации элементарных генетических структур, а также явлений, связанных с ними.
Основными несущими в себе коды наследственной информации, на молекулярно-генетическом уровне являются молекулы ДНК. Они дифференцируются по длине на триплеты азотистых оснований, которые образуют гены.
Молекулярно-генетический уровень живой материи представлен многочисленными молекулами: ДНК, РНК, АТФ, белками, углеводами, липидами и т. д. Все эти сложные соединения имеют способность создавать крупные молекулярные комплексы, которые вместе выполняют определенные функции специфического характера.
Готовые работы на аналогичную тему
Крупными молекулами органических веществ являются полимеры, которые синтезируются из соединенных в определенном порядке мономеров. Полимеры являются фактически особыми системами, которые состоят из связанных между собой элементов.
Мономеры различны, но соединяясь друг с другом в одной макромолекуле, они становятся единым целым и выполняют определенные функции.
Для всех макромолекул характерен общий план строения в клетках организмов вне зависимости от того, к какому виду этот организм принадлежит. Это связано с тем, что одним из важнейших элементов во всех макромолекулах является углерод, благодаря уникальным свойствам которого происходит образование сложных молекул.
Атом углерода имеет четыре валентные связи и способен объединять в определенном порядке большое количество атомов в длинные цепи и замкнутые кольцевые структуры, которые играют роль скелета сложных органических молекул.
Специфика биологических функций определяет уникальность макромолекул:
Такое своеобразие функций биомолекул обусловлено с их физико-химическими и биохимическими свойствами.
Таким образом, особенностью молекулярно-генетического уровня жизни является единство биологический функций макромолекул и их физико-химических свойств.
Специфика молекулярно-генетического уровня жизни выражается в его структуре, процессах, организации и значении в природе.
Структурные элементы молекулярно-генетического уровня жизни
Структурные элементы молекулярно-генетического уровня – это молекулы органических соединений и молекулярные комплексы, которые находятся в тесном взаимодействии между собой. К ним относятся:
Основными процессами молекулярно-генетического уровня жизни являются следующие:
Для молекулярно-генетического уровня жизни характерна сбалансированность и упорядоченность всех реакций метаболизма, саморегуляция, а также сложность молекулярного состава, многочисленность ферментов. Все вышеперечисленное управляется генетической информацией, гены определяют программу, а процессы осуществляются ферментами, которые выступают в роли основных регуляторов при реализации генетической информации. Они обеспечивают скорость протекания процессов, их последовательность и экономичность.
Все химические вещества, которые синтезируются в клетке, формируются в результате нескольких последовательных реакций.
Значение молекулярно-генетического уровня жизни
На данном уровне происходит важнейший жизненный процесс превращения солнечной энергии в химическую.
Также на этом уровне жизни осуществляется процесс включения химических элементов Земли в различные соединения, которые принимают участие в обменных процессах живых организмов.
Основная роль молекулярно-генетического уровня жизни заключается в следующем:
Уровни организации жизни
Все живые организмы в природе состоят из одинаковых уровней организации, это общая для всех живых организмов характерная биологическая закономерность.
Выделяют следующие уровни организации живых организмов — молекулярный, клеточный, тканевый, органный, организменный, популяционно-видовой, биогеоценотический, биосферный.
Рис. 1. Молекулярно-генетический уровень
1. Молекулярно-генетический уровень. Это наиболее элементарный характерный для жизни уровень (рис. 1). Как бы сложно или просто ни было строение любого живого организма, они все состоят из одинаковых молекулярных соединений. Примером этого являются нуклеиновые кислоты, белки, углеводы и другие сложные молекулярные комплексы органических и неорганических веществ. Их называют иногда биологическими макро- молекулярными веществами. На молекулярном уровне происходят различные процессы жизнедеятельности живых организмов: обмен веществ, превращение энергии. С помощью молекулярного уровня осуществляется передача наследственной информации, образуются отдельные органоиды и происходят другие процессы.
2. Клеточныйуровенъ. Клетка является структурной и функциональной единицей всех живых организмов на Земле (рис. 2). Отдельные органоиды в составе клетки имеют характерное строение и выполняют определенную функцию. Функции отдельных органоидов в клетке взаимосвязаны и выполняют единые процессы жизнедеятельности. У одноклеточных организмов (одноклеточные водоросли и простейшие) все жизненные процессы проходят в одной клетке, и одна клетка существует как отдельный организм. Вспомните одноклеточные водоросли, хламидомонады, хлореллу и простейших животных — амебу, инфузорию и др. У многоклеточных организмов одна клетка не может существовать как отдельный организм, но она является элементарной структурной единицей организма.
3. Тканевый уровень. Совокупность сходных по происхождению, строению и функциям клеток и межклеточных веществ образует ткань. Тканевый уровень характерен только для многоклеточных организмов. Также отдельные ткани не являются самостоятельным целостным организмом (рис. 3). Например, тела животных и человека состоят из четырех различных тканей (эпителиальная, соединительная, мышечная, нервная). Растительные ткани называются: образовательная, покровная, опорная, проводящая и выделительная. Вспомните строение и функции отдельных тканей.
4. Органный уровень. У многоклеточных организмов объединение нескольких одинаковых тканей, сходных по строению, происхождению и функциям, образует органный уровень (рис. 4). В составе каждого органа встречается несколько тканей, но среди них одна наиболее значительная. Отдельный орган не может существовать как целостный организм. Несколько органов, сходных по строению и функциям, объединяясь, составляют систему органов, например пищеварения, дыхания, кровообращения и т. д.
5. Организменный уровень. Растения (хламидомонада, хлорелла) и животные (амеба, инфузория и т. д.), тела которых состоят из одной клетки, представляют собой самостоятельный организм (рис. 5). А отдельная особь многоклеточных организмов считается как отдельный организм. В каждом отдельном организме происходят все жизненные процессы, характерные для всех живых организмов, — питание, дыхание, обмен веществ, раздражимость, размножение и т. д. Каждый самостоятельный организм оставляет после себя потомство. У многоклеточных организмов клетки, ткани, органы и системы органов не являются отдельным организмом. Только целостная система органов, специализированно выполняющих различные функции, образует отдельный самостоятельный организм. Развитие организма, начиная с оплодотворения и до конца жизни, занимает определенный промежуток времени. Такое индивидуальное развитие каждого организма называется онтогенезом. Организм может существовать в тесной взаимосвязи с окружающей средой.
6. Популяционно-видовой уровень. Совокупность особей одного вида или группы, которая длительно существует в определенной части ареала относительно обособленно от других совокупностей того же вида, составляет популяцию. На популяционном уровне осуществляются простейшие эволюционные преобразования, что способствует постепенному появлению нового вида (рис. 6).
7. Биогеоценотический уровень. Совокупность организмов разных видов и различной сложности организации, приспособленных к одинаковым условиям природной среды, называется биогеоценозом, или природным сообществом. В состав биогеоценоза входят многочисленные виды живых организмов и условия природной среды. В природных биогеоценозах накапливается энергия и передается от одного организма к другому. Биогеоценоз включает неорганические, органические соединения и живые организмы (рис. 7).
8. Биосферный уровень. Совокупность всех живых организмов на нашей планете и общей природной среды их обитания составляет биосферный уровень (рис. 8). На биосферном уровне современная биология решает глобальные проблемы, например определение интенсивности образования свободного кислорода растительным покровом Земли или изменения концентрации углекислого газа в атмосфере, связанные с деятельностью человека. Главную роль в биосферном уровне выполняют «живые вещества», т. е. совокупность живых организмов, населяющих Землю. Также в биосферном уровне имеют значение «биокосные вещества», образовавшиеся в результате жизнедеятельности живых организмов и «косных» веществ (т. е. условий окружающей среды). На биосферном уровне происходит круговорот веществ и энергии на Земле с участием всех живых организмов биосферы.
Уровни организации жизни. Популяция. Биогеоценоз. Биосфера.
Заполните таблицу, показывающую структурные особенности каждого уровня организации:
Молекулярно-генетический уровень. В ХХ веке установили пять уровней организации жизни: молекулярно–генетический, онтогенетический, популярно–видовой
В ХХ веке установили пять уровней организации жизни: молекулярно–генетический, онтогенетический, популярно–видовой, экосистемный и биосферный.Выяснения феномена жизни на каждом уровне является один из основных задач биологии.
Молекулярно–генетический уровень – это уровень организации живых систем, состоящий из белков и нуклеиновых кислот. На этом уровне элементарной единицей организма являются гены. Здесь биология изучает механизмы передачи генной информации, наследственности и изменчивости.
В живых организмах наиболее распространены шесть химических элементов-органогенов: углерод, азот, водород, кислород, фосфор и сера. С участием этих элементов, в ходе химической эволюции возникли гигантские биополимеры: углеводы, белки, липиды и нуклеиновые кислоты. Эти макромолекулы являются основой живых организмов. Мономерами этих макромолекул являются: моносахариды, аминокислоты, жирная кислота и нуклеотиды.
Белки и нуклеиновые кислоты являются «информационными» макромолекулами, т.к. их свойства зависят от последовательности соединения 20 аминокислот и 4 нуклеотидов. Углеводы и липиды играют роль резерва энергии и строительного материала. На долю белков приходится свыше 50% общей сухой массы клеток.
Генетическаяинформация организма хранится в ДНК. Она контролирует почти все биологические процессы, протекающие в организме. Белки и нуклеиновые кислоты обладают свойством молекулярной асимметрии (молекулярной хиральностью). Хиральность (греч. cheir – рука) проявляется в том, что белки вращают плоскость поляризации света влево, а нуклеиновые кислоты – вправо. Хиральность заключается в их асимметрии со своим зеркальным отражением, как у правой и левой руки, отсюда берется название.
Молекулы ДНК вместе с белками образуют вещество хромосом. Доказательство генетической роли ДНК было получено, в 1944 г., ученым О. Эйвери, в опыте на бактериях. В 1953 г., американский биохимик Джеймс Уотсон и английский биофизик Френсис Крик раскрыли структурумолекулы ДНК. Они показали, что ДНК состоит из двух нитей, закрученных в двойную спираль. ДНК содержит 10 ÷ 25 тысяч нуклеотидов, а РНК – от 4 до 6 тысяч.
В 1941 г., американские ученые Дж. Бидл и Э. Теймут установили, что синтез белков зависит от состояния генов ДНК. Ген – участок молекулыДНК, состоящий из сотни нуклеотидов. Тогда появились высказывания: один ген – один белок. Всю совокупность генов организма называют геномом. Число генов в организме человека составляет около 50 ÷ 100 тысяч, а весь геном человека содержит более 3 миллиардов нуклеотидных пар. Гены кодируют синтез белков.
В 1954г физик-теоретик Георгий Гамов расшифровал генетический код. Он установил, что для кодирования одной аминокислоты используется сочетание из трех нуклеотидов ДНК. Оно является элементарной единицей наследственности, кодирующей одну аминокислоту, и получило название кодон(триплет). В 1961 г. гипотеза Гамова была на опыте, подтверждена Криком.
Клеточный органоид рибосома «читает» информацию, содержащуюся в и-РНК, и в соответствии с ним синтезирует белок. Кодоны – триплеты состоят из трех нуклеотидов, например, АЦГ, АГЦ, ГГГ и другие. Полное число таких триплетов составляет 64. Из них три триплета являются стоп-сигналами, а 61 триплет кодирует 20 аминокислот. Белок, состоящий из 200 аминокислот, кодируется 200 кодонами, т.е. 600 нуклеотидами в и-РНК, и 600 парами нуклеотидов в ДНК. Это и есть размер одного гена. Информация в ДНК пишется, при помощи нуклеотидов,в виде: А-Ц-А-Т-Т-Г-А-Г-А-Т-∙∙∙∙∙∙. В таком тексте содержится информация, определяющая специфику каждого организма.
Генетический код универсален,т.к. одинаков для всех живых организмов. Это свидетельствует о биохимическом единстве жизни, т.е. происхождении жизни на Земле от единого предка. Генетический код уникален, т.к. он кодирует только одну аминокислоту.
В шестидесятые годы ХХ века, расшифрован механизм воспроизводства ДНК и белка в клетках. Он состоит из репликации, транскрипции и трансляции. Репликация – это удвоение молекул ДНК. Транскрипция – это перезапись информации от ДНК на и-РНК. Эта информация соответствует одному гену или группе генов, несущих информацию о структуре белка. Трансляция – это синтез белка на основе и-РНК в рибосомах.
Вопросы для самоконтроля
1. Что изучает биология на молекулярно-генетическом уровне?
2. Какие шесть химических элементов являются органогены?
3. Какие гигантские биополимеры являются основой живых организмов?
4. Какие биополимеры являются «информационными» макромолекулами?
5. Какие макромолекулы обладают свойством хиральностью?
6. Из каких молекул образуется вещество хромосом?
7. Кем и в каком году, получено доказательство генетической роли ДНК?
8. Кто и в каком году, раскрыли структуру молекулы ДНК?
9. Сколько нуклеотидов содержит молекула ДНК?
10. Сколько нуклеотидов содержит молекула РНК?
11. Что такое ген и из скольких нуклеотидов он состоит?
12. Сколько тысяч генов содержит организм человека?
13. Кто и когда расшифровал генетический код?
14. Из сколько нуклеотидов состоит код (кодон или триплет)?
15. Какой клеточный органоид синтезирует белок?
16. Каким образом, рибосома синтезирует белок?
17. Почему считается, что генетический код универсален?
18. Почему считается, что генетический код уникален?
ДНК и гены
ДНК ПРОКАРИОТ И ЭУКАРИОТ
Справа крупнейшая спираль ДНК человека, выстроенная из людей на пляже в Варне (Болгария), вошедшая в книгу рекордов Гиннесса 23 апреля 2016 года
Дезоксирибонуклеиновая кислота. Общие сведения
Дезоксирибонуклеи́новая кислота (ДНК) — макромолекула (одна из трёх основных, две другие — РНК и белки), обеспечивающая хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов. ДНК содержит информацию о структуре различных видов РНК и белков.
В клетках эукариот (животных, растений и грибов) ДНК находится в ядре клетки в составе хромосом, а также в некоторых клеточных органоидах (митохондриях и пластидах). В клетках прокариотических организмов (бактерий и архей) кольцевая или линейная молекула ДНК, так называемый нуклеоид, прикреплена изнутри к клеточной мембране. У них и у низших эукариот (например, дрожжей) встречаются также небольшие автономные, преимущественно кольцевые молекулы ДНК, называемые плазмидами.
С химической точки зрения ДНК — это длинная полимерная молекула, состоящая из повторяющихся блоков — нуклеотидов. Каждый нуклеотид состоит из азотистого основания, сахара (дезоксирибозы) и фосфатной группы. Связи между нуклеотидами в цепи образуются за счёт дезоксирибозы (С) и фосфатной (Ф) группы (фосфодиэфирные связи).
Рис. 2. Нуклертид состоит из азотистого основания, сахара (дезоксирибозы) и фосфатной группы
В подавляющем большинстве случаев (кроме некоторых вирусов, содержащих одноцепочечную ДНК) макромолекула ДНК состоит из двух цепей, ориентированных азотистыми основаниями друг к другу. Эта двухцепочечная молекула закручена по винтовой линии.
В ДНК встречается четыре вида азотистых оснований (аденин, гуанин, тимин и цитозин). Азотистые основания одной из цепей соединены с азотистыми основаниями другой цепи водородными связями согласно принципу комплементарности: аденин соединяется только с тимином (А-Т), гуанин — только с цитозином (Г-Ц). Именно эти пары и составляют «перекладины» винтовой «лестницы» ДНК (см.: рис. 2, 3 и 4).
Рис. 2. Азотистые основания
Последовательность нуклеотидов позволяет «кодировать» информацию о различных типах РНК, наиболее важными из которых являются информационные, или матричные (мРНК), рибосомальные (рРНК) и транспортные (тРНК). Все эти типы РНК синтезируются на матрице ДНК за счёт копирования последовательности ДНК в последовательность РНК, синтезируемой в процессе транскрипции, и принимают участие в биосинтезе белков (процессе трансляции). Помимо кодирующих последовательностей, ДНК клеток содержит последовательности, выполняющие регуляторные и структурные функции.
Рис. 3. Репликация ДНК
Расположение базовых комбинаций химических соединений ДНК и количественные соотношения между этими комбинациями обеспечивают кодирование наследственной информации.
Образование новой ДНК (репликация)
По завершении дупликации образуются две самостоятельные спирали, созданные из химических соединений родительской ДНК и имеющие с ней одинаковый генетический код. Таким путем ДНК способна перерывать информацию от клетки к клетке.
Более подробная информация:
СТРОЕНИЕ НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ
Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) относится к нуклеиновым кислотам. Нуклеиновые кислоты – это класс нерегулярных биополимеров, мономерами которых являются нуклеотиды.
НУКЛЕОТИДЫ состоят из азотистого основания, соединенного с пятиуглеродным углеводом (пентозой) – дезоксирибозой (в случае ДНК) или рибозой (в случае РНК), который соединяется с остатком фосфорной кислоты (H2PO3–).
Азотистые основания бывают двух типов: пиримидиновые основания – урацил (только в РНК), цитозин и тимин, пуриновые основания – аденин и гуанин.
Рис. 5. Структура нуклеотидов (слева), расположение нуклеотида в ДНК (снизу) и типы азотистых оснований (справа): пиримидиновые и пуриновые
Атомы углерода в молекуле пентозы нумеруются числами от 1 до 5. Фосфат соединяется с третьим и пятым атомами углерода. Так нуклеинотиды соединяются в цепь нуклеиновой кислоты. Таким образом, мы можем выделить 3’ и 5’-концы цепи ДНК:
Рис. 6. Выделение 3’ и 5’-концов цепи ДНК
Две цепи ДНК образуют двойную спираль. Эти цепи в спирали сориентированы в противоположных направлениях. В разных цепях ДНК азотистые основания соединены между собой с помощью водородных связей. Аденин всегда соединяется с тимином, а цитозин – с гуанином. Это называется правилом комплементарности (см. принцип комплементарности ).
Правило комплементарности:
| A–T G–C |
Например, если нам дана цепь ДНК, имеющая последовательность
3’– ATGTCCTAGCTGCTCG – 5’,
то вторая ей цепь будет комплементарна и направлена в противоположном направлении – от 5’-конца к 3’-концу:
5’– TACAGGATCGACGAGC– 3’.
Рис. 7. Направленность цепей молекулы ДНК и соединение азотистых оснований с помощью водородных связей
РЕПЛИКАЦИЯ ДНК
Репликация ДНК – это процесс удвоения молекулы ДНК путем матричного синтеза. В большинстве случаев естественной репликации ДНК праймером для синтеза ДНК является короткий фрагмент РНК (создаваемый заново). Такой рибонуклеотидный праймер создается ферментом праймазой (ДНК-праймаза у прокариот, ДНК-полимераза у эукариот), и впоследствии заменяется дезоксирибонуклеотидами полимеразой, выполняющей в норме функции репарации (исправления химических повреждений и разрывов в молекле ДНК).
Репликация происходит по полуконсервативному механизму. Это значит, что двойная спираль ДНК расплетается и на каждой из ее цепей по принципу комплементарности достраивается новая цепь. Дочерняя молекула ДНК, таким образом, содержит в себе одну цепь от материнской молекулы и одну вновь синтезированную. Репликация происходит в направлении от 3’ к 5’ концу материнской цепи.
Рис. 8. Репликация (удвоение) молекулы ДНК
ДНК-синтез – это не такой сложный процесс, как может показаться на первый взгляд. Если подумать, то для начала нужно разобраться, что же такое синтез. Это процесс объединения чего-либо в одно целое. Образование новой молекулы ДНК проходит в несколько этапов:
Рис. 9. Схематическое изображение процесса репликации ДНК: (1) Отстающая цепь (запаздывающая нить), (2) Ведущая цепь (лидирующая нить), (3) ДНК-полимераза α ( Polα ), (4) ДНК-лигаза, (5) РНК-праймер, (6) Праймаза, (7) Фрагмент Оказаки, (8) ДНК-полимераза δ ( Polδ ), (9) Хеликаза, (10) Однонитевые ДНК-связывающие белки, (11) Топоизомераза.
Далее описан синтез отстающей цепи дочерней ДНК (см. Схему репликативной вилки и функции ферментов репликации)
Нагляднее о репликации ДНК см. видео →
5) Непосредственно сразу после расплетания и стабилизации другой нити материнской молекулы к ней присоединяется ДНК-полимераза α (альфа) и в направлении 5’→3′ синтезирует праймер (РНК-затравку) – последовательность РНК на матрице ДНК длиной от 10 до 200 нуклеотидов. После этого фермент удаляется с нити ДНК.
СТРОЕНИЕ РНК
Рибонуклеиновая кислота (РНК) — одна из трёх основных макромолекул (две другие — ДНК и белки), которые содержатся в клетках всех живых организмов.
Последовательность нуклеотидов позволяет РНК кодировать генетическую информацию. Все клеточные организмы используют РНК (мРНК) для программирования синтеза белков.
Затем матричные РНК (мРНК) принимают участие в процессе, называемом трансляцией, т.е. синтеза белка на матрице мРНК при участии рибосом. Другие РНК после транскрипции подвергаются химическим модификациям, и после образования вторичной и третичной структур выполняют функции, зависящие от типа РНК.
Рис. 10. Отличие ДНК от РНК по азотистому основанию: вместо тимина (Т) в РНК представлен урацил (U), который также комплементарен аденину.
ТРАНСКРИПЦИЯ
Транскрипция – это процесс синтеза РНК на матрице ДНК. ДНК раскручивается на одном из участков. На одной из цепей содержится информация, которую необходимо скопировать на молекулу РНК – эта цепь называется кодирующей. Вторая цепь ДНК, комплементарная кодирующей, называется матричной. В процессе транскрипции на матричной цепи в направлении 3’ – 5’ (по цепи ДНК) синтезируется комплементарная ей цепь РНК. Таким образом, создается РНК-копия кодирующей цепи.
Рис. 11. Схематическое изображение транскрипции
Например, если нам дана последовательность кодирующей цепи
3’– ATGTCCTAGCTGCTCG – 5’,
то, по правилу комплементарности, матричная цепь будет нести последовательность
5’– TACAGGATCGACGAGC– 3’,
а синтезируемая с нее РНК – последовательность
3’– AUGUCCUAGCUGCUCG – 5’.
ТРАНСЛЯЦИЯ
Рассмотрим механизм синтеза белка на матрице РНК, а также генетический код и его свойства. Также для наглядности по ниже приведенной ссылке рекомендуем посмотреть небольшое видео о процессах транскрипции и трансляции, происходящих в живой клетке:
Рис. 12. Процесс синтеза белка: ДНК кодирует РНК, РНК кодирует белок
ГЕНЕТИЧЕСКИЙ КОД
Генетический код, общий для большинства про- и эукариот. В таблице приведены все 64 кодона и указаны соответствующие аминокислоты. Порядок оснований — от 5′ к 3′ концу мРНК.
Таблица 1. Стандартный генетический код
Среди триплетов есть 4 специальных последовательности, выполняющих функции «знаков препинания»:
Свойства генетического кода
1. Триплетность. Каждая аминокислота кодируется последовательностью из трех нуклеотидов – триплетом или кодоном.
2. Непрерывность. Между триплетами нет никаких дополнительных нуклеотидов, информация считывается непрерывно.
3. Неперекрываемость. Один нуклеотид не может входить одновременно в два триплета.
4. Однозначность. Один кодон может кодировать только одну аминокислоту.
5. Вырожденность. Одна аминокислота может кодироваться несколькими разными кодонами.
6. Универсальность. Генетический код одинаков для всех живых организмов.
Пример. Нам дана последовательность кодирующей цепи:
3’– CCGATTGCACGTCGATCGTATA– 5’.
Матричная цепь будет иметь последовательность:
5’– GGCTAACGTGCAGCTAGCATAT– 3’.
Теперь «синтезируем» с этой цепи информационную РНК:
3’– CCGAUUGCACGUCGAUCGUAUA– 5’.
Синтез белка идет в направлении 5’ → 3’, следовательно, нам нужно перевернуть последовательность, чтобы «прочитать» генетический код:
5’– AUAUGCUAGCUGCACGUUAGCC– 3’.
Теперь найдем старт-кодон AUG:
5’– AU AUG CUAGCUGCACGUUAGCC– 3’.
Разделим последовательность на триплеты:
Найдем стоп-кодон и согласно таблице генетического кода запишем последовательность аминокислот:
Центральная догма молекулярной биологии звучит следующим образом: информация с ДНК передается на РНК (транскрипция), с РНК – на белок (трансляция). ДНК также может удваиваться путем репликации, и также возможен процесс обратной транскрипции, когда по матрице РНК синтезируется ДНК, но такой процесс в основном характерен для вирусов.
Рис. 13. Центральная догма молекулярной биологии
ГЕНОМ: ГЕНЫ и ХРОМОСОМЫ
Термин «геном» был предложен Г. Винклером в 1920 г. для описания совокупности генов, заключенных в гаплоидном наборе хромосом организмов одного биологического вида. Первоначальный смысл этого термина указывал на то, что понятие генома в отличие от генотипа является генетической характеристикой вида в целом, а не отдельной особи. С развитием молекулярной генетики значение данного термина изменилось. Известно, что ДНК, которая является носителем генетической информации у большинства организмов и, следовательно, составляет основу генома, включает в себя не только гены в современном смысле этого слова. Большая часть ДНК эукариотических клеток представлена некодирующими («избыточными») последовательностями нуклеотидов, которые не заключают в себе информации о белках и нуклеиновых кислотах. Таким образом, основную часть генома любого организма составляет вся ДНК его гаплоидного набора хромосом.
Гены — это участки молекул ДНК, кодирующие полипептиды и молекулы РНК
За последнее столетие наше представление о генах существенно изменилось. Ранее геном называли участок хромосомы, кодирующий или определяющий один признак или фенотипическое (видимое) свойство, например цвет глаз.
В 1940 г. Джордж Бидл и Эдвард Тейтем предложили молекулярное определение гена. Ученые обрабатывали споры гриба Neurospora crassa рентгеновским излучением и другими агентами, вызывающими изменения в последовательности ДНК (мутации), и обнаружили мутантные штаммы гриба, утратившие некоторые специфические ферменты, что в некоторых случаях приводило к нарушению целого метаболического пути. Бидл и Тейтем пришли к выводу, что ген — это участок генетического материала, который определяет или кодирует один фермент. Так появилась гипотеза «один ген — один фермент». Позднее эта концепция была расширена до определения «один ген — один полипептид», поскольку многие гены кодируют белки, не являющиеся ферментами, а полипептид может оказаться субъединицей сложного белкового комплекса.
Современное биохимическое определение гена еще более конкретно. Генами называются все участки ДНК, кодирующие первичную последовательность конечных продуктов, к которым относятся полипептиды или РНК, обладающие структурной или каталитической функцией.
Наряду с генами ДНК содержит и другие последовательности, выполняющие исключительно регуляторную функцию. Регуляторные последовательности могут обозначать начало или конец генов, влиять на транскрипцию или указывать место инициации репликации или рекомбинации. Некоторые гены могут экспрессироваться разными путями, при этом один и тот же участок ДНК служит матрицей для образования разных продуктов.
Мы можем приблизительно рассчитать минимальный размер гена, кодирующего средний белок. Каждая аминокислота в полипептидной цепи кодируется последовательностью из трех нуклеотидов; последовательности этих триплетов (кодонов) соответствуют цепочке аминокислот в полипептиде, который кодируется данным геном. Полипептидная цепь из 350 аминокислотных остатков (цепь средней длины) соответствует последовательности из 1050 п.н. (пар нуклеотидов). Однако многие гены эукариот и некоторые гены прокариот прерываются сегментами ДНК, не несущими информации о белке, и поэтому оказываются значительно длиннее, чем показывает простой расчет.
Сколько генов в одной хромосоме?
ДНК прокариот устроена более просто: их клетки не имеют ядра, поэтому ДНК находится непосредственно в цитоплазме в форме нуклеоида.
Как известно, бактериальные клетки имеют хромосому в виде нити ДНК, уложенной в компактную структуру – нуклеоид. Хромосома прокариота Escherichia coli, чей геном полностью расшифрован, представляет собой кольцевую молекулу ДНК (на самом деле, это не правильный круг, а скорее петля без начала и конца), состоящую из 4 639 675 п.н. В этой последовательности содержится примерно 4300 генов белков и еще 157 генов стабильных молекул РНК. В геноме человека примерно 3,1 млрд пар нуклеотидов, соответствующих почти 29 000 генам, расположенным на 24 разных хромосомах.
Прокариоты (Бактерии).
Бактерия E. coli имеет одну двухцепочечную кольцевую молекулу ДНК. Она состоит из 4 639 675 п.н. и достигает в длину примерно 1,7 мм, что превышает длину самой клетки E. coli приблизительно в 850 раз. Помимо крупной кольцевой хромосомы в составе нуклеоида многие бактерии содержат одну или несколько маленьких кольцевых молекул ДНК, свободно располагающихся в цитозоле. Такие внехромосомные элементы называют плазмидами (рис. 16).
Большинство плазмид состоит всего из нескольких тысяч пар нуклеотидов, некоторые содержат более 10000 п. н. Они несут генетическую информацию и реплицируются с образованием дочерних плазмид, которые попадают в дочерние клетки в процессе деления родительской клетки. Плазмиды обнаружены не только в бактериях, но также в дрожжах и других грибах. Во многих случаях плазмиды не дают никаких преимуществ клеткам-хозяевам, и их единственная задача — независимое воспроизведение. Однако некоторые плазмиды несут полезные для хозяина гены. Например, содержащиеся в плазмидах гены могут придавать клеткам бактерий устойчивость к антибактериальным агентам. Плазмиды, несущие ген β-лактамазы, обеспечивают устойчивость к β-лактамным антибиотикам, таким как пенициллин и амоксициллин. Плазмиды могут переходить от клеток, устойчивых к антибиотикам, к другим клеткам того же или другого вида бактерий, в результате чего эти клетки также становятся резистентными. Интенсивное применение антибиотиков является мощным селективным фактором, способствующим распространению плазмид, кодирующих устойчивость к антибиотикам (а также транспозонов, которые кодируют аналогичные гены) среди болезнетворных бактерий, и приводит к появлению бактериальных штаммов с устойчивостью к нескольким антибиотикам. Врачи начинают понимать опасность широкого использования антибиотиков и назначают их только в случае острой необходимости. По аналогичным причинам ограничивается широкое использование антибиотиков для лечения сельскохозяйственных животных.
Эукариоты.
Таблица 2. ДНК, гены и хромосомы некоторых организмов