Нуклеинова киселина. Реакции на матричен синтез

Олимпиада по биология. училищен етап. 2016-2017 учебна година.

10-11 клас

1. Грешна корелация на клетка и тъкан е

А) корен косъм - покривна тъкан

Б) клетка на полисадния паренхим – основна тъкан

В) задена клетка - покривна тъкан

Г) клетка придружител - отделителна тъкан

2. За събитието, което ще се проведе след три дни, са необходими узрели круши. Но тези круши, които бяха купени за тази цел, още не бяха узрели. Процесът на зреене може да се ускори чрез поставянето им

А) на тъмно място

Б) в хладилника

Б) на перваза на прозореца

Г) в торба от плътна хартия заедно със зрели ябълки

3. Бриофитите успяха да оцелеят на сушата, защото

А) те са първите растения, развили устицата

Б) не изискват влажна среда за репродуктивния цикъл

В) растат ниско над почвата в относително влажни райони

Г) спорофитът стана независим от гаметофита

4 Бузи на бозайник са оформени като

А) устройство за събиране на големи количества храна

Б) резултат от структурни особености на черепа и по-специално на челюстите

Б) смукателно устройство

Г) дихателна помощ

5. Сърцето на крокодил в неговата структура

А) трикамерен с непълна преграда във вентрикула

Б) трикамерен

Б) четирикамерна

Г) четирикамерна с отвор в преградата между вентрикулите

6. Фибриногенът, който е протеин, участва в съсирването на кръвта

А) кръвна плазма

Б) цитоплазма на левкоцити

Б) част от тромбоцитите

Г) образувани по време на разрушаването на червените кръвни клетки

7. Абиотичните фактори включват такава екологична единица като

А) биоценоза

Б) екосистема

Б) население

8. По време на образуването възниква редукционно делене (мейоза).

А) бактериални спори

Б) зооспори на улотрикс

Б) спори на marchantia

Г) зооспори фитофтора

9. От изброените биополимери има разклонена структура

Г) полизахариди

10. Фенилкетонурия е генетично заболяване, причинено от рецесивна мутация. Вероятността да имате болно дете, ако и двамата родители са хетерозиготни по тази черта, е

11. Обяснено е сходството в структурата на органите на зрението при главоногите и гръбначните животни.

А) конвергенция

Б) паралелизъм

Б) адаптация

Г) съвпадение

12. Свободно плуваща ларва на асцидия има хорда и неврална тръба. При възрастни асцидии, водещи заседнал начин на живот, те изчезват. Това е пример

А) адаптации

Б) дегенерация

Б) ценогенеза

13. Водоносните елементи на бора са

А) пръстеновидни и спираловидни съдове

Б) само пръстеновидни съдове

Б) трахеиди

Г) спирални и порести съдове

14. Плодовитостта е характерна за

Б) ананас

Б) банан

15. В хлоропластите на растителните клетки се намират комплекси за събиране на светлина

А) върху външната мембрана

Б) върху вътрешната мембрана

Б) върху тилакоидната мембрана

Г) в стромата

Част 2.

Съвпадение (6 точки).

2.1. Установете съответствие между знака на сивия плъх и критерия на вида, за който е характерен.

2.2. Установете съответствие между характеристиките на регулирането на функциите и неговия метод.

Задайте правилната последователност (6 точки).

2.3. Установете правилната последователност от етапи на географско видообразуване.

1) появата на териториална изолация между популациите на един и същи вид

2) разширяване или разделяне на ареала на вида

3) появата на мутации в изолирани популации

4) запазване чрез естествен подбор на индивиди с черти, които са полезни в специфични условия на околната среда

5) загуба от индивиди от различни популации на способността за кръстосване

2.4. Установете последователността, в която протичат тези процеси по време на митотичното клетъчно делене.

1) хромозомите са разположени по екватора на клетката

2) хроматидите се отклоняват към полюсите на клетката

3) образуват се две дъщерни клетки

4) хромозомите са спирализирани, всяка се състои от две хроматиди

5) хромозомите са деспирализирани

2.5. Предлагат ви се тестови задачи под формата на съждения, с всяка от които трябва или да се съгласите, или да отхвърлите. В матрицата за отговор посочете варианта за отговор „да“ или „не“: (10 точки).

1. Цветовете на нощницата се събират в съцветие чадър.

2. Ресничестите червеи нямат анус.

3. Пероксизомата е задължителен органел на еукариотната клетка.

4. Пептидната връзка не е макроергична.

5. В чернодробните клетки добавянето на глюкагон предизвиква разграждането на гликогена.

6. Абиотичните фактори не влияят на конкурентните отношения на два родствени вида.

7. Функциите за обмен на газ в листа са възможни благодарение на лентицелите и хидатодите.

8. Разделът на стомаха на преживните животни, съответстващ на еднокамерния стомах на бозайниците, е белегът.

9. Дължината на хранителните вериги е ограничена от загубата на енергия.

10. Колкото по-малък е диаметърът на кръвоносните съдове в тялото, толкова по-голяма е линейната скорост на кръвния поток в тях.

Част 3

3.1. Намерете три грешки в дадения текст. Посочете номерата на предложенията, в които са направени, коригирайте ги (6 точки).

1. Реакциите на матричен синтез включват образуване на нишесте, синтез на иРНК, сглобяване на протеини в рибозоми. 2. Синтезът на матрицата прилича на леене на монети върху матрица: новите молекули се синтезират в точно съответствие с „плана“, заложен в структурата на съществуващите молекули. 3. Ролята на матрицата в клетката играят хлорофилните молекули, нуклеиновите киселини (ДНК и РНК). 4. Мономерите се фиксират върху матриците, след което се комбинират в полимерни вериги. 5. Готовите полимери излизат от матриците. 6. Старите матрици незабавно се разрушават, след което се образуват нови.

Човек има четири фенотипа според кръвните групи: I (0), II (A), III (B), IV (AB). Генът, който определя кръвната група, има три алела: IA, IB, i0; освен това алелът i0 е рецесивен по отношение на алелите IA и IB. Родителите имат II (хетерозиготна) и III (хомозиготна) кръвна група. Определете генотипа на кръвните групи на родителите. Посочете възможните генотипове и фенотипове (номер) на кръвната група на децата. Направете схема за решаване на задачата. Определете вероятността от наследство при деца от II кръвна група.

Отговори 10-11 клас

Част 1. Изберете един верен отговор. (15 точки)

2.2. максимум - 3 точки, една грешка - 2 точки, две грешки - 1б, три или повече грешки - 0 точки

2.4. максимум - 3 точки, една грешка - 2 точки, две грешки - 1б, три или повече грешки - 0 точки

Част 3

3.1. Намерете три грешки в дадения текст. Посочете номерата на изреченията, в които са направени, коригирайте ги (3b за правилно откриване на изречения с грешки и 3b за коригиране на грешки).

1. - реакциите на матричен синтез НЕ включват образуването на нишесте, за него не е необходима матрица;

3. - хлорофилните молекули не са способни да действат като матрица, те нямат свойството на комплементарност;

6. - матриците се използват многократно.

3.2. Решете задачата (3 точки).

Схемата за решаване на проблема включва:

1) родителите имат кръвни групи: група II - IAi0 (гамети IA, i0), група III - IB IB (гамети IB);

2) възможни фенотипове и генотипове на кръвните групи на децата: група IV (IAIB) и група III (IBi0);

3) вероятността за наследяване на II кръвна група е 0%.

Форма за отговор

Училищен етап на Всеруската олимпиада по биология

Код на участника _____________

Част 1. Изберете един верен отговор. (15 точки)

Част 2.

Част 3

3.1._______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

3.2. Решението на проблема

В метаболизма на тялото водеща роля принадлежи на протеините и нуклеиновите киселини.

Протеиновите вещества формират основата на всички жизненоважни клетъчни структури, имат необичайно висока реактивност и са надарени с каталитични функции.

Нуклеинова киселинаса част от най-важния орган на клетката - ядрото, както и цитоплазмата, рибозомите, митохондриите и др. Нуклеиновите киселини играят важна, първостепенна роля в наследствеността, изменчивостта на тялото и синтеза на протеини.

План за синтезпротеинът се съхранява в ядрото на клетката директен синтезвъзниква извън ядрото, така че е необходимо помогнеза да достави кодирания план от ядрото до мястото на синтез. Такива помогнепредставени от РНК молекули.

Процесът започва в клетъчното ядро:част от "стълбата" на ДНК се развива и отваря. Благодарение на това РНК буквите образуват връзки с отворените ДНК букви на една от ДНК веригите. Ензимът прехвърля буквите на РНК, за да ги свърже в нишка. Така че буквите на ДНК се "пренаписват" в буквите на РНК. Новообразуваната верига на РНК се разделя и "стълбата" на ДНК се усуква отново.

След допълнителни модификации този вид кодирана РНК е готова.

РНК излиза от ядротои отива до мястото на протеиновия синтез, където се дешифрират буквите на РНК. Всеки набор от три РНК букви образува "дума", която означава една определена аминокиселина.

Друг тип РНК търси тази аминокиселина, улавя я с помощта на ензим и я доставя до мястото на протеиновия синтез. Тъй като РНК съобщението се чете и превежда, веригата от аминокиселини нараства. Тази верига се усуква и сгъва в уникална форма, създавайки един вид протеин.
Дори процесът на сгъване на протеини е забележителен: ще са необходими 1027 години, за да се изчислят всички възможности за сгъване на среден по размер протеин, състоящ се от 100 аминокиселини с помощта на компютър. А за образуването на верига от 20 аминокиселини в тялото е необходима не повече от една секунда - и този процес протича непрекъснато във всички клетки на тялото.

Гени, генетичен код и неговите свойства.

На Земята живеят около 7 милиарда души. С изключение на 25-30 милиона двойки еднояйчни близнаци, тогава генетично всички хора са различни: всеки е уникален, има уникални наследствени характеристики, черти на характера, способности, темперамент.

Такива разлики са обяснени различия в генотипите- набори от гени на организъм; всеки един е уникален. Въплъщават се генетичните черти на определен организъм в протеини- следователно структурата на протеина на един човек се различава, макар и доста, от протеина на друг човек.

Това не означаваче хората нямат абсолютно еднакви протеини. Протеините, които изпълняват едни и същи функции, могат да бъдат еднакви или много малко да се различават една от друга с една или две аминокиселини. Но на Земята няма хора (с изключение на еднояйчните близнаци), при които всички протеини да са еднакви.

Информация за първичната структура на протеинакодиран като последователност от нуклеотиди в част от ДНК молекула - ген - единица наследствена информация на организъм. Всяка ДНК молекула съдържа много гени. Съвкупността от всички гени на един организъм съставлява него генотип .

Наследствената информация е кодирана с помощта на генетичен код , който е универсален за всички организми и се различава само по редуването на нуклеотиди, които образуват гени и кодират протеини на конкретни организми.

Генетичен код включва триплети (триплети) от нуклеотидиДНК, която се комбинира в различни последователности(AAT, HCA, ACH, THC и др.), всеки от които кодира определен аминокиселина(който ще бъде вграден в полипептидната верига).

Аминокиселини 20, а възможностиза комбинации от четири нуклеотида в групи от три - 64 четири нуклеотида са достатъчни за кодиране на 20 аминокиселини

Ето защо една аминокиселинамогат да бъдат кодирани няколко тройки.

Някои от триплетите изобщо не кодират аминокиселини, но стартираили спирапротеинова биосинтеза.

Всъщност кодброи последователност от нуклеотиди в i-RNA молекула, защото той премахва информация от ДНК (процесът транскрипции) и го превежда в последователност от аминокиселини в молекулите на синтезирани протеини (процес излъчвания).

Съставът на иРНК включва ACGU нуклеотиди, чиито триплети се наричат кодони: триплетът върху CHT ДНК върху иРНК ще стане триплет HCA, а триплетът AAG ДНК ще стане триплет UUC.

Точно i-RNA кодониотразява генетичния код в записа.

По този начин, генетичен код - единна система за запис на наследствена информация в молекули на нуклеинова киселина под формата на последователност от нуклеотиди. Генетичен код основанотносно използването на азбука, състояща се само от четири нуклеотидни букви, които се различават по азотни бази: A, T, G, C.

Основни свойства на генетичния код :

1. Генетичният код е триплет.Триплет (кодон) е последователност от три нуклеотида, която кодира една аминокиселина. Тъй като протеините съдържат 20 аминокиселини, очевидно е, че всяка от тях не може да бъде кодирана от един нуклеотид (тъй като в ДНК има само четири вида нуклеотиди, в този случай 16 аминокиселини остават некодирани). Два нуклеотида за кодиране на аминокиселини също не са достатъчни, тъй като в този случай могат да бъдат кодирани само 16 аминокиселини. Това означава, че най-малкият брой нуклеотиди, кодиращи една аминокиселина, е три. (В този случай броят на възможните нуклеотидни триплети е 4 3 = 64).

2. Излишък (дегенерация)Кодът е следствие от неговата триплетна природа и означава, че една аминокиселина може да бъде кодирана от няколко триплета (тъй като има 20 аминокиселини и има 64 триплета), с изключение на метионин и триптофан, които са кодирани само от един триплет. В допълнение, някои триплети изпълняват специфични функции: в молекулата на иРНК триплетите UAA, UAG, UGA са терминиращи кодони, т.е. стоп сигнали, които спират синтеза на полипептидната верига. Триплетът, съответстващ на метионин (AUG), стоящ в началото на ДНК веригата, не кодира аминокиселина, но изпълнява функцията на иницииране (вълнуващо) четене.

3. Заедно с излишъка, кодът има свойството уникалност: всеки кодон отговаря само на една специфична аминокиселина.

4. Кодът е колинеарен,тези. Последователността на нуклеотидите в гена съвпада точно с последователността на аминокиселините в протеина.

5. Генетичният код не се припокрива и е компактен, т.е. не съдържа "препинателни знаци". Това означава, че процесът на четене не позволява възможността за припокриване на колони (тройки) и, започвайки от определен кодон, четенето продължава непрекъснато тройно по тройно до спиране на сигналите ( терминиращи кодони).

6. Генетичният код е универсален, т.е. ядрените гени на всички организми кодират информация за протеините по един и същи начин, независимо от нивото на организация и системното положение на тези организми.

Съществуват таблици с генетичен код за дешифриране на i-RNA кодони и изграждане на вериги от протеинови молекули.

Реакции на матричен синтез.

В живите системи има реакции, непознати в неживата природа - реакции матричен синтез .

Терминът „матрица"в технологията те обозначават формата, използвана за отливане на монети, медали, типографски шрифт: закаленият метал точно възпроизвежда всички детайли на формата, използвана за отливане. Матричен синтезнаподобява отливка върху матрица: новите молекули се синтезират в строго съответствие с плана, заложен в структурата на вече съществуващите молекули.

Принципът на матрицата се крие в основатанай-важните синтетични реакции на клетката, като синтеза на нуклеинови киселини и протеини. При тези реакции се осигурява точна, строго специфична последователност от мономерни единици в синтезираните полимери.

Тук е посоката издърпване на мономери до определено мястоклетки - в молекули, които служат като матрица, където протича реакцията. Ако такива реакции възникнат в резултат на случаен сблъсък на молекули, те ще протичат безкрайно бавно. Синтезът на сложни молекули на базата на матричния принцип се извършва бързо и точно.

Ролята на матрицатамакромолекулите на нуклеиновите киселини ДНК или РНК играят в матрични реакции.

мономерни молекули, от които се синтезира полимерът - нуклеотиди или аминокиселини - в съответствие с принципа на комплементарността се подреждат и фиксират върху матрицата в строго определен, предварително определен ред.

Тогава идва "омрежване" на мономерни единици в полимерна верига, и готовият полимер се изпуска от матрицата.

След това готова матрицакъм сглобяването на нова полимерна молекула. Ясно е, че както само една монета, една буква може да бъде отлята върху даден калъп, така и само един полимер може да бъде "сглобен" върху дадена матрична молекула.

Матричен тип реакции- специфична особеност на химията на живите системи. Те са в основата на основното свойство на всичко живо - неговата способност за репликация.

Да се реакции на матричен синтез включват:

1. ДНК репликация - процес на самоудвояване на ДНК молекулата, осъществяван под контрола на ензими. Върху всяка от ДНК веригите, образувани след разкъсването на водородните връзки, с участието на ензима ДНК полимераза се синтезира дъщерна верига ДНК. Материалът за синтеза е свободните нуклеотиди, присъстващи в цитоплазмата на клетките.

Биологичният смисъл на репликацията се състои в точния трансфер на наследствена информация от родителската молекула към дъщерните, което обикновено се случва по време на деленето на соматичните клетки.

Молекулата на ДНК се състои от две допълващи се вериги. Тези вериги се държат заедно чрез слаби водородни връзки, които могат да бъдат разкъсани от ензими.

Молекулата е способна на самоудвояване (репликация) и върху всяка стара половина от молекулата се синтезира нова нейна половина.

В допълнение, молекула иРНК може да бъде синтезирана върху молекула ДНК, която след това прехвърля информацията, получена от ДНК, до мястото на синтез на протеини.

Трансферът на информация и протеиновият синтез следват матричен принцип, сравним с работата на печатарска преса в печатница. Информацията от ДНК се копира отново и отново. Ако възникнат грешки по време на копирането, те ще се повторят във всички следващи копия.

Вярно е, че някои грешки при копиране на информация от ДНК молекула могат да бъдат коригирани - процесът на елиминиране на грешки се нарича репарации. Първата от реакциите в процеса на пренос на информация е репликацията на ДНК молекулата и синтеза на нови ДНК вериги.

2. транскрипция - синтез на i-RNA върху ДНК, процесът на отстраняване на информация от ДНК молекула, синтезирана върху нея от i-RNA молекула.

I-RNA се състои от една верига и се синтезира върху ДНК в съответствие с правилото за комплементарност с участието на ензим, който активира началото и края на синтеза на i-RNA молекулата.

Готовата молекула на иРНК навлиза в цитоплазмата на рибозомите, където се извършва синтеза на полипептидни вериги.

3. излъчване - протеинов синтез върху i-RNA; процесът на транслиране на информацията, съдържаща се в нуклеотидната последователност на иРНК в последователността от аминокиселини в полипептид.

4 .синтез на РНК или ДНК от РНК вируси

Последователността на матричните реакции по време на биосинтеза на протеини може да бъде представена като схема:

нетранскрибирана верига на ДНК		A T G	G G C	Т А Т
транскрибирана ДНК верига		T A C	C C G	А Т А
ДНК транскрипция
иРНК кодони		A U G	G G C	U A U
иРНК транслация
тРНК антикодони		U A C	C C G	A U A
протеинови аминокиселини		метионин	глицин	тирозин

По този начин, протеинова биосинтеза- това е един от видовете пластичен обмен, при който наследствената информация, кодирана в гените на ДНК, се реализира в определена последователност от аминокиселини в протеиновите молекули.

Протеиновите молекули са по същество полипептидни веригиизградени от отделни аминокиселини. Но аминокиселините не са достатъчно активни, за да се свържат сами помежду си. Следователно, преди да се комбинират помежду си и да образуват протеинова молекула, аминокиселините трябва активирате. Това активиране става под действието на специални ензими.

В резултат на активирането аминокиселината става по-лабилна и под действието на същия ензим се свързва с тРНК. Всяка аминокиселина отговаря стриктно специфична тРНК, който намира„собствена“ аминокиселина и издържав рибозомата.

Следователно рибозомата получава различни активирани аминокиселини, свързани с техните тРНК. Рибозомата е като конвейерда сглоби протеинова верига от различни аминокиселини, влизащи в нея.

Едновременно с t-RNA, върху която "седи" собствената му аминокиселина, " сигнал"от ДНК, съдържаща се в ядрото. В съответствие с този сигнал в рибозомата се синтезира един или друг протеин.

Насочващото влияние на ДНК върху протеиновия синтез не се осъществява директно, а с помощта на специален посредник - матрицаили информационна РНК (mRNAили i-RNA),който синтезирани в ядротопод въздействието на ДНК, така че неговият състав отразява състава на ДНК. Молекулата на РНК е, така да се каже, отливка от формата на ДНК. Синтезираната иРНК навлиза в рибозомата и като че ли я прехвърля в тази структура план- в какъв ред трябва да се комбинират активираните аминокиселини, влизащи в рибозомата, за да се синтезира определен протеин. В противен случай, генетичната информация, кодирана в ДНК, се прехвърля в иРНК и след това в протеин.

Молекулата на иРНК навлиза в рибозомата и миганея. Определя се този негов сегмент, който в момента е в рибозомата кодон (триплет), взаимодейства по напълно специфичен начин с подходяща за него структура триплет (антикодон) в преносната РНК, която пренася аминокиселината в рибозомата.

Трансфер на РНК със собствена аминокиселина пасвакъм специфичен иРНК кодон и свързвас него; към следващия, съседен сайт на i-RNA прикрепя друга тРНК друга аминокиселинаи така нататък, докато се прочете цялата i-RNA верига, докато всички аминокиселини не бъдат нанизани в съответния ред, образувайки протеинова молекула.

И t-RNA, която доставя аминокиселината до специфично място на полипептидната верига, освободен от своята аминокиселинаи излиза от рибозомата.

После отново в цитоплазматажеланата аминокиселина може да се присъедини към него и отново издържамв рибозомата.

В процеса на синтез на протеини, не една, а няколко рибозоми, полирибозоми, участват едновременно.

Основните етапи на трансфера на генетична информация:

синтез върху ДНК като върху i-RNA шаблон (транскрипция)

синтез в рибозомите на полипептидната верига по програмата, съдържаща се в i-RNA (транслация).

Етапите са универсални за всички живи същества, но времевите и пространствени отношения на тези процеси се различават при про- и еукариотите.

При еукариоттранскрипцията и транслацията са строго разделени в пространството и времето: синтезът на различни РНК се извършва в ядрото, след което молекулите на РНК трябва да напуснат ядрото, преминавайки през ядрената мембрана. След това в цитоплазмата РНК се транспортира до мястото на протеиновия синтез - рибозомите. Едва след това идва следващият етап – преводът.

При прокариотите транскрипцията и транслацията се извършват едновременно.

По този начин,

мястото на синтеза на протеините и всички ензими в клетката са рибозомите - това е като "фабрики"протеин, така да се каже, монтажен цех, където се доставят всички материали, необходими за сглобяване на полипептидната верига на протеин от аминокиселини. Естеството на синтезирания протеинзависи от структурата на i-RNA, от реда на нуклеоидите в нея, а структурата на i-RNA отразява структурата на ДНК, така че в крайна сметка специфичната структура на протеина, т.е. различните аминокиселини в него, зависи от реда на нуклеоидите в ДНК от структурата на ДНК.

Посочената теория за биосинтезата на протеини беше наречена матрична теория.Матрица на тази теория наречена защоточе нуклеиновите киселини играят, така да се каже, ролята на матрици, в които се записва цялата информация относно последователността на аминокиселинните остатъци в протеиновата молекула.

Създаване на матричната теория за биосинтеза на протеини и декодиране на аминокиселинния коде най-голямото научно постижение на 20 век, най-важната стъпка към изясняване на молекулярния механизъм на наследствеността.

Тематични задачи

A1. Кое от твърденията е невярно?

1) генетичният код е универсален

2) генетичният код е изроден

3) генетичният код е индивидуален

4) генетичният код е триплетен

A2. Един ДНК триплет кодира:

1) последователността на аминокиселините в протеина

2) един признак на организма

3) една аминокиселина

4) няколко аминокиселини

A3. „Препинателни знаци” на генетичния код

1) стартирайте протеиновия синтез

2) спиране на протеиновия синтез

3) кодират определени протеини

4) кодират група аминокиселини

A4. Ако в жаба аминокиселината VALIN е кодирана от триплета GU, тогава при куче тази аминокиселина може да бъде кодирана от триплети:

1) GUA и GUG

2) UUC и UCA

3) CCU и CUA

4) UAG и UGA

A5. Синтезът на протеини е завършен в момента

1) разпознаване на кодон от антикодон

2) получаване на i-РНК върху рибозомите

3) появата на "препинателен знак" върху рибозомата

4) прикрепване на аминокиселина към тРНК

A6. Посочете двойка клетки, в които един човек съдържа различна генетична информация?

1) чернодробни и стомашни клетки

2) неврони и левкоцити

3) мускулни и костни клетки

4) езикова клетка и яйце

A7. Функцията на i-RNA в процеса на биосинтеза

1) съхранение на наследствена информация

2) транспорт на аминокиселини до рибозоми

3) прехвърляне на информация към рибозомите

4) ускоряване на процеса на биосинтеза

A8. Антикодонът на tRNA се състои от UCG нуклеотиди. Кой ДНК триплет е комплементарен към него?

През 1869 г. швейцарският биохимик Йохан Фридрих Мишер пръв открива, изолира от клетъчните ядра и описва ДНК. Но едва през 1944 г. О. Ейвъри, С. Маклауд и М. Маккарти доказаха генетичната роля на ДНК, т.е. беше надеждно установено, че предаването на наследствена информация е свързано с дезоксирибонуклеиновата киселина. Това откритие беше мощен фактор, стимулиращ изучаването на наследствеността на молекулярно ниво. Оттогава започва бързото развитие на молекулярната биология и генетика.

Нуклеинова киселина (от лат. ядро - ядро) са естествени високомолекулни органични съединения, които осигуряват съхранение и предаване на наследствена (генетична) информация в живите организми. Те включват: въглерод (C), водород (H), кислород (O), фосфор (P). Нуклеиновите киселини са неправилни биополимери, състоящи се от мономери - нуклеотиди. Всеки нуклеотид съдържа:

· азотна основа,

· прост въглерод - 5-въглеродна захарна пентоза (рибоза или дезоксирибоза),

· остатък от фосфорна киселина.

Има два вида нуклеинови киселини: дезоксирибонуклеинова киселина - ДНК, съдържаща дезоксирибоза, и рибонуклеинова киселина - РНК, съдържаща рибоза.

Разгледайте всеки тип нуклеинови киселини.

ДНК се намира почти изключително в клетъчното ядро, понякога в органели: митохондрии, пластиди. ДНК е полимерно съединение с постоянно (стабилно) съдържание в клетката.

Структурата на ДНК.По своята структура молекулата на ДНК се състои от две полимерни вериги, свързани помежду си и усукани под формата на двойна спирала (фиг. 1).

Модел на структурата на ДНК е създаден през 1953 г. от Д. Уотсън и Ф. Крик, за което и двамата са удостоени с Нобелова награда. Широчината на двойната спирала е само около 0,002 микрона (20 ангстрьома), но дължината й е изключително голяма - до няколко десетки и дори стотици микрометра (за сравнение: дължината на най-голямата протеинова молекула в разгънатата й форма е не надвишава 0,1 микрона).

Нуклеотидите са разположени на разстояние един от друг - 0,34 nm и има 10 нуклеотида на завъртане на спиралата. Молекулното тегло на ДНК е голямо: то е десетки и дори стотици милиони. Например молекулното тегло (М r) най-голямата хромозома на Drosophila е 7,9 10 10 .

Основната структурна единица на една верига е нуклеотид, състоящ се от азотна основа, дезоксирибоза и фосфатна група. ДНК съдържа 4 вида азотни бази:

· пурин - аденин (A) и гуанин (G),

· пиримидин - цитозин (С) и тимин (Т).

Общият брой пуринови бази е равен на сумата от пиримидиновите бази.

ДНК нуклеотидите също ще бъдат от 4 вида, съответно: аденил (A), гуанил (G), цитидил (C) и тимидил (T).Всички ДНК нуклеотиди са свързани в полинуклеотидна верига поради остатъци от фосфорна киселина, разположени между дезоксирибози. В една полинуклеотидна верига може да има до 300 000 или повече нуклеотиди.

По този начин всяка верига на ДНК е полинуклеотид, в който нуклеотидите са подредени в строго определен ред. Азотните бази се приближават толкова близо една до друга, че между тях се образуват водородни връзки. Важен модел се проявява ясно в тяхното подреждане: аденин (А) на една верига е свързан с тимин (Т) на другата верига чрез две водородни връзки, а гуанин (G) на една верига е свързан с три водородни връзки с цитозин (C) друга верига, което води до образуването на A-T и G-C двойки. Тази способност за селективно свързване на нуклеотиди се нарича комплементарност, т.е. пространствено и химическо съответствие между двойки нуклеотиди (виж фиг. 2).

Последователността на свързване на нуклеотидите на една верига е противоположна (комплементарна) на тази в другата, т.е. веригите, които изграждат една ДНК молекула, са многопосочни или антипаралелни. Веригите се усукват една около друга и образуват двойна спирала. Голям брой водородни връзки осигуряват силна връзка на ДНК нишките и придават стабилност на молекулата, като същевременно запазват нейната подвижност - под въздействието на ензими тя лесно се развива (деспирализира).

ДНК репликация (ДНК редупликация) - процес на самовъзпроизвеждане (самоудвояване) на макромолекулите на нуклеиновите киселини, което осигурява точното копиране на генетичната информация и нейното предаване от поколение на поколение.

Репликацията на ДНК възниква по време на интерфазата преди клетъчното делене. Родителската ДНК молекула (броят на ДНК веригите в клетката е 2n) се развива от единия край под действието на ензими, след което дъщерните полинуклеотидни вериги се допълват от свободни нуклеотиди съгласно принципа на комплементарност на двете вериги. В резултат на матрични реакции възникват две дъщерни ДНК молекули с еднакъв нуклеотиден състав, в които една от веригите е старата родителска, а другата е нова, новосинтезирана (количеството ДНК в клетката става 4n = 2 X 2n).

Функции на ДНК.

1. Съхраняване на наследствена информация за структурата на протеините или отделните му органели. Най-малката единица генетична информация след нуклеотид са три последователни нуклеотида - триплет. Последователността на триплетите в полинуклеотидната верига определя последователността на аминокиселините на една протеинова молекула (първичната структура на протеина) и представлява ген. Заедно с протеините, ДНК е част от хроматина, веществото, което изгражда хромозомите на клетъчното ядро.

2. Прехвърляне на наследствена информация в резултат на репликация по време на клетъчното делене от майчината клетка към дъщерната.

3. Внедряване на наследствена информация (съхранена под формата на гени) в резултат на матрични реакции на биосинтеза чрез производството на протеини, специфични за клетката и организма. В същото време, на една от неговите вериги, съгласно принципа на комплементарност, информационните РНК молекули се синтезират от нуклеотидите на околната среда, заобикаляща молекулата.

РНК е съединение с променливо (лабилно) съдържание в клетката.

Структурата на РНК.По отношение на тяхната структура РНК молекулите са по-малки от ДНК молекулите с молекулно тегло от 20-30 хиляди (тРНК) до 1 милион (рРНК), РНК е едноверижна молекула, изградена по същия начин като една от ДНК веригите . РНК мономери - нуклеотидите се състоят от азотна основа, рибоза (пентоза) и фосфатна група. РНК съдържа 4 азотни бази:

· пурин - аденин (А);

· пиримидин - гуанин (G), цитозин (C), урацил (U).

В РНК тиминът се заменя с урацил, който е близък по структура до него (нуклеотидът е уридил. Нуклеотидите са свързани в полинуклеотидна верига по същия начин, както в ДНК, поради остатъци от фосфорна киселина, разположени между рибозите.

Местоположение в клетката Сред РНК има: ядрена, цитоплазмена, митохондриална, пластидна.

По функция Сред РНК има: транспортни, информационни и рибозомни.

Трансферни РНК (тРНК) - едноверижен, но имащ триизмерна структура "детелина", създадена от вътрешномолекулни водородни връзки (фиг. 3). tRNA молекулите са най-къси. Състои се от 80-100 нуклеотида. Те представляват около 10% от общото съдържание на РНК в клетката. Те пренасят активирани аминокиселини (всяка тРНК има своя собствена аминокиселина, общо са известни 61 тРНК) към рибозомите по време на протеиновата биосинтеза в клетката.“

Информационна (матрична) РНК (иРНК, иРНК) - едноверижна молекула, която се образува в резултат на транскрипция върху ДНК молекула (копира гени) в ядрото и носи информация за първичната структура на една протеинова молекула до мястото на протеинов синтез в рибозомите. Молекулата на иРНК може да се състои от 300-3000 нуклеотида. Делът на иРНК възлиза на 0,5-1% от общото съдържание на РНК в клетката.

Рибозомна РНК (рРНК) - най-големите едноверижни молекули, които образуват сложни комплекси с протеини, които поддържат структурата на рибозомите, върху които се осъществява протеиновият синтез.

rRNA представлява около 90% от общото съдържание на РНК в клетката.

Цялата генетична информация на даден организъм (структурата на неговите протеини) се съдържа в неговата ДНК, която се състои от нуклеотиди, комбинирани в гени. Спомнете си, че генът е единица наследствена информация (част от ДНК молекула), съдържаща информация за структурата на един протеин - ензим. Гените, които определят свойствата на организмите, се наричат структурен.И се наричат ​​гените, които регулират експресията на структурните гени регулаторен.Проявата (експресията) на ген (реализацията на наследствена информация) се осъществява по следния начин:

За осъществяването на генната експресия съществува генетичен код - строго подредена връзка между нуклеотидните бази и аминокиселините (Таблица 12).

Таблица 12 Генетичен код

Основни свойства на генетичния код.

Тройност- кодирането на аминокиселини се извършва от триплети (триплети) на бази на нуклеотиди. Броят на кодиращите триплети е 64 (4 вида нуклеотиди: A, T, C, G, 4 3 = 64).

ЕднозначностВсеки триплет кодира само една аминокиселина.

израждане- броят на кодиращите триплети надвишава броя на аминокиселините (64 > 20). Има аминокиселини, кодирани от повече от един триплет (такива аминокиселини са по-често срещани в протеините). Има три триплета, които не кодират нито една аминокиселина (UAA, UAG, UGA). Те се наричат ​​"безсмислени кодони" и играят ролята на "стоп сигнали", което означава край на записа на гена (общият брой на кодиращите кодони е 61).

Неприпокриване (непрекъснатост) - Четенето на триплети от ДНК по време на синтеза на иРНК протича стриктно по три последователни нуклеотида, без припокриване на съседни кодони. В рамките на гена няма "препинателни знаци".

Универсалност - същите триплети кодират едни и същи аминокиселини във всички организми, живеещи на Земята.

Общи съкращения за имена на аминокиселини:

FEN - фенилаланин; GIS - хистидин;

LEI - левцин; GLN - глутамин;

ILE - изолевцин; GLU - глутаминова киселина;

MET - метионин; LYS - лизин;

VAL - валин; ASN - аспарагин;

SER - серия; ASP - аспарагинова киселина;

PRO - пролин; CIS - цистеин;

TPE - треонин; ТРИ - триптофан;

ALA - аланин; ARG - аргинин;

TIR - тирозин; GLI - глицин.

По този начин ДНК носителят на цялата генетична информация в клетката не участва пряко в синтеза на протеини (т.е. внедряването на тази наследствена информация). В животинските и растителните клетки ДНК молекулите са отделени от цитоплазмата с ядрена мембрана.плазма, където се осъществява протеиновия синтез. От ядрото към рибозомите - местата за сглобяване на протеини - се изпраща посредник, който носи копираната информация и може да премине през порите на ядрената мембрана. Месинджър РНК, която участва в реакциите на матрицата, е такъв посредник.

Матрични реакции - това са реакции за синтез на нови съединения на базата на "стари" макромолекули, които действат като матрица, тоест форма, модел за копиране на нови молекули. Матричните реакции за реализиране на наследствената информация, в които участват ДНК и РНК, са:

1. репликация на ДНК- удвояване на ДНК молекулите, поради което се осъществява предаването на генетична информация от поколение на поколение. Матрицата е майчината ДНК, а новите, образувани според тази матрица, са дъщерните, новосинтезирани 2 ДНК молекули (фиг. 4).

2. Транскрипция(лат. транскрипция - пренаписване) е синтез на РНК молекули според принципа на комплементарност върху шаблона на една от ДНК веригите. Възниква в ядрото под действието на ензима ДНК-зависима - РНК полимераза. Месинджър РНК е еднаневерижна молекула, а кодирането на гена идва от една верига на двойноверижна ДНК молекула. Ако транскрибираната ДНК верига съдържа нуклеотида G, тогава ДНК полимеразата включва С в иРНК, ако е Т, тогава включва А в иРНК, ако е Т, включва Y (тимин Т не е включен в РНК; Фиг. 5). Езикът на ДНК триплетите се превежда на езика на иРНК кодоните (триплетите в иРНК се наричат ​​кодони).

В резултат на транскрипция на различни гени се синтезират всички видове РНК. След това иРНК, тРНК, рРНК през порите в ядрената обвивка навлизат в цитоплазмата на клетката, за да изпълняват своите функции.

3. Излъчване(лат. translatio - предаване, транслация) е синтеза на полипептидни вериги от протеини върху зряла иРНК матрица, осъществявана от рибозоми. Има няколко етапа в този процес:

Първият етап е инициация (началото на синтез - вериги). В цитоплазмата рибозома навлиза в единия от краищата на иРНК (именно този, от който е започнал синтезът на молекулата в ядрото) и започва синтеза на полипептида. Молекулата tRNA, транспортираща аминокиселината метионин (tRNA meth), се свързва с рибозомата и се прикрепя към началото на веригата mRNA (винаги с AUG кода). До първата тРНК (която няма нищо общо със синтезиращия протеин) е прикрепена втора тРНК с аминокиселина. Ако антикодонът е tRNA, тогава между аминокиселините възниква пептидна връзка, която се образува от определен ензим. След това tRNA напуска рибозомата (отива в цитоплазмата за нова аминокиселина), а mRNA премества един кодон.

Вторият етап е удължаване (удължаване на веригата). Рибозомата се движи по протежение на молекулата на иРНК не плавно, а периодично, триплет по триплет. Третата тРНК с аминокиселината се свързва със своя антикодон с кодона на иРНК. Когато се установи комплементарността на връзката, рибозомата прави още една стъпка един "кодон", а специфичният ензим "омрежва" втората и третата аминокиселина с пептидна връзка - образува се пептидна верига. Аминокиселините в растящата полипептидна верига са свързани в последователността, в която са разположени иРНК кодоните, които ги кодират (фиг. 6).

Третият етап е терминирането (краят на синтеза) на веригата. Възниква, когато рибозомата транслира един от трите "безсмислени кодона" (UAA, UAG, UGA). Рибозомите изскачат от иРНК, протеиновият синтез е завършен.

По този начин, знаейки реда на подреждане на аминокиселините в протеиновата молекула, е възможно да се определи редът на нуклеотидите (триплетите) във веригата на иРНК, а от него - редът на нуклеотидните двойки в секцията на ДНК и обратно, като се вземе отчита принципа на нуклеотидната комплементарност.

Естествено, в процеса на матрични реакции, поради всякакви причини (естествени или изкуствени), могат да настъпят промени - мутации. Това са генни мутации на молекулярно ниво – резултат от различни повреди в ДНК молекулите. Генните мутации, възникващи на молекулярно ниво, обикновено засягат един или повече нуклеотиди. Всички форми на генни мутации могат да бъдат разделени на две големи групи.

Първа група- рамково изместване - представлява вмъкване или изтриване на една или повече двойки нуклеотиди. В зависимост от мястото на нарушението се променя един или друг брой кодони. Това е най-тежкото генно увреждане, тъй като в протеина ще бъдат включени напълно различни аминокиселини.

Такива делеции и вмъквания представляват 80% от всички спонтанни генни мутации.

Най-вреден ефект имат така наречените безсмислени мутации, които са свързани с появата на терминаторни кодони, които предизвикват спиране.ку протеинов синтез. Това може да доведе до преждевременно прекъсване на протеиновия синтез, който бързо се разгражда. Резултатът е клетъчна смърт или промяна в характера на индивидуалното развитие.

Мутациите, свързани със заместване, делеция или вмъкване в кодиращата част на ген, фенотипно изглеждат като заместване на аминокиселини в протеин. В зависимост от естеството на аминокиселините и функционалното значение на увредената област, има пълна или частична загуба на функционалната активност на протеина. По правило това се изразява в намаляване на жизнеспособността, промяна в характеристиките на организмите и др.

Втора групаса генни мутации със замяна на базови двойки нуклеотиди. Има два вида основни замествания:

1. Преход- заместване на един пурин с пуринова основа (A за G или G за A) или един пиримидин с пиримидин (C за T или T за, C).

2. Трансверсия- заместване на една пуринова основа с пиримидинова база или обратно (A за C, или G за T, или A за Y).

Ярък пример за трансверсия е сърповидно-клетъчната анемия, която възниква поради наследствено нарушение в структурата на хемоглобина. В мутантния ген, кодиращ една от веригите на хемоглобина, само един нуклеотид е счупен и аденинът е заменен с урацил (GAA от GUA) в иРНК.

В резултат на това има промяна в биохимичния фенотип, в хемоглобиновата верига глутаминовата киселина се заменя с валин. Това заместване променя повърхността на молекулата на хемоглобина: вместо двойновдлъбнат диск, еритроцитните клетки стават като сърпове и или запушват малките съдове, или бързо се отстраняват от кръвообращението, което бързо води до анемия.

Следователно значението на генните мутации за живота на един организъм не е същото:

· някои "тихи мутации" не засягат структурата и функцията на протеина (например нуклеотидно заместване, което не води до аминокиселинно заместване);

· някои мутации водят до пълна загуба на протеинова функция и клетъчна смърт (например безсмислени мутации);

· други мутации - с качествена промяна в иРНК и аминокиселини, водят до промяна в характеристиките на организма;

· и накрая, някои мутации, които променят свойствата на протеиновите молекули, имат вредно въздействие върху жизнената активност на клетките - такива мутации причиняват тежко протичане на заболявания (например трансверсии).

Третична структура на РНК

Вторична структура на РНК

Молекулата на рибонуклеиновата киселина е изградена от една полинуклеотидна верига. Отделни участъци от веригата на РНК образуват спирализирани бримки - "фиби", дължащи се на водородни връзки между комплементарните азотни бази A-U и G-C. Секциите на РНК веригата в такива спирални структури са антипаралелни, но не винаги напълно комплементарни; те съдържат несдвоени нуклеотидни остатъци или дори едноверижни бримки, които не се вписват в двойната спирала. Наличието на спираловидни участъци е характерно за всички видове РНК.

Едноверижните РНК се характеризират с компактна и подредена третична структура, която възниква от взаимодействието на спираловидни елементи на вторичната структура. По този начин е възможно да се образуват допълнителни водородни връзки между нуклеотидни остатъци, които са достатъчно отдалечени един от друг, или връзки между ОН групи от рибозни остатъци и бази. Третичната структура на РНК се стабилизира от двувалентни метални йони, като Mg 2+ йони, които се свързват не само с фосфатни групи, но и с бази.

По време на реакциите на матричен синтез се образуват полимери, чиято структура се определя изцяло от структурата на матрицата. Реакциите на матричен синтез се основават на комплементарни взаимодействия между нуклеотиди.

Репликация (редупликация, удвояване на ДНК)

Матрица- майчина ДНК верига
Продукт- новосинтезирана верига от дъщерна ДНК
взаимно допълванемежду нуклеотидите на родителската и дъщерната верига на ДНК

Двойната спирала на ДНК се развива в две единични вериги, след което ензимът ДНК полимераза завършва всяка отделна верига до двойна верига според принципа на комплементарността.

Транскрипция (синтез на РНК)

Матрица- кодираща верига на ДНК
Продукт– РНК
взаимно допълванемежду cDNA и RNA нуклеотиди

В определен участък от ДНК водородните връзки се разкъсват, което води до две единични вериги. Върху една от тях, по принципа на комплементарността, се изгражда иРНК. След това се отделя и отива в цитоплазмата, а ДНК веригите отново се свързват една с друга.

Превод (протеинов синтез)

Матрица– иРНК
Продукт- протеини
взаимно допълванемежду нуклеотидите на тРНК кодони и нуклеотиди на антикодони на тРНК, носещи аминокиселини

Вътре в рибозомата tRNA антикодони са прикрепени към mRNA кодони според принципа на комплементарност. Рибозомата комбинира аминокиселините, донесени от tRNA, за да образува протеин.

7. Образуване на полипептидна верига от последователно доставени до тРНКвъзниква тРНК със съответните аминокиселини върху рибозомите(фиг. 3.9).

Рибозомиса нуклеопротеинови структури, които включват три вида рРНК и повече от 50 специфични рибозомни протеини. Рибозомисъставен от малки и големи субединици. Започването на синтеза на полипептидната верига започва с прикрепването на малката субединица на рибозомата към мястото на свързване на тРНКи винаги протича с участието на специален тип метионинова тРНК, която се свързва с AUG метиониновия кодон и се прикрепя към т.нар. голяма субединица на рибозомата.

Ориз. 3.9. Синтез на полипептидна верига върху рибозомаПоказани са също транскрипцията на иРНК и прехвърлянето й през ядрената мембрана в цитоплазмата на клетката.

Следващия иРНК кодон, разположен след AUG-иницииращия кодон, попада в А-мястото на голямата субединица рибозоми, където е "заместен" за взаимодействие с амино-ацил-тРНК, която има съответния антикодон. След като подходяща тРНК се свърже с иРНК кодона, разположен в А-мястото, се образува пептидна връзка с помощта на пептидил трансфераза, която е част от голямата субединица на рибозомата, и аминоацил-тРНК се превръща в пептидил-тРНК. Това кара рибозомата да напредне с един кодон, да премести образуваната пептидил-тРНК към мястото на Р и да освободи мястото А, което заема следващия по ред иРНК кодон, готов да се свърже с аминоацил-тРНК, която има подходящ антикодон (фиг. 3.10).

Налице е растеж на полипептидната верига поради многократно повторение на описания процес. Рибозомадвижещ се по протежение на иРНК, освобождавайки своя начален сайт. На иницииращото място се сглобява следващият активен рибозомален комплекс и започва синтеза на нова полипептидна верига. По този начин няколко активни рибозоми могат да се присъединят към една иРНК молекула, за да образуват полизома. Синтезът на полипептида продължава, докато един от трите стоп кодона се намери в А мястото. Стоп кодонът се разпознава от специализиран терминиращ протеин, който прекратява синтеза и улеснява отделянето на полипептидната верига от рибозомата и от тРНК.

Ориз. 3.10. Синтез на полипептидна верига върху рибозома. Подробна схема на добавянето на нова аминокиселина към нарастващата полипептидна верига и участието в този процес на А и Р областите на голямата субединица на рибозомата.

Рибозома и иРНКсъщо прекъсват връзката и са готови да започнат нов синтез на полипептидната верига (виж фиг. 3.9). Остава само да припомним, че протеините са основните молекули, които осигуряват жизнената активност на клетката и организма. Те са ензими, които осигуряват целия най-сложен метаболизъм, и структурни протеини, които изграждат скелета на клетката и образуват междуклетъчното вещество, и транспортни протеини на много вещества в тялото, като хемоглобин, който транспортира кислород и протеинови канали, които осигуряват проникване в клетката и отстраняване на различни съединения.

а) Върху рибозомите на гранулирания ER се синтезират протеини, които след това се

Или се отстраняват от клетката (експортни протеини),
или са част от определени мембранни структури (собствена мембрана, лизозоми и др.).

б) В същото време пептидната верига, синтезирана върху рибозомата, прониква с водещия си край през мембраната в кухината на ER, където след това се появява целият протеин и се образува неговата третична структура.

2. Тук (в лумена на резервоарите на EPS) започва модификацията на протеините - свързването им с въглехидрати или други компоненти.

8. Механизми на клетъчното делене.

Нуклеинова киселина.

Нуклеиновите киселини (NA) са открити за първи път през 1869 г. от швейцарския биохимик Фридрих Мишер.

NC са линейни неразклонени хетерополимери, чиито мономери са нуклеотиди, свързани с фосфодиестерни връзки.

Един нуклеотид е изграден от:

азотна основа

Пурин (аденин (A) и гуанин (G) - техните молекули се състоят от 2 пръстена: 5 и 6-членен),

Пиримидин (цитозин (С), тимин (Т) и урацил (U) - един шестчленен пръстен);

въглехидрат (5-въглероден захарен пръстен): рибоза или дезоксирибоза;

остатък от фосфорна киселина.

Има 2 вида NK: ДНК и РНК. НК осигуряват съхранение, възпроизвеждане и внедряване на генетична (наследствена) информация. Тази информация е кодирана под формата на нуклеотидни последователности. Нуклеотидната последователност отразява първичната структура на протеините. Съответствието между аминокиселините и нуклеотидните последователности, които ги кодират, се нарича генетичен код. мерна единица генетичен кодДНК и РНК е триплет- последователност от три нуклеотида.

Видове азотни основи	A, G, C, T	A, G, C, При
Видове пентози	β,D-2-дезоксирибоза	β,D-рибоза
вторична структура	Редовен, състои се от 2 допълващи се вериги	Неправилни, някои участъци от една верига образуват двойна спирала
Молекулно тегло (брой нуклеотидни единици в първичната верига) или от 250 до 1,2x10 5 kDa (килодалтон)	За хиляди, милиони	За десетки и стотици
Локализация в клетката	Ядро, митохондрии, хлоропласти, центриоли	Ядро, цитоплазма, рибозоми, митохондрии и пластиди
	Съхраняване, предаване и възпроизвеждане в редица поколения на наследствена информация	Внедряване на наследствена информация

ДНК (дезоксирибонуклеинова киселина)е нуклеинова киселина, чиито мономери са дезоксирибонуклеотиди; това е майчиният носител на генетична информация. Тези. цялата информация за структурата, функционирането и развитието на отделните клетки и целия организъм се записва под формата на нуклеотидни последователности на ДНК.

Първичната структура на ДНК е едноверижна молекула (фаги).

По-нататъшното опаковане на полимерната макромолекула се нарича вторична структура. През 1953 г. Джеймс Уотсън и Франсис Крик откриват вторичната структура на ДНК, двойната спирала. В тази спирала фосфатните групи са от външната страна на спиралите, докато базите са отвътре, разположени на интервали от 0,34 nm. Веригите се държат заедно чрез водородни връзки между базите и са усукани една около друга и около обща ос.

Базите в антипаралелните вериги образуват комплементарни (взаимно допълващи се) двойки поради водородни връзки: A = T (2 връзки) и G ≡ C (3 връзки).

Феноменът на комплементарност в структурата на ДНК е открит през 1951 г. от Ервин Чаргаф.

Правилото на Chargaff: броят на пуриновите бази винаги е равен на броя на пиримидиновите бази (A+G)=(T+C).

Третичната структура на ДНК е по-нататъшното нагъване на двойноверижна молекула в бримки поради водородни връзки между съседни навивки на спиралата (супернавиване).

Кватернерната структура на ДНК са хроматидите (2 нишки на хромозомата).

Рентгенови дифракционни модели на ДНК влакна, направени за първи път от Морис Уилкинс и Розалинд Франклин, показват, че молекулата има спирална структура и съдържа повече от една полинуклеотидна верига.

Има няколко семейства на ДНК: A, B, C, D, Z-форми. В клетките обикновено се среща B-формата. Всички фигури с изключение на Z са десни спирали.

Репликация (самоудвояване) на ДНК - това е един от най-важните биологични процеси, които осигуряват възпроизвеждането на генетична информация. Репликацията започва с разделянето на две допълващи се вериги. Всяка верига се използва като шаблон за образуването на нова ДНК молекула. Ензимите участват в процеса на синтез на ДНК. Всяка от двете дъщерни молекули задължително включва една стара спирала и една нова. Новата ДНК молекула е абсолютно идентична със старата по нуклеотидна последователност. Този метод на репликация осигурява точното възпроизвеждане в дъщерните молекули на информацията, която е записана в родителската ДНК молекула.

В резултат на репликацията на една ДНК молекула се образуват две нови молекули, които са точно копие на оригиналната молекула – матрици. Всяка нова молекула се състои от две вериги – една на родителската и една на сестринската. Този механизъм на репликация на ДНК се нарича полуконсервативен.

Реакциите, при които една хетерополимерна молекула служи като матрица (форма) за синтеза на друга хетерополимерна молекула с комплементарна структура, се наричат реакции от матричен тип. Ако по време на реакцията се образуват молекули на същото вещество, които служат като матрица, тогава реакцията се нарича автокаталитичен. Ако в хода на реакция върху матрицата на едно вещество се образуват молекули на друго вещество, тогава такава реакция се нарича хетерокаталитичен. По този начин репликацията на ДНК (т.е. синтез на ДНК върху ДНК матрица) е автокаталитична реакция на матричен синтез.

Реакциите от матричен тип включват:

ДНК репликация (синтез на ДНК върху ДНК шаблон),

ДНК транскрипция (синтез на РНК върху ДНК шаблон),

РНК транслация (протеинов синтез върху РНК шаблон).

Съществуват обаче и други реакции от тип матрица, например синтез на РНК върху матрица на РНК и синтез на ДНК върху матрица на РНК. Последните два вида реакции се наблюдават, когато една клетка е заразена с определени вируси. Синтез на ДНК върху матрица на РНК ( обратна транскрипция) се използва широко в генното инженерство.

Всички матрични процеси се състоят от три етапа: иницииране (начало), удължаване (продължение) и прекратяване (край).

Репликацията на ДНК е сложен процес, включващ десетки ензими. Най-важните от тях са ДНК полимерази (няколко вида), прайми, топоизомерази, лигази и др. Основният проблем при репликацията на ДНК е, че в различни вериги на една молекула остатъците от фосфорна киселина са насочени в различни посоки, но растежът на веригата може да се случи само от края, който завършва с ОН групата. Следователно в репликирания регион, който се нарича вилица за репликация, процесът на репликация протича по различен начин в различните вериги. На една от веригите, която се нарича водеща, има непрекъснат синтез на ДНК върху матрицата на ДНК. В другата верига, която се нарича изоставаща верига, свързването става първо. буквар- специфичен РНК фрагмент. Праймерът служи като праймер за синтеза на ДНК фрагмент, наречен Фрагмент от Оказаки. Впоследствие праймерът се отстранява и фрагментите на Okazaki се сливат заедно в една верига на ензима ДНК лигаза. Репликацията на ДНК е придружена репарации– коригиране на грешки, които неизбежно възникват по време на репликация. Има много механизми за възстановяване.

Репликацията се извършва преди клетъчното делене. Благодарение на тази способност на ДНК се осъществява прехвърлянето на наследствена информация от майчината клетка към дъщерните клетки.

РНК (рибонуклеинова киселина)е нуклеинова киселина, чиито мономери са рибонуклеотиди.

В рамките на една РНК молекула има няколко области, които са комплементарни една на друга. Между тези комплементарни места се образуват водородни връзки. В резултат на това в една молекула РНК се редуват двуверижни и едноверижни структури, а цялостната конформация на молекулата наподобява детелина.

Азотните бази, които изграждат РНК, са способни да образуват водородни връзки с комплементарни бази както в ДНК, така и в РНК. В този случай азотните основи образуват двойки A=U, A=T и G≡C. Това прави възможно прехвърлянето на информация от ДНК към РНК, от РНК към ДНК и от РНК към протеини.

Има три основни вида РНК, открити в клетките, които изпълняват различни функции:

1. Информационен, или матрицаРНК (иРНК или иРНК). Функция: матрица на протеиновия синтез. Съставлява 5% от клетъчната РНК. Прехвърля генетична информация от ДНК към рибозомите по време на протеиновия синтез. В еукариотните клетки иРНК (mRNA) се стабилизира от специфични протеини. Това прави възможно продължаването на протеиновата биосинтеза, дори ако ядрото е неактивно.

иРНК е линейна верига с няколко региона с различни функционални роли:

а) в 5" края има капачка ("капачка") - предпазва иРНК от екзонуклеази,

б) последван от нетранслиран участък, комплементарен на рРНК секцията, който е включен в малката субединица на рибозомата,

в) транслацията (четенето) на иРНК започва с иницииращия кодон AUG, кодиращ метионин,

г) иницииращият кодон е последван от кодиращата част, която съдържа информация за последователността на аминокиселините в протеина.

2. Рибозомна, или рибозомнаРНК (рРНК). Съставлява 85% от клетъчната РНК. В комбинация с протеин, той е част от рибозомите, определя формата на големите и малките рибозомни субединици (50-60S и 30-40S субединици). Те участват в транслацията - четене на информация от иРНК в протеиновия синтез.

Субединиците и съставните им рРНК обикновено се обозначават чрез тяхната седиментационна константа. S - коефициент на утаяване, единици Сведберг. Стойността S характеризира скоростта на утаяване на частиците по време на ултрацентрофугиране и е пропорционална на тяхното молекулно тегло. (Например, прокариотна рРНК с коефициент на утаяване от 16 Сведбергови единици се обозначава като 16S рРНК).

Така се изолират няколко вида рРНК, които се различават по дължината на полинуклеотидната верига, масата и локализацията в рибозомите: 23-28S, 16-18S, 5S и 5.8S. И прокариотните, и еукариотните рибозоми съдържат 2 различни високополимерни РНК, по една за всяка субединица, и една РНК с ниско молекулно тегло, 5S РНК. Еукариотните рибозоми също съдържат 5.8S РНК с ниско молекулно тегло. Например, в прокариотите, синтезът на 23S, 16S и 5S рРНК, в еукариотите - 18S, 28S, 5S и 5.8S.

80S рибозома (еукариотна)

Малка 40S субединица Голяма 60S субединица

18SrRNA (~2000 нуклеотида), - 28SrRNA (~4000 nt),

5,8SrRNA (~155 nt),

5SrRNA (~121 nt),

~30 белтъка. ~45 протеина.

70S-рибозома (прокариотна)

Малка 30S субединица Голяма 50S субединица

16SrRNA, - 23SrRNA,

~20 белтъка. ~30 белтъка.

Голяма молекула от високополимерна рРНК (седиментационна константа 23-28S, локализирана в 50-60S рибозомни субединици.

Малка молекула от високополимерна рРНК (седиментационна константа 16-18S, локализирана в 30-40S рибозомни субединици.

Във всички рибозоми без изключение има нискополимерна 5S рРНК, локализирана в 50-60S субединиците на рибозомите.

Нискополимерната рРНК със седиментационна константа 5.8S е характерна само за еукариотните рибозоми.

По този начин съставът на рибозомите включва три вида рРНК при прокариотите и четири вида рРНК при еукариотите.

Първичната структура на рРНК е една полирибонуклеотидна верига.

Вторичната структура на рРНК е спирализиране на полирибонуклеотидната верига върху себе си (отделни участъци от веригата на РНК образуват спирализирани бримки - „фиби“).

Третичната структура на високополимерните рРНК е взаимодействието на спиралните елементи на вторичната структура.

3. транспортРНК (тРНК). Съставлява 10% от клетъчната РНК. Пренася аминокиселина до мястото на протеинов синтез, т.е. към рибозомите. Всяка аминокиселина има своя собствена тРНК.

Първичната структура на tRNA е една полирибонуклеотидна верига.

Вторичната структура на тРНК е моделът "лист на детелина", в тази структура има 4 двойноверижни и 5 едноверижни области.

Третичната структура на tRNA е стабилна, молекулата се сгъва в L-образна структура (2 спирали почти перпендикулярни една на друга).

Всички видове РНК се образуват в резултат на реакции на синтез на матрица. В повечето случаи една от ДНК веригите служи като шаблон. По този начин биосинтезата на РНК върху ДНК матрица е хетерокаталитична реакция от типа матрица. Този процес се нарича транскрипцияи се контролира от определени ензими – РНК полимерази (транскриптази).

Синтезът на РНК (транскрипция на ДНК) се състои в пренаписване на информация от ДНК в иРНК.

Разлики между синтеза на РНК и синтеза на ДНК:

Асиметрията на процеса: само една верига от ДНК се използва като шаблон.

Консервативен процес: молекулата на ДНК се връща в първоначалното си състояние в края на синтеза на РНК. По време на синтеза на ДНК молекулите се обновяват наполовина, което прави репликацията полуконсервативна.

Синтезът на РНК не изисква праймер, за да започне, докато репликацията на ДНК изисква праймер на РНК.