Po objavení princípu molekulárnej organizácie látky, akou je DNA v roku 1953, sa začala rozvíjať molekulárna biológia. Ďalej v procese výskumu vedci zistili, ako sa DNA rekombinuje, jej zloženie a ako je usporiadaný náš ľudský genóm.
Každý deň na molekulárnej úrovni prebiehajú zložité procesy. Ako je usporiadaná molekula DNA, z čoho pozostáva? Akú úlohu hrajú molekuly DNA v bunke? Povedzme si podrobne o všetkých procesoch, ktoré sa vyskytujú vo vnútri dvojitého reťazca.
Čo je to dedičná informácia?
Ako to teda celé začalo? Späť v roku 1868 nájdený v jadrách baktérií. A v roku 1928 N. Koltsov predložil teóriu, že všetky genetické informácie o živom organizme sú zašifrované v DNA. Potom J. Watson a F. Crick našli v roku 1953 model dnes už známej skrutkovice DNA, za čo si zaslúžili uznanie a ocenenie – Nobelovu cenu.
Čo je vlastne DNA? Túto hmotu tvoria 2 kombinované vlákna, presnejšie špirálky. Úsek takéhoto reťazca s určitou informáciou sa nazýva gén.
DNA uchováva všetky informácie o tom, aký druh proteínov sa vytvorí a v akom poradí. Makromolekula DNA je materiálnym nosičom neuveriteľne objemnej informácie, ktorá je zaznamenaná v prísnom slede jednotlivých stavebných blokov – nukleotidov. Celkovo sú 4 nukleotidy, navzájom sa dopĺňajú chemicky a geometricky. Tento princíp komplementarity alebo komplementarity vo vede bude opísaný neskôr. Toto pravidlo hrá kľúčovú úlohu pri kódovaní a dekódovaní genetickej informácie.
Keďže reťazec DNA je neuveriteľne dlhý, v tejto sekvencii nie sú žiadne opakovania. Každá živá bytosť má svoj vlastný jedinečný reťazec DNA.
Funkcie DNA
Funkcie zahŕňajú ukladanie dedičných informácií a ich prenos na potomstvo. Bez tejto funkcie by sa genóm druhu nemohol zachovať a rozvíjať počas tisícročí. Organizmy, ktoré prešli veľkými génovými mutáciami, s väčšou pravdepodobnosťou neprežijú alebo stratia schopnosť produkovať potomstvo. Existuje teda prirodzená ochrana pred degeneráciou druhu.
Ďalšou podstatnou funkciou je implementácia uložených informácií. Bunka nemôže vytvoriť žiadny životne dôležitý proteín bez pokynov, ktoré sú uložené v dvojvlákne.
Zloženie nukleových kyselín
Teraz je už spoľahlivo známe, z čoho pozostávajú samotné nukleotidy, stavebné kamene DNA. Zahŕňajú 3 látky:
- Kyselina ortofosforečná.
- dusíkatej báze. Pyrimidínové bázy – ktoré majú len jeden kruh. Patria sem tymín a cytozín. Purínové bázy obsahujúce 2 kruhy. Sú to guanín a adenín.
- Sacharóza. DNA obsahuje deoxyribózu, RNA obsahuje ribózu.
Počet nukleotidov sa vždy rovná počtu dusíkatých báz. V špeciálnych laboratóriách sa nukleotid štiepi a izoluje sa z neho dusíkatá báza. Skúmajú teda jednotlivé vlastnosti týchto nukleotidov a možné mutácie v nich.
Úrovne organizácie dedičných informácií
Existujú 3 úrovne organizácie: génová, chromozomálna a genómová. Všetky informácie potrebné na syntézu nového proteínu sú obsiahnuté v malom úseku reťazca – géne. To znamená, že gén sa považuje za najnižšiu a najjednoduchšiu úroveň kódovania informácií.
Gény sú zase zostavené do chromozómov. Vďaka takejto organizácii nositeľa dedičného materiálu sa skupiny znakov striedajú podľa určitých zákonitostí a prenášajú sa z jednej generácie na druhú. Treba poznamenať, že v tele je neuveriteľne veľa génov, ale informácie sa nestrácajú, ani keď sa mnohokrát rekombinujú.
Existuje niekoľko typov génov:
- podľa funkčného účelu sa rozlišujú 2 typy: štruktúrne a regulačné sekvencie;
- podľa vplyvu na procesy prebiehajúce v bunke existujú: supervitálne, letálne, podmienene letálne gény, ako aj mutátorové a antimutátorové gény.
Gény sú usporiadané pozdĺž chromozómu v lineárnom poradí. V chromozómoch nie sú informácie náhodne zamerané, existuje určité poradie. Existuje dokonca aj mapa zobrazujúca polohy alebo génové lokusy. Napríklad je známe, že údaje o farbe očí dieťaťa sú zašifrované v chromozóme číslo 18.
čo je genóm? Toto je názov celého súboru nukleotidových sekvencií v bunke tela. Genóm charakterizuje celý druh, nie jediného jedinca.
Aký je ľudský genetický kód?
Faktom je, že celý obrovský potenciál ľudského rozvoja je založený už v období počatia. Všetky dedičné informácie, ktoré sú potrebné pre vývoj zygoty a rast dieťaťa po narodení, sú zakódované v génoch. Úseky DNA sú najzákladnejšími nositeľmi dedičnej informácie.
Ľudia majú 46 chromozómov alebo 22 somatických párov plus jeden chromozóm určujúci pohlavie od každého rodiča. Tento diploidný súbor chromozómov kóduje celý fyzický vzhľad človeka, jeho duševné a fyzické schopnosti a predispozície k chorobám. Somatické chromozómy sú navonok nerozoznateľné, no nesú rôzne informácie, keďže jeden z nich je od otca a druhý od matky.
Mužský kód sa líši od ženského v poslednom páre chromozómov – XY. Ženská diploidná množina je posledný pár, XX. Muži dostanú jeden chromozóm X od svojej biologickej matky a potom sa prenáša na ich dcéry. Pohlavný chromozóm Y sa prenáša na synov.
Ľudské chromozómy sa veľmi líšia veľkosťou. Napríklad najmenší pár chromozómov je #17. A najväčší pár je 1 a 3.
Priemer dvojitej špirály u ľudí je len 2 nm. DNA je tak pevne zvinutá, že sa zmestí do malého jadra bunky, hoci ak sa odvinie, bude mať dĺžku až 2 metre. Dĺžka špirály je stovky miliónov nukleotidov.
Ako sa prenáša genetický kód?
Akú úlohu teda hrajú molekuly DNA v bunke počas delenia? Gény – nosiče dedičných informácií – sú vo vnútri každej bunky tela. Aby odovzdali svoj kód dcérskemu organizmu, mnoho tvorov rozdelí svoju DNA na 2 rovnaké špirály. Toto sa nazýva replikácia. V procese replikácie sa DNA odvíja a špeciálne „stroje“ dopĺňajú každý reťazec. Po rozdvojení genetickej špirály sa začne deliť jadro a všetky organely a potom celá bunka.
Ale človek má iný proces prenosu génov – sexuálny. Znaky otca a matky sú zmiešané, nový genetický kód obsahuje informácie od oboch rodičov.
Ukladanie a prenos dedičných informácií je možný vďaka zložitej organizácii špirály DNA. Koniec koncov, ako sme povedali, štruktúra proteínov je zašifrovaná v génoch. Po vytvorení v čase počatia sa tento kód bude kopírovať po celý život. Karyotyp (osobný súbor chromozómov) sa pri obnove orgánových buniek nemení. Prenos informácií sa uskutočňuje pomocou pohlavných gamét - mužských a ženských.
Iba vírusy obsahujúce jeden reťazec RNA nie sú schopné preniesť svoje informácie na svoje potomstvo. Preto, aby sa mohli rozmnožovať, potrebujú ľudské alebo zvieracie bunky.
Implementácia dedičných informácií
V bunkovom jadre neustále prebiehajú dôležité procesy. Všetky informácie zaznamenané v chromozómoch sa používajú na stavbu bielkovín z aminokyselín. Ale vlákno DNA nikdy neopustí jadro, takže tu je potrebná ďalšia dôležitá zlúčenina, RNA. Práve RNA je schopná preniknúť cez jadrovú membránu a interagovať s reťazcom DNA.
Prostredníctvom interakcie DNA a 3 typov RNA sa realizujú všetky zakódované informácie. Na akej úrovni je implementácia dedičnej informácie? Všetky interakcie prebiehajú na úrovni nukleotidov. Messenger RNA kopíruje segment reťazca DNA a prináša túto kópiu do ribozómu. Tu začína syntéza nukleotidov novej molekuly.
Aby mRNA skopírovala potrebnú časť reťazca, špirála sa rozvinie a po dokončení procesu prekódovania sa opäť obnoví. Navyše tento proces môže prebiehať súčasne na 2 stranách 1 chromozómu.
Princíp komplementarity
Pozostávajú zo 4 nukleotidov – sú to adenín (A), guanín (G), cytozín (C), tymín (T). Sú spojené vodíkovými väzbami podľa pravidla komplementarity. K zavedeniu tohto pravidla pomohli práce E. Chargaffa, pretože vedec si všimol určité vzorce v správaní týchto látok. E. Chargaff zistil, že molárny pomer adenínu k tymínu je rovný jednej. A rovnako aj pomer guanínu k cytozínu je vždy rovný jednej.
Na základe jeho práce vytvorili genetici pravidlo pre interakciu nukleotidov. Pravidlo komplementarity hovorí, že adenín sa kombinuje iba s tymínom a guanín s cytozínom. Počas dekódovania helixu a syntézy nového proteínu v ribozóme pomáha toto striedavé pravidlo rýchlo nájsť potrebnú aminokyselinu, ktorá je pripojená k transferovej RNA.
RNA a jej typy
Čo je to dedičná informácia? nukleotidov v dvojvlákne DNA. Čo je RNA? Akú má prácu? RNA alebo ribonukleová kyselina pomáha extrahovať informácie z DNA, dekódovať ich a na princípe komplementarity vytvárať proteíny potrebné pre bunky.
Celkovo sú izolované 3 typy RNA. Každý z nich plní prísne svoju funkciu.
- Informačné (mRNA), alebo sa nazýva aj matica. Ide priamo do stredu bunky, do jadra. V jednom z chromozómov nájde potrebný genetický materiál na stavbu proteínu a kopíruje jednu zo strán dvojitého reťazca. Kopírovanie prebieha opäť podľa princípu komplementarity.
- Doprava je malá molekula, ktorá má na jednej strane nukleotidové dekodéry a na druhej strane aminokyseliny zodpovedajúce hlavnému kódu. Úlohou tRNA je dopraviť ju do „dielne“, teda na ribozóm, kde syntetizuje potrebnú aminokyselinu.
- rRNA je ribozomálna. Kontroluje množstvo produkovaného proteínu. Skladá sa z 2 častí - aminokyselinové a peptidové miesto.
Jediný rozdiel pri dekódovaní je v tom, že RNA nemá tymín. Namiesto tymínu je tu prítomný uracil. Ale potom, v procese syntézy bielkovín, s tRNA, stále správne stanovuje všetky aminokyseliny. Ak dôjde k poruchám v dekódovaní informácií, dôjde k mutácii.
Oprava poškodenej molekuly DNA
Proces opravy poškodeného dvojvlákna sa nazýva reparácia. Počas procesu opravy sú poškodené gény odstránené.
Potom je požadovaná sekvencia prvkov presne reprodukovaná a narazí späť na rovnaké miesto na reťazi, odkiaľ bola extrahovaná. To všetko sa deje vďaka špeciálnym chemikáliám – enzýmom.
Prečo vznikajú mutácie?
Prečo niektoré gény začnú mutovať a prestanú plniť svoju funkciu – uchovávanie životne dôležitých dedičných informácií? Je to spôsobené chybou dekódovania. Napríklad, ak je adenín náhodne nahradený tymínom.
Existujú aj chromozomálne a genómové mutácie. K chromozomálnym mutáciám dochádza, keď časti dedičnej informácie chýbajú, sú duplikované alebo dokonca prenesené a integrované do iného chromozómu.
Najzávažnejšie sú genómové mutácie. Ich príčinou je zmena počtu chromozómov. Teda keď namiesto páru – diploidnej množiny je v karyotype prítomná triploidná množina.
Najznámejším príkladom triploidnej mutácie je Downov syndróm, pri ktorom je osobná sada chromozómov 47. U takýchto detí sa namiesto 21. páru vytvoria 3 chromozómy.
Existuje aj taká mutácia ako polyploidia. Ale polyploidia sa nachádza iba v rastlinách.
Genetický kód- spôsob zaznamenávania do molekuly DNA informácie o počte a poradí aminokyselín v bielkovine.
Vlastnosti:
Tripletita – jedna aminokyselina je kódovaná tromi nukleotidmi
Neprekrývajúce sa – ten istý nukleotid nemôže byť súčasťou dvoch alebo viacerých tripletov súčasne
Jednoznačnosť (špecifickosť) – určitému kodónu zodpovedá len jeden
Univerzálnosť – genetický kód funguje rovnako v organizmoch rôznej úrovne zložitosti – od vírusov až po ľudí
Degenerácia (redundancia) – tej istej aminokyseline môže zodpovedať niekoľko kodónov.
14. Etapy implementácie dedičnej informácie u prokaryotov a eukaryotov.
Replikácia (syntéza) DNA
Syntéza DNA vždy začína v presne definovaných bodoch. Enzým topoizomeráza rozvinie špirálu. Helikáza ruší vodíkové väzby medzi vláknami DNA a vytvára replikačnú vidličku. SSB proteíny zabraňujú opätovnému vytváraniu vodíkových väzieb.
RNA primáza syntetizuje krátke RNA fragmenty (priméry), ktoré sú pripojené na 3' koniec.
DNA polymeráza začína od priméru a syntetizuje dcérsky reťazec (5 "3") -
Smer syntézy jedného vlákna DNA sa zhoduje so smerom pohybu replikačnej vidlice, takže toto vlákno sa syntetizuje nepretržite. Tu syntéza prebieha rýchlo. Smer syntézy druhého vlákna je opačný ako smer replikačnej vidlice. Preto syntéza tohto reťazca prebieha vo forme oddelených úsekov a postupuje pomaly (fragmenty Okazakiho).
Zrenie DNA: RNA priméry sa štiepia, chýbajúce nukleotidy sa dopĺňajú, fragmenty DNA sa spájajú pomocou ligázy. Topoizomeráza odvíja špirálu.
Etapy implementácie dedičných informácií (v eukaryotoch)
1. Prepis
2.Spracovanie
3. Preklad
4. Posttranslačné zmeny
Vysielanie- syntéza molekuly RNA na základe molekuly DNA. Kľúčovým enzýmom je RNA polymeráza.
RNA polymeráza musí rozpoznať promótor a interagovať s ním. Promótor je špeciálna časť DNA, ktorá sa nachádza pred informatívnou časťou génu. Pre aktiváciu RNA polymerázy je potrebná interakcia s promótorom. Po aktivácii RNA polymeráza preruší vodíkové väzby medzi vláknami DNA.
K syntéze RNA dochádza vždy pozdĺž určitého kodogénneho vlákna DNA.Na tomto vlákne je promótor umiestnený bližšie k 3' koncu.
Syntéza RNA prebieha podľa princípov komplementarity a antiparalelizmu.
RNA polymeráza dosiahne stop kodón (terminátor alebo terminačný kodón), čo je signál na zastavenie syntézy. Enzým sa inaktivuje, oddelí od DNA a uvoľní sa novosyntetizovaná molekula DNA – primárny transkript – pro-RNA. Obnoví sa pôvodná štruktúra DNA.
Štrukturálne znaky eukaryotického génu:
V eukaryotoch zahŕňajú gény oblasti rôznych funkcií.
A) Intróny - fragmenty DNA (génu), ktoré nekódujú aminokyseliny v proteíne
B) Exóny sú úseky DNA, ktoré kódujú aminokyseliny v proteíne.
Nespojitú povahu génu objavili Roberts a Sharpe (Nob. cena 1903).
Počet intrónov a exónov v rôznych génoch sa značne líši.
Spracovanie(dozrievanie)
Primárny transkript dozrieva a vzniká zrelá molekula messenger RNA, ktorá sa môže podieľať na syntéze proteínov na ribozómoch.
Na 5" konci RNA sa vytvorí špeciálne miesto (štruktúra) - CEP alebo cap. CEP zabezpečuje interakciu s malou podjednotkou ribozómu.
Na 3" konci RNA je pripojených od 100 do 200 molekúl nukleotidov nesúcich adenín (polyA). Pri syntéze proteínov sa tieto nukleotidy postupne odštiepia, deštrukcia polyA je signálom pre deštrukciu molekúl RNA.
K niektorým RNA nukleotidom je pridaná skupina CH 3 – metylácia. To zvyšuje odolnosť DNA voči pôsobeniu cytoplazmatických enzýmov.
Splicing - intróny sú vyrezané a exóny sú spojené dohromady. Reštrikčný enzým odstraňuje, ligáza zosieťuje)
Zrelá messenger RNA zahŕňa:
Vedúci zabezpečuje väzbu messenger RNA na ribozómovú podjednotku.
SC - štart kodón - rovnaký pre všetky messenger RNA, kóduje aminokyselinu
Kódujúca oblasť – kóduje aminokyseliny v proteíne.
Stop kodón – signál na zastavenie syntézy bielkovín.
Pri spracovaní dochádza k prísnej selekcii do cytoplazmy, z jadra sa uvoľní asi 10 % molekúl z počtu primárnych transkriptov.
Alternatívne spájanie
Človek má 25-30 tisíc génov.
U ľudí však bolo izolovaných asi 100 tisíc proteínov.
Alternatívny zostrih je situácia, v ktorej rovnaký gén poskytuje syntézu rovnakých molekúl proRNA v bunkách rôznych tkanív. V rôznych bunkách sa počet a hranice medzi exónmi a intrónmi určujú odlišne. Výsledkom je, že z rovnakých primárnych transkriptov sa získajú rôzne mRNA a syntetizujú sa rôzne proteíny.
Alternatívny zostrih bol dokázaný pre približne 50 % ľudských génov.
Translácia je proces zostavovania peptidového reťazca na ribozómoch podľa informácií obsiahnutých v mRNA.
1. Iniciácia (začiatok)
2. Predĺženie (predĺženie molekuly)
3. Ukončenie (koniec)
Zasvätenie.
Molekula matrRNA kontaktuje malú podjednotku ribozómu pomocou CEP. Vedúci RNA sa viaže na podjednotku ribozómu. K štartovaciemu kodónu je pripojená transpRNA, ktorá nesie transportnú kyselinu metionín. Potom sa pripojí veľká podjednotka ribozómu. V celom ribozóme sa tvoria dve aktívne centrá: aminoacyl a peptidyl. Aminoacyl je voľný a peptidyl je obsadený tRNA s metionínom.
Predĺženie.
Aminoacylové centrum obsahuje mRNA, ktorej antikodón zodpovedá kódujúcemu.
Potom sa ribozóm posunie oproti mRNA o 1 kodón, v tomto prípade sa uvoľní aminoacylové centrum. mRNA sa nachádza v peptidylovom centre a viaže sa na druhú aminokyselinu. Proces sa cyklicky opakuje.
3. Ukončenie
Do aminoacylového centra vstupuje stop kodón, ktorý rozpoznáva špeciálny proteín, je to signál na zastavenie syntézy proteínov. Podjednotky ribozómu sa oddelia, čím sa uvoľní mRNA a polypeptid sa znova syntetizuje.
4. Posttranslačné zmeny.
Pri translácii vzniká primárna štruktúra polypeptidu.To nestačí na plnenie funkcií proteínu, preto sa proteín mení, čo zabezpečuje jeho aktivitu.
Vytvorené:
A) sekundárna štruktúra (vodíkové väzby)
B) globula - terciárna štruktúra (disulfidové väzby)
C) kvartérna štruktúra – hemoglobín
D) Glykozylácia - pripojenie cukrových zvyškov (protilátok) na proteín
E) štiepenie veľkého polypeptidu na niekoľko fragmentov.
Rozdiely v implementácii dedičných informácií u prokaryotov a eukaryotov:
1. Prokaryotom chýbajú exóny a intróny, takže neexistujú žiadne fázy spracovania a zostrihu.
2. U prokaryotov prebieha transkripcia a translácia súčasne, t.j. Syntéza RNA prebieha a syntéza DNA už začína.
3. V eukaryotoch je syntéza rôznych typov RNA riadená rôznymi enzýmami. U prokaryotov sú všetky typy RNA syntetizované jedným enzýmom.
4. U eukaryotov má každý gén svoj jedinečný promótor, u prokaryotov môže jeden promótor riadiť prácu viacerých génov.
5. Iba prokaryoty majú systém operónov
V prvej štvrtine XX storočia. ukázalo sa, že elementárne dedičné vlastnosti sú spôsobené materiálnymi jednotkami dedičnosti - génmi lokalizovanými v chromozómoch, kde sú umiestnené postupne za sebou v lineárnom poradí. Na tomto základe sa vyvinul T. X. Morgan chromozómová teória dedičnosti, za čo dostal v roku 1933 Nobelovu cenu za fyziológiu a medicínu „za objavy týkajúce sa úlohy chromozómov v dedičnosti“.
Vedci sa pokúsili určiť aj „produkty“ génovej aktivity, teda tie molekuly, ktoré sa syntetizujú v bunkách pod ich kontrolou. V dielach Ephrussi, Beadle a Tatum, v predvečer druhej svetovej vojny, bola predstavená myšlienka, že gény produkujú proteíny, ale na to musí gén uchovávať informácie pre syntézu konkrétneho proteínu (enzýmu). Zložitý mechanizmus na realizáciu informácie obsiahnutej v DNA a jej preklad do formy proteínu bol objavený až v 60. rokoch minulého storočia.
GENETICKÝ KÓD.Myšlienku, že informácie o primárnej štruktúre proteínu sú zakódované v géne, prezentoval F. Crick vo svojom sekvenčná hypotéza, podľa ktorého sekvencia štruktúrnych prvkov génu určuje sekvenciu aminokyselinových zvyškov v syntetizovanom polypeptidovom reťazci. Autor hypotézy navrhol, že kód je s najväčšou pravdepodobnosťou triplet, že kódujúcu jednotku predstavujú tri páry báz DNA usporiadané v určitej sekvencii. V skutočnosti štyri páry báz DNA: A-T, T-A, G-C, C-G - môžu kódovať iba 4 aminokyseliny, ak predpokladáme, že každý pár zodpovedá jednej aminokyseline. Je známe, že proteíny sa skladajú z 20 základných aminokyselín. Ak predpokladáme, že každá aminokyselina zodpovedá dvom párom báz, potom môže byť kódovaných 16 aminokyselín (4 2). To tiež nestačí. S tripletovým kódom štyroch párov báz je možné vytvoriť 64 kodónov (4 3), čo je viac než dosť na kódovanie 20 aminokyselín. Experimentálny dôkaz, že genetický kód je triplet, bol publikovaný v roku 1961 (F. Crick a kol.). V tom istom roku na V. medzinárodnom biochemickom kongrese v Moskve M. Nirenberg a J. Mattei referovali o dekódovaní prvého kodónu (UUU - kodón pre fenylalanín) a čo je dôležitejšie, navrhli metódu na určenie zloženia kodóny v bezbunkovom systéme syntézy bielkovín.
Okamžite vyvstali dve otázky: prekrýva sa kód a je kód zdegenerovaný?
Ak by sa kodóny prekrývali, potom by nahradenie jedného páru báz viedlo k nahradeniu dvoch alebo troch aminokyselín naraz v syntetizovanom proteíne. V skutočnosti sa to nedeje a berie sa do úvahy genetický kód neprekrývajúce sa.
Kód je degenerovať keďže takmer každá aminokyselina je spojená s viac ako jedným kodónom, čo určuje ich usporiadanie v primárnej štruktúre syntetizovaného polypeptidového reťazca. Iba dve aminokyseliny - metionín a tryptofán - sú spojené s jednotlivými kodónmi - AUG a UGG. Usporiadanie každej z troch aminokyselín - arginínu, leucínu a serínu - v primárnej štruktúre polypeptidového reťazca je určené šiestimi kodónmi atď. (pozri tabuľku 3.2).
Medzi znaky genetického kódu patrí aj jeho všestrannosť(je to v podstate rovnaké pre všetky živé organizmy). Našli sa však aj výnimky z tohto pravidla. V roku 1981 bolo dokončené stanovenie kompletnej nukleotidovej sekvencie ľudskej mitochondriálnej DNA, obsahujúcej 16 569 nukleotidových párov. Získané výsledky naznačujú, že mitochondriálne genómy vyšších a nižších eukaryotov, kódujúce približne rovnaký súbor funkcií, sa vyznačujú rozdielmi v sémantickom význame niektorých kodónov, pravidlách rozpoznávania antikodónov a všeobecnej štruktúrnej organizácii. Ukázalo sa teda, že na rozdiel od bežného univerzálneho kódu kodón AUA kóduje metionín namiesto izoleucínu a triplety AGA a AGG nie sú kodóny arginínu, ale terminačné signály. vysielania; tryptofán je kódovaný UGG tripletom aj UGA tripletom, ktorý zvyčajne funguje ako terminátorový kodón.
V genetickom kóde sú rôzne kodóny tej istej aminokyseliny, t.j. synonymné kodóny, takmer vždy v rovnakom štvorci a líšia sa od seba v poslednom z troch nukleotidov (výnimkou sú len kodóny arginínu, serénu a leucínu , ktoré majú každý šesť kodónov, ktoré sa nezmestia do jedného štvorca, kde sa zmestia iba štyri kodóny). Genetický kód má lineárne poradie čítania a je charakterizovaný kolinearitou , t.j. zhoda poradia usporiadania kodónov v mRNA s poradím usporiadania aminokyselín syntetizovaného polovičného dipeptidového reťazca.
SYNTÉZAPROTEÍN V KLIETKE. Reprodukcia a pôsobenie génov sú spojené s matricovými procesmi: syntéza makromolekúl - DNA, RNA, proteínov. O replikácii sa už vyššie uvažovalo ako o procese, ktorý zabezpečuje reprodukciu genetickej informácie. Moderná teória génu, výdobytok molekulárnej genetiky, sa úplne spolieha na úspech biochémie pri štúdiu matricových procesov. Naopak, metóda genetickej analýzy významne prispieva k štúdiu matricových procesov, ktoré sú samy osebe pod genetickou kontrolou. Zvážte pôsobenie génu, ktorý poskytuje prepis, alebo syntéza RNA a vysielať, alebo syntéza bielkovín.
PrepisDNA, Toto - prenos genetickej informácie zakódovanej v sekvencii nukleotidových párov z molekuly dvojvláknovej DNA na molekulu jednovláknovej RNA. Templátom pre syntézu RNA je len jedno vlákno DNA, tzv sémantický.
Pri transkripcii, rovnako ako v iných matricových procesoch, existujú tri fázy: iniciácia, predĺženie a ukončenie. Enzým, ktorý vykonáva tento proces, sa nazýva DNA-dependentná RNA polymeráza alebo jednoducho RNA-polymeráza; v tomto prípade dochádza k polymerizácii polyribonukleotidu (RNA) v smere od 5 "do 3" konca rastúceho reťazca.
K syntéze enzýmov a iných proteínov potrebných pre život a vývoj organizmov dochádza najmä v prvej fáze interfázy, pred začiatkom replikácie DNA.
V dôsledku transkripcie je dedičná informácia zaznamenaná v DNA génu presná prepísané(prepísané) do nukleotidovej sekvencie temnoty. syntéza mRNA začína v mieste iniciácie transkripcie tzv promótor. Promótor sa nachádza pred génom a obsahuje približne 80 párov báz (u vírusov a baktérií táto oblasť zodpovedá približne jednému otočeniu špirály DNA a zahŕňa približne 10 párov báz). Promótorové nukleotidové sekvencie často obsahujú páry AT, a preto sa tiež nazývajú TATA sekvencie.
Transkripcia sa uskutočňuje pomocou enzýmov RNA polymerázy. U eukaryotov sú známe tri typy RNA polymeráz: I - zodpovedné za syntézu rRNA, II - za syntézu mRNA; III - na syntézu tRNA a rRNA s nízkou molekulovou hmotnosťou - 5S RNA.
RNA polymeráza sa silne viaže na promótor a oddeľuje nukleotidy komplementárnych reťazcov. Potom sa tento enzým začne pohybovať pozdĺž génu (molekuly DNA) a keď sú reťazce odpojené, vedie k (zmyslovej) syntéze mRNA na jednom z nich, pričom podľa komplementárneho princípu sa pridáva adenín k tymínu, uracil k adenínu. guanín na cytozín a cytozín na guanín. Tie úseky DNA, na ktorých polymerázou vytvorená mRNA sa znovu spoja a syntetizovaná molekula mRNA sa postupne oddelí od DNA. Koniec syntézy mRNA je určený miestom zastavenia transkripcie -- terminátor. Nukleotidové sekvencie promótora a terminátora sú rozpoznávané špeciálnymi proteínmi, ktoré regulujú aktivitu RNA polymerázy.
Pred opustením jadra sa k počiatočnej časti mRNA (5" koniec) pridá metylovaný guanínový zvyšok nazývaný „cap“ a na koniec mRNA (3“ koniec sa pridá približne 200 zvyškov kyseliny adenylovej). V tejto forme zrelá mRNA prechádza cez jadrovú membránu do cytoplazmy k ribozómu a spája sa s ním. Predpokladá sa, že v eukaryotoch sa „čiapka“ mRNA podieľa na jej väzbe na malú podjednotku ribozómu.
Vysielanie mRNA. Ide o syntézu proteínov na ribozómoch riadenú templátom mRNA. V tomto prípade je informácia preložená zo štvorpísmenovej abecedy nukleových kyselín do dvadsaťpísmenovej abecedy aminokyselinových sekvencií polypeptidových reťazcov.
V tomto procese existujú tri fázy.
Aktivácia voľných aminokyselín – tvorba aminoacyladenyláty ako výsledok interakcie aminokyselín s ATP pod kontrolou enzýmov špecifických pre každú aminokyselinu. Tieto enzýmy sú aminoacyltRNA syntáza- zúčastniť sa ďalšej etapy.
Aminoacylácia tRNA je pripojenie aminokyselinových zvyškov k tRNA interakciou tRNA a komplexu aminoacyl-tRNA syntetázy s aminoacyladenylátmi. V tomto prípade je každý aminokyselinový zvyšok pripojený k svojej špecifickej triede tRNA.
Vlastne translácia alebo polymerizácia aminokyselinových zvyškov s tvorbou peptidových väzieb.
Počas translácie sa teda sekvencia nukleotidov v mRNA preloží do zodpovedajúcej, striktne usporiadanej sekvencie aminokyselín v syntetizovanej proteínovej molekule. Translačný proces zahŕňa mRNA, ribozómy, tRNA, aminoacyl-tRNA syntetázy.
Signál spustenie vysielania v pro- a eukaryotoch sa kodón OUT používa, ak sa nachádza na začiatku mRNA. V tomto prípade ju „rozpozná“ špecializovaná iniciačná formylmetionín (v baktériách) alebo metionín (v eukaryotoch) tRNA. V iných prípadoch sa kodón AUG "číta" ako metionín. Kodón GUG môže tiež slúžiť ako iniciačný signál. K tejto interakcii dochádza na ribozóme v jeho aminoacylovom centre (A-centrum), umiestnenom prevažne na malej podjednotke ribozómu.
Interakcia kodónu AUG messengerovej RNA, malej podjednotky ribozómu a formylmetionyl-tRNA iniciačný komplex. Podstatou tejto interakcie je, že pripája svoj antikód na kodón AUG na mRNA.
UAC je tRNA, ktorá zachytila a nesie molekulu aminokyseliny metionínu (v baktériách je iniciátorom tRNA, ktorá nesie formylmetionín). Potom sa veľká podjednotka ribozómu (50S*) pripojí k tomuto komplexu, ktorý pozostáva z malej podjednotky ribozómu (30S*), mRNA a tRNA. Výsledkom je vytvorenie úplne zostaveného ribozómu, vrátane jednej molekuly mRNA a iniciačnej tRNA s aminokyselinou. Ribozóm má aminoacyl a peptidyl stredísk.
Prvá aminokyselina (metionín) najskôr vstupuje do aminoacylového centra. V procese pripojenia väčšej podjednotky ribozómu sa mRNA posunie o jeden kodón, tRNA sa presunie z aminoacylového centra do peptidylového centra. Ďalší kodón mRNA vstupuje do aminoacylového centra, ktoré sa môže spojiť s antikodónom ďalšej aminoacyl-tRNA. Od tohto momentu začína druhá fáza prekladu - predĺženie, počas ktorého sa mnohokrát opakuje cyklus pripojenia molekúl aminokyselín na rastúci polypeptidový reťazec. Takže v súlade s kodónom messengerovej RNA druhá molekula tRNA nesúca ďalšiu aminokyselinu vstupuje do aminoacylového centra ribozómu. Táto tRNA sa viaže svojim antikodónom na komplementárny kodón mRNA. Okamžite je pomocou pepticyltransferázy predchádzajúca aminokyselina (metionín) spojená svojou karboxylovou skupinou (COOH) s aminoskupinou (NH2) novo dodanej aminokyseliny. Vzniká medzi nimi peptidová väzba. V tomto prípade sa uvoľní molekula vody:
Výsledkom je, že mRNA, ktorá dodáva metionín, sa uvoľní a dipeptid je už pripojený k tRNA v aminoacylovom centre. Pre ďalšiu realizáciu procesu predlžovania sa musí uvoľniť aminoacylové centrum, čo sa stáva.
V dôsledku translačného procesu sa komplex dipeptidyl-tRNA presúva z aminoacylového centra na peptidylový. Je to spôsobené pohybom ribozómu jedným kodónom za účasti enzýmu translokuje a proteínový elongačný faktor. Uvoľnená tRNA a kodón mRNA, ktorý bol na ňu naviazaný, opúšťajú ribozóm. Ďalšia tRNA dodáva aminokyselinu do uvoľneného aminoacylového centra v súlade s tam prijatým kodónom. Táto aminokyselina je spojená s predchádzajúcou aminokyselinou peptidovou väzbou. V tomto prípade ribozóm posúva o jeden kodón viac a proces sa opakuje, kým jeden z troch terminačných kodónov (nezmyselné kodóny), t.j. UAA, UAG alebo UGA, nevstúpi do aminoacylového centra.
Po vstupe terminačného kodónu do aminoacylového centra ribozómu začína tretia fáza syntézy polypeptidu - ukončenie. Začína pripojením jedného z proteínových terminačných faktorov na terminačný kodón mRNA, čo vedie k blokovaniu ďalšieho predlžovania reťazca. Ukončenie syntézy vedie k uvoľneniu syntetizovaného polypeptidového reťazca a ribozómových podjednotiek, ktoré sa po uvoľnení disociujú a môžu sa podieľať na syntéze ďalšieho polypeptidového reťazca,
Celý proces translácie je sprevádzaný štiepením molekúl GTP (guanozíntrifosfát) a je potrebná účasť ďalších proteínových faktorov špecifických pre procesy iniciácie (iniciačné faktory), elongácie (elongačné faktory) a terminácie (terminačné faktory). Tieto proteíny nie sú integrálnou súčasťou ribozómu, ale sú k nemu pripojené v určitých štádiách translácie. Vo všeobecnosti je proces translácie rovnaký vo všetkých organizmoch.
Proces syntézy bielkovín je veľmi zložitý. Okrem spomínaných zabezpečuje jeho tok mnoho ďalších enzýmov. O E. coli bolo objavených asi 100 génov, ktoré riadia syntézu polypeptidov a tvorbu rôznych prvkov tvoriacich translačný aparát. Keďže molekula mRNA je dostatočne dlhá, môže sa k nej pripojiť niekoľko ribozómov. V každom z ribozómov spojených s jednou molekulou mRNA prebieha syntéza rovnakých molekúl proteínu, táto syntéza je však v rôznych štádiách, čo je určené tým, ktorá z nich skôr a ktorá neskôr vstúpila do kontaktu s molekulou mRNA. Keď sa ribozóm pohybuje pozdĺž mRNA (z jej 5"- ku koncu Z "-), uvoľní sa iniciačné miesto reťazca, zostaví sa na ňom ďalší aktívny ribozómový komplex a syntéza polypeptidu začne znova na tej istej templáte. Keď niekoľko aktívnych ribozómov interaguje s jednou molekulou mRNA, polyribozóm, alebo polyzóm.
Polypeptidové reťazce vznikajúce pri syntéze proteínov prechádzajú posttranslačnými transformáciami a následne plnia svoje špecifické funkcie. Primárna štruktúra polypeptid je určený sekvenciou aminokyselín v ňom. Polypeptidové reťazce spontánne vytvárajú určité sekundárneštruktúru, ktorá je určená povahou bočných skupín aminokyselinových zvyškov (α-helix, skladaná β-vrstva, náhodná cievka). Všetky tieto a ďalšie štrukturálne znaky definujú nejakú pevnú trojrozmernú konfiguráciu, ktorá je tzv terciárne(alebo priestorová štruktúra polypeptidu,čo v podstate odráža spôsob, akým je polypeptidový reťazec zložený v trojrozmernom priestore.
Proteíny môžu byť zložené z jedného alebo viacerých polypeptidových reťazcov. V druhom prípade sú tzv oligomérne proteíny. Vyznačujú sa určitým kvartérna štruktúra. Tento výraz označuje všeobecnú konfiguráciu proteínu, ktorá vznikla počas spojenia všetkých jeho základných polypeptidových reťazcov. Štrukturálny model ľudského hemoglobínu zahŕňa najmä dva a-reťazce a dva p-reťazce, ktoré sú vzájomne prepojené a tvoria kvartérnu proteínovú štruktúru.
Presnosť syntézy polypeptidov závisí od správnej tvorby systému vodíkových väzieb medzi kodónmi a antikodónmi. Pred uzatvorením ďalšej peptidovej väzby pomocou ribozómov sa kontroluje správnosť vytvorenia páru kodón-antikodón. Priamym dôkazom v prospech aktívnej úlohy ribozómov pri kontrole komplementarity väzby kodón-antikodón je objav mutácií, ktoré menia ribozomálne proteíny a ovplyvňujú tak presnosť translácie. O mutáciách sa bude diskutovať v kapitole 6.
ŠPECIALIZOVANÝ PRENOS GENETICKÝCH INFORMÁCIÍ. REPLIKÁCIA RNA.Sú známe tri typy procesov, v rámci ktorých sa uskutočňuje špecializovaný prenos genetickej informácie. Jeden z nich - prenos informácií z RNA do RNA - môže byť fixovaný iba v bunkách infikovaných vírusmi, ktorých genetický materiál predstavuje RNA. Ide najmä o vírus tabakovej mozaiky a mnohé ďalšie rastlinné vírusy, bakteriofágy obsahujúce RNA a niektoré ďalšie živočíšne vírusy, ako sú poliovírusy. Tieto vírusové genómové RNA, jednovláknové alebo dvojvláknové, nesú gény kódujúce špecifické replikázy RNA, ktoré môžu syntetizovať komplementárne molekuly RNA z templátu RNA. Tie zase môžu slúžiť ako templáty na syntézu kópií rodičovských RNA reťazcov podobným spôsobom. Prenos genetickej informácie z RNA do RNA je tiež založený na princípe komplementárnych báz v rodičovských a dcérskych RNA reťazcoch.
Reverzná transkripcia. Tento typ špecializovaného prenosu genetickej informácie nie z DNA do RNA, ale naopak z RNA do DNA, bol nájdený v živočíšnych bunkách infikovaných určitými typmi vírusov. Ide o špeciálny typ vírusov obsahujúcich RNA tzv retrovírusy. Teraz sa zistilo, že ďalším typom vírusu je vírus hepatitídy obsahujúci DNA. AT pri svojom vývoji využíva aj prenos informácií z RNA do DNA.
Retrovírusy obsahujú jednovláknové molekuly RNA, pričom každá vírusová častica má dve kópie genómu RNA, t.j. vírusy tohto typu sú jedinou známou rozmanitosťou diploidných vírusov. Prvýkrát boli objavené vďaka svojej schopnosti spôsobiť tvorbu nádorov u zvierat. Prvý vírus tohto typu bol opísaný v roku 1911. Pepton Rous, ktorý objavil infekčný sarkóm u kurčiat.
Potom, čo RNA retrovírusu vstúpi do hostiteľskej bunky, podstúpi vírusový genóm reverzná transkripcia. V tomto prípade sa najskôr vytvorí duplex RNA-DNA a potom dvojvláknová DNA. Tieto kroky predchádzajú expresii vírusových génov na proteínovej úrovni a tvorbe RNA genómov.
Enzým, ktorý katalyzuje komplementárne kopírovanie RNA za vzniku DNA, sa nazýva tzv reverznej transkriptázy. Je obsiahnutý v retrovírusových časticiach (viriónoch) a aktivuje sa potom, čo vírus vstúpi do bunky a zničí jej lipidovo-glykoproteínový obal.
Existuje stále viac dôkazov, že reverzná transkripcia sa vyskytuje aj v rôznych eukaryotických bunkách a reverzná transkriptáza hrá dôležitú úlohu v procesoch preskupovania genómu.
Retrovírusové reverzné transkriptázy sú v podstate DNA polymerázy, ktoré možno použiť in vitro ako templát DNA. Oveľa efektívnejšie však pracujú na RNA. Ako všetky DNA polymerázy, ani reverzné transkriptázy nie sú schopné iniciovať syntézu nových reťazcov DNA. Ale ak je syntéza už iniciovaná primérom RNA alebo 3' koncom DNA, potom enzým efektívne vykoná syntézu s použitím vlákna DNA ako templátu.
Retrovírusy sa ukázali ako veľmi užitočný nástroj v modernom výskume genetického inžinierstva. Slúžia ako zdroj na získanie prakticky čistej reverznej transkriptázy, enzýmu, ktorý hrá hlavnú úlohu v mnohých štúdiách založených na klonovaní eukaryotických génov. Vyčistenú individuálnu mRNA kódujúcu proteín, o ktorý má výskumník záujem, je teda spravidla oveľa jednoduchšie izolovať ako fragment genómovej DNA kódujúci tento proteín. DNA kópia tejto mRNA sa potom môže vytvoriť pomocou reverznej transkriptázy a vložiť do vhodného plazmidu na klonovanie a produkciu významného množstva požadovanej DNA.
Translácia DNA. Tretí typ špecializovaného prenosu genetickej informácie z DNA priamo do proteínu bol pozorovaný iba v laboratóriu in vitro. Za týchto podmienok môžu niektoré antibiotiká, najmä streptomycín a neomycín, ktoré interagujú s ribozómami, zmeniť svoje vlastnosti takým spôsobom, že ribozómy začnú používať jednovláknovú DNA ako templát namiesto mRNA, z ktorej je sekvencia báz priamo preložená do aminokyselinová sekvencia syntetizovaného polypeptidu.
1. Uveďte definície pojmov.
Genetický kód
- súbor kombinácií troch nukleotidov kódujúcich 20 druhov aminokyselín, ktoré tvoria proteín.
Trojčatá- tri po sebe idúce nukleotidy.
Anticodon Oblasť v tRNA pozostávajúca z troch nepárových nukleotidov, ktorá sa špecificky viaže na kodón mRNA.
Prepis
- proces syntézy RNA pomocou DNA ako templátu, vyskytujúci sa vo všetkých živých bunkách.
Vysielanie- proces syntézy bielkovín z aminokyselín na templáte mRNA (mRNA), uskutočňovaný ribozómom.
2. Porovnajte pojmy „genetická informácia“ a „genetický kód“. Aké sú ich zásadné rozdiely?
Genetická informácia – informácia o štruktúre bielkovín, zakódovaná pomocou sekvencie nukleotidov – genetického kódu – v génoch.
Inými slovami, genetický kód je princíp zaznamenávania genetickej informácie. Informácie sú informácie a kód je spôsob komunikácie informácií.
3. Vyplňte klaster „Vlastnosti genetického kódu“.
Vlastnosti: triplet, jednoznačné, redundantné, neprekrývajúce sa, polarita, univerzálnosť.
4. Aký biologický význam má redundancia genetického kódu?
Keďže na 20 aminokyselín, ktoré tvoria proteíny, pripadá 61 kodónov, niektoré aminokyseliny sú kódované viac ako jedným kodónom (takzvaná degenerácia kódu).
Táto redundancia zvyšuje spoľahlivosť kódu a celého mechanizmu biosyntézy bielkovín.
5. Vysvetlite, čo sú reakcie syntézy matrice. Prečo sa tak volajú?
Ide o syntézu komplexných polymérnych molekúl v živých bunkách, ku ktorej dochádza na základe genetickej informácie bunky zakódovanej na matrici (molekula DNA, RNA). K syntéze templátov dochádza počas replikácie, transkripcie a translácie DNA. Je základom procesu reprodukcie vlastného druhu.
6. Načrtnite molekulu tRNA a označte jej hlavné časti.
7. Vyplňte tabuľku.
ÚLOHA ORGANICKÝCH LÁTOK V BIOSYNTÉZE PROTEÍNOV
8. Jeden z reťazcov DNA má nasledujúcu nukleotidovú sekvenciu:
C-T-T-A-A-C-A-C-C-C-C-T-G-A-C-G-T-G-A-C-G-C-G-G-C- C-G
Napíšte štruktúru mRNA syntetizovanej na tomto vlákne. Aké bude zloženie aminokyselín proteínového fragmentu syntetizovaného na základe tejto informácie v ribozóme?
mRNA
G-A-A-U-U-G-U-G-G-G-G-A-C-U-G-C-A-C-U-G-C-G-C-C-G- G-C-
Polypeptidový reťazec
Glu-le-trp-gli-ley-gis-cis-ala-gli.
9. Načrtnite proces syntézy bielkovín.
10. Vyplňte tabuľku.
ETAPY IMPLEMENTÁCIE DEDIČNÝCH INFORMÁCIÍ V BUŇKE
11. Prečítajte si § 2.10 a pripravte si odpoveď na otázku: „Prečo je dekódovanie genetického kódu jedným z najdôležitejších vedeckých objavov súčasnosti?“
Rozlúštenie genetického kódu, teda určenie „zmyslu“ každého kodónu a pravidiel, podľa ktorých sa genetická informácia číta, sa považuje za jeden z najvýraznejších úspechov molekulárnej biológie.
Je dokázané, že kód je univerzálny pre život. Objav a dekódovanie kódu môže pomôcť nájsť spôsoby liečby rôznych chromozomálnych a genómových ochorení, študovať mechanizmus metabolických procesov na bunkovej a molekulárnej úrovni.
Obrovské množstvo experimentálnych údajov sa rýchlo hromadí. Začala sa nová etapa výskumu DNA. Molekulárna biológia sa zmenila na oveľa zložitejšie supramolekulárne a bunkové systémy. Ukázalo sa, že je možné priblížiť sa k problémom spojeným s molekulárnou genetikou eukaryotov, s fenoménmi ontogenézy.
12. Vyberte správnu odpoveď.
Test 1
Syntéza bielkovín nemôže nastať:
2) v lyzozóme;
Test 2
Prepis je:
3) syntéza mRNA na DNA;
Test 3
Všetky aminokyseliny, ktoré tvoria proteín, sú kódované pre:
4) 64 trojíc.
Test 4
Ak na syntézu proteínov vezmeme ribozómy morského vlka, enzýmy a aminokyseliny vrany sivej, ATP rýchlej jašterice, mRNA divého králika, potom sa proteín syntetizuje:
4) divoký králik.
13. Vytvorte súlad medzi vlastnosťami genetického kódu a ich charakteristikami.
Vlastnosti genetického kódu
1. Trojpočetnosť
3. Jedinečnosť
4. Všestrannosť
5. Neprekrývajúce sa
6. Polarita
Charakteristický
A. Každý nukleotid je súčasťou iba jedného tripletu
B. Genetický kód je rovnaký pre všetky živé organizmy na Zemi
B. Jedna aminokyselina je kódovaná tromi po sebe idúcimi nukleotidmi
D. Niektoré triplety definujú začiatok a koniec prekladu
E. Každý triplet kóduje iba jednu špecifickú aminokyselinu.
E. Aminokyselina môže byť definovaná viac ako jedným tripletom.
14. Vložte chýbajúci prvok.
Nukleotid - písmeno
Triplet - Slovo
Gén - Návrh
15. Vysvetlite pôvod a všeobecný význam slova (termínu), na základe významu koreňov, ktoré ho tvoria.
16. Vyberte termín a vysvetlite, ako jeho moderný význam zodpovedá pôvodnému významu jeho koreňov.
Zvolený termín je transkripcia.
Korešpondencia – pojem zodpovedá svojmu pôvodnému významu, nakoľko dochádza k prenosu genetickej informácie z DNA do RNA.
17. Formulujte a zapíšte hlavné myšlienky § 2.10.
Genetická informácia v živých organizmoch sa zaznamenáva pomocou genetického kódu. Kód je súbor kombinácií troch nukleotidov (tripletov) kódujúcich 20 typov aminokyselín, ktoré tvoria proteín. Kód má vlastnosti:
1. Trojpočetnosť
2. Degenerácia (nadbytočnosť)
3. Jedinečnosť
4. Všestrannosť
5. Neprekrývajúce sa
6. Polarita.
Procesy, ktorými sa v živých bunkách syntetizujú zložité polymérne molekuly, prebiehajú na základe genetickej informácie bunky zakódovanej na matrici (molekula DNA, RNA). Matricová syntéza je replikácia, transkripcia a translácia DNA.
Pamätajte!
Aká je štruktúra proteínov a nukleových kyselín?
Dlhé proteínové reťazce sú postavené iba z 20 rôznych typov aminokyselín, ktoré majú spoločný štruktúrny plán, ale navzájom sa líšia štruktúrou radikálu. Prepojené molekuly aminokyselín vytvárajú takzvané peptidové väzby. Krútením vo forme špirály získava proteínová niť vyššiu úroveň organizácie - sekundárnu štruktúru. Nakoniec sa polypeptid zvinie do zvitku (globule). Práve táto terciárna štruktúra proteínu je jeho biologicky aktívnou formou, ktorá má individuálnu špecifickosť. Avšak pre množstvo proteínov nie je terciárna štruktúra konečná. Sekundárnou štruktúrou je polypeptidový reťazec stočený do špirály. Pre silnejšiu interakciu v sekundárnej štruktúre dochádza k intramolekulárnej interakcii pomocou –S–S– sulfidových mostíkov medzi závitmi špirály. To zaisťuje pevnosť tejto konštrukcie. Terciárna štruktúra je sekundárna špirálovitá štruktúra stočená do guľôčok - kompaktných hrudiek. Tieto štruktúry poskytujú maximálnu pevnosť a väčšiu hojnosť v bunkách v porovnaní s inými organickými molekulami.
DNA je dvojitá špirála, RNA je jeden reťazec nukleotidov.
Aké typy RNA poznáte?
i-RNA, t-RNA, r-RNA.
i-RNA – syntetizovaná v jadre na templáte DNA, je základom pre syntézu bielkovín.
tRNA je transport aminokyselín do miesta syntézy bielkovín – do ribozómov.
Kde sa tvoria podjednotky ribozómov?
rRNA - syntetizovaná v jadierkach jadra a tvorí samotné ribozómy bunky.
Aká je funkcia ribozómov v bunke?
Biosyntéza proteínov - zostavenie molekuly proteínu
Skontrolujte si otázky a úlohy
1. Pamätajte na úplnú definíciu pojmu „život“.
F. Engels „Život je spôsob existencie bielkovinových teliesok, ktorého podstatným bodom je neustála výmena látok s vonkajšou prírodou, ktorá ich obklopuje, a so zastavením tohto metabolizmu sa zastaví aj život, čo vedie k rozkladu bielkovín. A v anorganických telesách môže prebiehať podobná výmena látok, ku ktorej v priebehu času dochádza všade, pretože všade, aj keď veľmi pomaly, prebieha chemické pôsobenie. Rozdiel je však v tom, že v prípade anorganických telies ich metabolizmus ničí, zatiaľ čo v prípade organických telies je to nevyhnutná podmienka ich existencie.
2. Vymenujte hlavné vlastnosti genetického kódu a vysvetlite ich význam.
Kód je tripletový a redundantný – zo 4 nukleotidov vytvoríte 64 rôznych tripletov, t.j. kód pre 64 aminokyselín, ale len 20 sa používa v živých organizmoch.
Kód je jednoznačný – každý triplet šifruje iba jednu aminokyselinu.
Medzi génmi sú interpunkčné znamienka - znamienka sú potrebné pre správne zoskupenie do trojíc monotónnej sekvencie nukleotidov, keďže medzi trojčatami nie sú žiadne deliace znaky. Úlohu génového značenia plnia tri triplety, ktoré nekódujú žiadne aminokyseliny – UAA, UAG, UGA. Označujú koniec molekuly proteínu ako bodka vo vete.
Vo vnútri génu nie sú žiadne interpunkčné znamienka – pretože genový kód je ako jazyk; Pozrime sa na túto vlastnosť pomocou frázy ako príkladu:
Mačka bola ticho, tá mačka mi bola roztomilá
Gén je uložený takto:
ZHILBYLKOTTIKHBYLSERMILMNETOTKOT
Význam sa obnoví, ak sú trojice správne zoskupené, aj keď nie sú žiadne interpunkčné znamienka. Ak začneme zoskupovanie od druhého písmena (druhého nukleotidu), dostaneme nasledujúcu postupnosť:
ILB YLK OTT IHB YLS ERM ILM NO OTK OD
Táto sekvencia už nemá biologický význam a ak sa implementuje, získa sa látka cudzia tomuto organizmu. Preto má gén v reťazci DNA presne stanovený začiatok čítania a dokončenia.
Kód je univerzálny – je rovnaký pre všetky tvory žijúce na Zemi: v baktériách, hubách, ľuďoch kódujú rovnaké triplety rovnaké aminokyseliny.
3. Aké procesy sú základom prenosu dedičnej informácie z generácie na generáciu a z jadra do cytoplazmy, do miesta syntézy bielkovín?
Meióza je základom pre prenos dedičných informácií z generácie na generáciu. Transkripcia (z latinčiny transkripcia – prepisovanie). Informácie o štruktúre proteínov sú uložené vo forme DNA v bunkovom jadre a syntéza proteínov prebieha na ribozómoch v cytoplazme. Messenger RNA funguje ako sprostredkovateľ, ktorý prenáša informácie o štruktúre určitej molekuly proteínu do miesta jej syntézy. Vysielanie (z lat. preklad – prenos). Molekuly mRNA vystupujú cez jadrové póry do cytoplazmy, kde začína druhá etapa implementácie dedičnej informácie – preklad informácie z „jazyka“ RNA do „jazyka“ proteínu.
4. Kde sa syntetizujú všetky typy ribonukleových kyselín?
Všetky typy RNA sa syntetizujú na templáte DNA.
5. Povedzte, kde prebieha syntéza bielkovín a ako prebieha.
Etapy biosyntézy bielkovín:
– Transkripcia (z latinského prepisovania): proces syntézy i-RNA na šablóne DNA, ide o prenos genetickej informácie z DNA do RNA, transkripciu katalyzuje enzým RNA polymeráza. 1) Pohyby RNA polymerázy - odvíjanie a obnova dvojzávitnice DNA, 2) Informácie z génu DNA - do i-RNA podľa princípu komplementarity.
– Spojenie aminokyselín s t-RNA: Štruktúra t-RNA: 1) aminokyselina je kovalentne pripojená k t-RNA pomocou enzýmu t-RNA syntetázy, zodpovedajúcej antikodónu, 2) je pripojená určitá aminokyselina do listovej stopky t-RNA
– Preklad: syntéza ribozomálnych proteínov z aminokyselín na mRNA, vyskytujúca sa v cytoplazme. 1) Iniciácia – začiatok syntézy. 2) Predĺženie - skutočná syntéza bielkovín. 3) Terminácia - rozpoznanie stop kodónu - koniec syntézy.
6. Zvážte obr. 45. Určte, ktorým smerom – sprava doľava alebo zľava doprava – sa ribozóm znázornený na obrázku pohybuje vzhľadom na mRNA. Dokáž svoj názor.
i-RNA sa pohybuje doprava, ribozóm sa vždy pohybuje opačným smerom, aby nezasahoval do procesov, keďže na jednom vlákne i-RNA môže sedieť niekoľko ribozómov (polyzóm) súčasne. Ukazuje tiež, ktorým smerom sa tRNA pohybujú - sprava doľava, ako ribozóm.
Myslieť si! Pamätajte!
1. Prečo sacharidy nemôžu vykonávať funkciu uchovávania informácií?
V sacharidoch neexistuje princíp komplementarity, je nemožné vytvárať genetické kópie.
2. Ako sa realizuje dedičná informácia o štruktúre a funkciách neproteínových molekúl syntetizovaných v bunke?
Tvorba iných organických molekúl v bunkách, ako sú tuky, sacharidy, vitamíny atď., je spojená s pôsobením katalytických proteínov (enzýmov). Napríklad enzýmy zabezpečujúce syntézu tukov u ľudí „vyrábajú“ ľudské lipidy a podobné katalyzátory v slnečnicovom – slnečnicovom oleji. Enzýmy metabolizmu uhľohydrátov u zvierat tvoria rezervnú látku glykogén a v rastlinách s nadbytkom glukózy sa syntetizuje škrob.
3. V akom štrukturálnom stave môžu byť molekuly DNA zdrojom genetickej informácie?
V stave špirály, keďže v tomto stave je DNA súčasťou chromozómov.
4. Aké štruktúrne vlastnosti molekúl RNA zabezpečujú ich funkciu prenosu informácie o štruktúre proteínu z chromozómov do miesta jeho syntézy?
i-RNA – syntetizovaná v jadre na templáte DNA, je základom pre syntézu bielkovín. Zloženie RNA - nukleotidy komplementárne k nukleotidom DNA, majú malú veľkosť v porovnaní s DNA (ktorá poskytuje výstup z jadrových pórov).
5. Vysvetlite, prečo sa molekula DNA nedala postaviť z troch typov nukleotidov.
Kód je tripletový a redundantný – zo 4 nukleotidov vytvoríte 64 rôznych tripletov (43), t.j. kóduje 64 aminokyselín, ale v živých organizmoch sa používa iba 20. To je potrebné na nahradenie akéhokoľvek nukleotidu, ak zrazu v bunke nie je, potom sa nukleotid automaticky nahradí podobným kódujúcim rovnakú aminokyselinu. Ak by existovali tri nukleotidy, potom by 33 bolo iba 9 aminokyselín, čo je nemožné, pretože 20 aminokyselín je potrebných pre každý organizmus.
6. Uveďte príklady technologických procesov založených na syntéze matrice.
maticová tlačiareň,
nanotechnológie,
Matica fotoaparátu
Matrica obrazovky notebooku
LCD matica
7. Predstavte si, že v priebehu nejakého experimentu bola na syntézu proteínov odobratá tRNA z buniek krokodíla, opičie aminokyseliny, drozdová ATP, mRNA ľadového medveďa, esenciálne enzýmy rosničky a ribozómy šťuky. Koho proteín bol nakoniec syntetizovaný? Vysvetlite svoj uhol pohľadu.
Genetický kód je zašifrovaný v i-RNA, čo znamená – ľadový medveď.
