Гены, генетический код и его свойства
Содержание:
Генетический код – это информация в геноме, где закодированы строение и структура белковых молекул человеческого организма. Одна молекула ДНК является «носительницей знаний» о сотнях тысяч белков.
Структура белковой молекулы записана как на ленте кинопленке – на одном гене. Чтобы синтез белка прошел удачно, информация определенным образом считывается с молекулы ДНК. Благодаря этому синтезируются разные и похожие по структуре белковые макромолекулы.
Ген – это элементарная единица, предназначенная для хранения наследственной информации. Учеными-генетиками подсчитано количество наследственной информации, которая пока определяется 30 000 генов.
Все гены делятся на две большие категории:
Структура гена
Нить ДНК состоит из последовательно расположенных нуклеотидов, а цепочка белковой молекулы строится из аминокислот. Для синтеза белка нужно 20 аминокислот. Каждая аминокислота кодируется тремя нуклеотидами ДНК (триплет).
К сведению: Для каждого организма генетический код является универсальной формулой, которая отличается только последовательностью нуклеотидов. В 1965 году ученые-генетики частично расшифровали структуру генетического кода. Был открыт 61 триплет, чтобы закодировать аминокислоты и 3 стоп-триплета, означающие окончание гена.
Общие черты генетического кода:
Свойства генетического кода
Генетический код строится из триплетов (тройки) нуклеотидов, расположенных в нескольких комбинациях. Каждый триплет кодирует конкретную аминокислоту, которая будет встроена в полипептидную белковую цепочку. Часть кодонов расшифрована и есть таблицы, в которых указана последовательность триплетов ДНК, необходимых для построения отдельных белковых молекул.
На заметку: Исключительность каждой личности – факт, установленный научно. Исключение составляют только однояйцевые близнецов. Комбинации генов в геноме постоянно меняются, поэтому невозможно рождение второго Баха, Менделеева, Пушкина или любого другого человека, который уже существовал на Земле.
2.6 Генетическая информация в клетке
Видеоурок 1: Генетический код. Транскрипция
Видеоурок 2: Генетический код. Трансляция
Лекция: Генетическая информация в клетке
Генетическая информация
Единицей этой информации является ген – часть молекулы ДНК, в которой записана структура одного белка.
Каждый живой организм синтезирует собственные белки, которые управляют им, обеспечивают скорость химических реакций в клетках, защищают, переносят необходимые вещества. Жизнь недаром называется белковой формой существования материи.
Основными свойствами генетической информации являются:
ее уникальность для каждого организма (кроме размножающихся бесполыми способами);
возможность ее изменения путем мутаций и комбинирования геномов при половом размножении;
возможность ее реализации путем синтеза белков.
Генетический код
Генетическая информация распространяется от ДНК к РНК и далее к синтезу белков, в настоящее время наука не знает примеров обратной передачи, кроме некоторых вирусов и раковых клеток.
На одной молекуле ДНК записана информация о сотнях тысяч белков. На сегодня наука оценивает количество наследственной информации человека в 30 тыс. генов. Каждый ген кодирует один белок. Информация на нити ДНК записана самой последовательностью нуклеотидов.
В синтезе белков используются 20 аминокислот, каждая из которых кодируется последовательностью из трех азотистых оснований нити ДНК, называемой триплетом. К 1965 году ученые расшифровали генетический код. Оказалось, что существует 61 триплет для кодировки аминокислот и 3 стоп-триплета, которые означают конец гена. Многим аминокислотам соответствует по нескольку триплетов.
Свойствами генетического кода являются:
Избыточность или вырожденность – одной аминокислоте соответствует несколько триплетов.
Универсальность. Геном работает абсолютно одинаково у всех живых организмов.
Транскрипция и трансляция белка
Синтез белков – это сложный многоэтапный процесс, основными его этапами являются:
транскрипция – считывание и копирование гена в структуру информационной РНК;
трансляция – использование и-РНК в качестве матрицы, по которой собирается молекула белка.
Транскрипция происходит в ядре – фермент РНК-полимераза присоединяется к специальному участку ДНК, который называется «промотор» и начинает двигаться по нему.
При этом двойная спираль расплетается перед полимеразой на расстояние примерно 18 нуклеотидов, а затем снова сплетается позади нее. Двигаясь вдоль цепочки ДНК, РНК-полимераза собирает по принципу комплементарности молекулу информационной или матричной РНК. Длина цепочки мРНК может достигать почти 2,5 млн нуклеотидов. Процесс транскрипции заканчивается, когда РНК-полимераза встречает участок цепи ДНК, названный «терминатором».
Когда молекула мРНК собрана, она подвергается «созреванию» – метилированию, удалению некодирующих белок участков молекулы (процесс назван сплайсингом). После этого зрелая мРНК выходит через поры ядра в цитоплазму и с помощью специальных белков транспортируется к рибосомам.
Рибосома – это нуклеопротеид, комплекс, содержащий рибосомную РНК в виде магниевой ее соли и белок.
Матричная РНК присоединяется к рибосоме. Рибосома распознает последовательности нуклетидов по трое – считывает кодон, тут же выбирая подходящую аминокислоту из молекул, доставленных транспортной РНК. Рибосома двигается вдоль матричной РНК, подбирая и соединяя нужные молекулы и создавая таким образом цепочки аминокислот, которые являются первичной структурой белка.
Нуклеиновые кислоты являются важнейшей частью жизни. Их синтез различается в зависимости от типа НК.
ДНК синтезируется на начальном этапе деления клетки, когда двойная ее спираль раскручивается. Специальные белки удерживают ее нити в полностью или частично разведенном состоянии. В местах образования репликационной вилки активизируется специальный тип РНК-полимеразы, создающей начальные участки молекулы, которые потом передаются ДНК-полимеразе – ферменту, комплементарно дополняющему участки цепи ДНК. Этот фермент достраивает недостающую половину двойной молекулы, создавая вторую цепочку ДНК. В этом же время другая молекула фермента строит зеркально недостающую цепочку на второй из разведенных цепочек ДНК.
Разные виды РНК создаются РНК-полимеразами различных типов:
матричная – в ядре, на участках молекулы ДНК;
рибосомная – в ядрышке (которое является молекулярным комплексом из белков и рибонуклеопротеидов, находящимся на некоторых участках ДНК);
транспортная – в нуклеоплазме.
Все виды РНК синтезируются по матричному принципу на участках ДНК.
Биология. 10 класс
Конспект урока
Урок 7. «Генетическая информация её реализация в клетке. Ген. Геном. Реакции матричного синтеза.»
3. Перечень вопросов, рассматриваемых в теме;
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);
Учебник «Биология.10-11класс», созданный под редакцией академика Д.К.Беляева и профессора Г.М.Дымшица / авт.-сост. Г.М. Дымшиц и О.В.Саблина.- М.: Просвещение, 2018г., с 247-256
1. А. Ю. Ионцева. «Весь школьный курс в схемах и таблицах» – М.: Эксмо, 2014.: С. 304- 309
3. А. А. Кириленко, С. И. Колесников., «Биология тематические тесты. (подготовка к ЕГЭ)» Учебно- методическое пособие.- Ростов н/Д: Легион, 2009г. С 103-107.
4..Г. И. Лернер «БИОЛОГИЯ : Полный справочник для подготовки к ЕГЭ »: АСТ, Астрель; Москва; 2010г (раздел VII)
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.
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 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.
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.
Каждая клетка многоклеточного организма возникает из одной зародышевой клетки в результате многократных делений, поэтому все клетки организма имеют одинаковый набор генов. Случайно возникшая ошибка в гене зародышевой клетки будет воспроизведена в генах миллионов ее потомков. Вот почему все эритроциты больного серповидноклеточной анемией имеют одинаково «испорченный» гемоглобин. Дети, больные анемией, получают «испорченный» ген от родителей через их половые клетки. Информация, заключенная в ДНК клеток (генетическая информация), передается не только из клетки в клетку, но и от родителей к детям. Ген является единицей генетической, или наследственной, информации.
Трудно, глядя на типографскую матрицу, судить о том, хорошая или плохая книга будет по ней напечатана. Невозможно судить и о качестве генетической информации по тому, «хороший» или «плохой» ген получили потомки по наследству, до тех пор, пока на основе этой информации не будут построены белки и не разовьется целый организм.
Ход образования и-РНК. К рибосомам, местам синтеза белков, из ядра поступает несущий информацию посредник, способный пройти через поры ядерной оболочки. Таким посредником является информационная РНК (и-РНК). Это одноцепочечная молекула, комплементарная одной нити молекулы ДНК. Специальный фермент — полимераза, двигаясь по ДНК, подбирает по принципу комплементарности нуклеотиды и соединяет их в единую цепочку (рис. 21). Процесс образования и-РНК называется транскрипцией (от лат. «транскрипцио» — переписывание). Если в нити ДНК стоит тимин, то полимераза включает в цепь и-РНК аденин, если стоит гуанин — включает цитозин, если аденин — то урацил (в состав РНК не входит тимин).
По длине каждая из молекул и-РНК в сотни раз короче ДНК. Информационная РНК — копия не всей молекулы ДНК, а только части ее, одного гена или группы рядом лежащих генов, несущих информацию о структуре белков, необходимых для выполнения одной функции. У прокариот такая группа генов называется опероном. В начале каждой группы генов находится своего рода посадочная площадка для полимеразы, называемая промотором. Это специфическая последовательность нуклеотидов ДНК, которую фермент «узнает» благодаря химическому сродству. Только присоединившись к промотору, полимераза способна начать синтез и-РНК. В конце группы генов фермент встречает сигнал (в виде определенной последовательности нуклеотидов), означающий конец переписывания. Готовая и-РНК отходит от ДНК, покидает ядро и направляется к месту синтеза белков — рибосоме, расположенной в цитоплазме клетки.
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.
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:
Тип вариантов ответов: Текстовые, Графические, Комбинированные.
Правильный вариант/варианты (или правильные комбинации вариантов):
Подсказка: при необходимости обратитесь к дополнительным материалам
Установите соответствие между термином и его определением.
Тип вариантов ответов: (Текстовые, Графические, Комбинированные).
Процесс синтеза дочерней молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты на матрице родительской молекулы ДНК
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
Процесс образования органического вещества из углекислого газа и воды на свету при участии фотосинтетических пигментов
Процесс синтеза белка из аминокислот на матрице информационной (матричной) РНК (иРНК, мРНК), осуществляемый рибосомой
2.6. Биосинтез белка и нуклеиновых кислот. Гены, генетический код
В обмене веществ организма ведущая роль принадлежит белкам и нуклеиновым кислотам.
Белковые вещества составляют основу всех жизненно важных структур клетки, обладают необычайно высокой реакционной способностью, наделены каталитическими функциями.
Нуклеиновые кислоты входят в состав важнейшего органа клетки — ядра, а также цитоплазмы, рибосом, митохондрий и т. д. Нуклеиновые кислоты играют важную, первостепенную роль в наследственности, изменчивости организма, в синтезе белка.
План синтеза белка хранится в ядре клетки, а непосредственно синтез происходит вне ядра, поэтому необходима помощь для доставки закодированного плана из ядра к месту синтеза. Такую помощь оказывают молекулы РНК.
Процесс начинается в ядре клетки: раскручивается и открывается часть «лестницы» ДНК. Благодаря этому буквы РНК образуют связи с открытыми буквами ДНК одной из нитей ДНК. Фермент переносит буквы РНК, чтобы соединить их в нить. Так буквы ДНК «переписываются» в буквы РНК. Новообразованная цепочка РНК отделяется, и «лестница» ДНК снова закручивается.
После дальнейших изменений этот вид закодированной РНК готов.
РНК выходит из ядра и направляется к месту синтеза белка, где буквы РНК расшифровываются. Каждый набор из трех букв РНК образует «слово», обозначающее одну конкретную аминокислоту.
Другой вид РНК отыскивает эту аминокислоту, захватывает ее с помощью фермента и доставляет к месту синтеза белка. По мере прочтения и перевода сообщения РНК цепочка аминокислот растет. Эта цепочка закручивается и укладывается в уникальную форму, создавая один вид белка.
Примечателен даже процесс укладки белка: на то, чтобы с помощью компьютера просчитать все возможности укладки белка среднего размера, состоящего из 100 аминокислот, потребовалось бы 10 27 лет. А для образования в организме цепочки из 20 аминокислот требуется не более одной секунды — и этот процесс происходит непрерывно во всех клетках тела.
Гены, генетический код и его свойства.
На Земле живет около 7 млрд людей. Если не считать 25—30 млн пар однояйцовых близнецов, то генетически все люди разные: каждый уникален, обладает неповторимыми наследственными особенностями, свойствами характера, способностями, темпераментом.
Такие различия объясняются различиями в генотипах—наборах генов организма; у каждого он уникален. Генетические признаки конкретного организма воплощаются в белках — следовательно, и строение белка одного человека отличается, хотя и совсем немного, от белка другого человека.
Это не означает, что у людей не встречается совершенно одинаковых белков. Белки, выполняющие одни и те же функции, могут быть одинаковыми или совсем незначительно отличаться одной-двумя аминокислотами друг от друга. Но не существует на Земле людей (за исключением однояйцовых близнецов), у которых все белки были бы одинаковы.
Информация о первичной структуре белка закодирована в виде последовательности нуклеотидов в участке молекулы ДНК – гене – единице наследственной информации организма. Каждая молекула ДНК содержит множество генов. Совокупность всех генов организма составляет его генотип.
Кодирование наследственной информации происходит с помощью генетического кода, который универсален для всех организмов и отличается лишь чередованием нуклеотидов, образующих гены, и кодирующих белки конкретных организмов.
Генетический код состоит из троек (триплетов) нуклеотидов ДНК, комбинирующихся в разной последовательности (ААТ, ГЦА, АЦГ, ТГЦ и т.д.), каждый из которых кодирует определенную аминокислоту (которая будет встроена в полипептидную цепь).
Аминокислот 20, а возможностей для комбинаций четырех нуклеотидов в группы по три – 64 четырех нуклеотидов вполне достаточно, чтобы кодировать 20 аминокислот
поэтому одна аминокислота может кодироваться несколькими триплетами.
Часть триплетов вовсе не кодирует аминокислоты, а запускает или останавливает биосинтез белка.
Собственно кодом считается последовательность нуклеотидов в молекуле и-РНК, т.к. она снимает информацию с ДНК (процесс транскрипции) и переводит ее в последовательность аминокислот в молекулах синтезируемых белков (процесс трансляции).
В состав и-РНК входят нуклеотиды АЦГУ, триплеты которых называются кодонами: триплет на ДНК ЦГТ на и-РНК станет триплетом ГЦА, а триплет ДНК ААГ станет триплетом УУЦ.
Именно кодонами и-РНК отражается генетический код в записи.
Таким образом, генетический код — единая система записи наследственной информации в молекулах нуклеиновых кислот в виде последовательности нуклеотидов. Генетический код основан на использовании алфавита, состоящего всего из четырех букв-нуклеотидов, отличающихся азотистыми основаниями: А, Т, Г, Ц.
Основные свойства генетического кода:
1. Генетический код триплетен. Триплет (кодон) — последовательность трех нуклеотидов, кодирующая одну аминокислоту. Поскольку в состав белков входит 20 аминокислот, то очевидно, что каждая из них не может кодироваться одним нуклеотидом (поскольку в ДНК всего четыре типа нуклеотидов, то в этом случае 16 аминокислот остаются незакодированными). Двух нуклеотидов для кодирования аминокислот также не хватает, поскольку в этом случае могут быть закодированы только 16 аминокислот. Значит, наименьшее число нуклеотидов, кодирующих одну аминокислоту, оказывается равным трем. (В этом случае число возможных триплетов нуклеотидов составляет 4 3 = 64).
2. Избыточность (вырожденность) кода является следствием его триплетности и означает то, что одна аминокислота может кодироваться несколькими триплетами (поскольку аминокислот 20, а триплетов — 64), за исключением метионина и триптофана, которые кодируются только одним триплетом. Кроме того, некоторые триплеты выполняют специфические функции: в молекуле иРНК триплеты УАА, УАГ, УГА — являются терминирующими кодонами, т. е. стоп-сигналами, прекращающими синтез полипептидной цепи. Триплет, соответствующий метионину (АУГ), стоящий в начале цепи ДНК, не кодирует аминокислоту, а выполняет функцию инициирования (возбуждения) считывания.
3. Одновременно с избыточностью коду присуще свойство однозначности: каждому кодону соответствует только одна определенная аминокислота.
4. Код коллинеарен, т.е. последовательность нуклеотидов в гене точно соответствует последовательности аминокислот в белке.
5. Генетический код неперекрываем и компактен, т. е. не содержит «знаков препинания». Это значит, что процесс считывания не допускает возможности перекрывания колонов (триплетов), и, начавшись на определенном кодоне, считывание идет непрерывно триплет за триплетом вплоть до стоп-сигналов ( терминирующих кодонов ).
6. Генетический код универсален, т. е. ядерные гены всех организмов одинаковым образом кодируют информацию о белках вне зависимости от уровня организации и систематического положения этих организмов.
Существуют таблицы генетического кода для расшифровки кодонов и-РНК и построения цепочек белковых молекул.
Реакции матричного синтеза.
В живых системах встречается реакции, неизвестные в неживой природе — реакции матричного синтеза.
Термином «матрица» в технике обозначают форму, употребляемую для отливки монет, медалей, типографского шрифта: затвердевший металл в точности воспроизводит все детали формы, служившей для отливки. Матричный синтез напоминает отливку на матрице: новые молекулы синтезируются в точном соответствии с планом, заложенным в структуре уже существующих молекул.
Матричный принцип лежит в основе важнейших синтетических реакций клетки, таких, как синтез нуклеиновых кислот и белков. В этих реакциях обеспечивается точная, строго специфичная последовательность мономерных звеньев в синтезируемых полимерах.
Здесь происходит направленное стягивание мономеров в определенное место клетки — на молекулы, служащие матрицей, где реакция протекает. Если бы такие реакции происходили в результате случайного столкновения молекул, они протекали бы бесконечно медленно. Синтез сложных молекул на основе матричного принципа осуществляется быстро и точно.
Роль матрицы в матричных реакциях играют макромолекулы нуклеиновых кислот ДНК или РНК.
Мономерные молекулы, из которых синтезируется полимер, — нуклеотиды или аминокислоты — в соответствии с принципом комплементарности располагаются и фиксируются на матрице в строго определенном, заданном порядке.
Затем происходит «сшивание» мономерных звеньев в полимерную цепь, и готовый полимер сбрасывается с матрицы.
После этого матрица готова к сборке новой полимерной молекулы. Понятно, что как на данной форме может производиться отливка только какой-то одной монеты, одной буквы, так и на данной матричной молекуле может идти «сборка» только какого-то одного полимера.
Матричный тип реакций — специфическая особенность химизма живых систем. Они являются основой фундаментального свойства всего живого — его способности к воспроизведению себе подобного.
К реакциям матричного синтеза относят:
1. репликацию ДНК— 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.
Молекула ДНК состоит из двух комплементарных цепей. Эти цепи удерживаются слабыми водородными связями, способными разрываться под действием ферментов.
Молекула способна к самоудвоению (репликации), причем на каждой старой половине молекулы синтезируется новая ее половина.
Кроме того, на молекуле ДНК может синтезироваться молекула и-РНК, которая затем переносит полученную от ДНК информацию к месту синтеза белка.
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 — процесс устранения ошибок называется репарацией. Первой из реакций в процессе передачи информации является репликация молекулы ДНК и синтез новых цепей ДНК.
2. транскрипцию – синтез и-РНК на ДНК, процесс снятия информации с молекулы ДНК, синтезируемой на ней молекулой и-РНК.
И-РНК состоит из одной цепи и синтезируется на ДНК в соответствии с правилом комплементарности при участии фермента, который активирует начало и конец синтеза молекулы и-РНК.
Готовая молекула и-РНК выходит в цитоплазму на рибосомы, где происходит синтез полипептидных цепей.
3. трансляцию— синтез белка на и-РНК; процесс перевода информации, содержащейся в последовательности нуклеотидов и-РНК, в последовательность аминокислот в полипептиде.
4. синтез РНК или ДНК на РНК вирусов
Последовательность матричных реакций при биосинтезе белков можно представить в виде схемы:
