а) На приведенной цепочке ДНК образуйте комплементарную цепочку ДНК с обозначением водородных связей:
б) На участке цели ДНК синтезируйте - и-РНК.
в) На и-РНК (м-РНК) определите последовательность включения аминокислот в молекулу полипептидной цепи белка.
Задание 2. В соответствии с последовательностью аминокислот в полипептиде определите состав кодонов в и-РНК, состав триплетов на участке ДНК (гене).
Полипептид
и-РНК
ДНК
Задание 3. На основании антикодонов т-РНК определите кодоны и-РНК и поставку соответствующих аминокислот.
Кодоны и-РНК
Антикодоны т-РНК
Полипетид
Занятие 3. Моделирование ДНК.
Литературa: 1, 2, 7, 9.
Вид занятия: лабораторное.
Время: 2 часа.
Место проведения: учебный класс.
Цель занятия: Научиться моделировать ДНК (ген) для получения определенных аминокислот.
Материальное обеспечение: сборники задач, индивидуальные задания, рисунки и таблица последовательности нуклеотидов в кодонах м-РНК для разных аминокислот.
Задание 1. Изобразить фрагмент молекулы ДНК. На одноцепочных участках ДНК, как на матрицах, синтезировать, используя правило комплементарности вторую цепь. Сделать вывод об идентичности вновь синтезированных фрагментов ДНК с исходным фрагментом.
Пример: Фрагмент молекулы ДНК
А Г А Ц Т Г А Ц А
!!!!!!!!!
Т Ц Т Г А Ц Т Г Т
Моделирование синтеза ДНК
А Г А Ц Т Г А Ц Т - старая цепь
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
- новая цепь
- новая цепь
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
Т Ц Т Г А Ц Т Г А - старая цепь
Задание 2. Моделирование синтеза РНК
На одноцепочном участке молекулы ДНК, как на матрице, синтезировать фрагмент молекулы РНК.
А Г А Ц Т Г А Ц А – участок молекулы ДНК
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
– фрагмент молекулы РНК
Задание 3. Моделирование синтеза белка.
Изобразить фрагмент молекулы и-РНК. На нем, как на матрице, ползуясь таблицей генетического кода, синтезировать фрагмент полипептида.
Современное представление о гене как единице наследственности. В представлении Г. Менделя единицей наследственности был фактор, контролирующий проявление в доминантном или рецессивном состоянии одного признака. В дальнейшем понятия о гене были развиты в работах Т. Моргана, который показал, что ген — это локус (участок) хромосомы, занимающий в ней строго определенное положение.
В современном понимании ген — это функциональная единица молекулы ДНК, контролирующая последовательность аминокислот в кодируемой полипептидной цепи. Специфичность гена определяется числом нуклеотидов и их уникальной последовательностью. Ген имеет определенную величину, выраженную числом нуклеотидов и молекулярной массой. Ген, кодирующий синтез полипептидной цепи, называется структурным. Он является составной частью оперона, имеет сложную систему регуляции, осуществляемой акцепторными генами. Для каждого структурного гена характерна уникальная последовательность нуклеотидов, позволяющая его идентифицировать.
Структурный ген является дискретной целостной единицей, кодирующей синтез одной полипептидной цепи. Любое изменение порядка чередования нуклеотидов — выпадение, добавление или замена хотя бы одного нуклеотида — инактивирует структурный ген или изменяет его функцию.
Ранее отмечено, что для структурных генов эукариот характерно мозаичное строение: участки молекулы ДНК, кодирующие аминокислоты в полипептидной цепи, — экзоны (кДНК) чередуются с участками, которые не обладают этой способностью, — интронами.
Акцепторные гены каждого оперона обладают высокой специфичностью — к ним могут присоединяться только определенные молекулы белка, в том числе белок-репрессор, подавляющий активность структурных генов, сар-белок, а также ферментные белки, обеспечивающие репликацию и транскрипцию. Доля структурных и акцепторных генов в общей ДНК разных организмов колеблется от 9 до 15%. Остальная часть ДНК генома получила название избыточной ДНК. Для избыточной ДНК характерно наличие повторов — одинаковых последовательностей нуклеотидов. Повторы ДНК у эукариот могут иметь различную природу. Некоторые структурные гены, имеющие уникальную последовательность нуклеотидов, могут быть представлены несколькими копиями.
У животных имеются повторы структурных генов, кодирующих глобин, иммуноглобулин, интерферон и другие жизненно важные белки. Среди повторов генов имеются нефункционирующие гены, которые из-за выпадения или добавления нуклеотида потеряли способность синтезировать м-РНК. Их называют псевдогенам.
Особенно многократно в молекуле ДНК встречаются повторы структурных генов, контролирующих синтез рибосомальной и транспортной РНК. В ДНК геномов содержатся и другого рода повторы. Они представляют собой короткие последовательности нуклеотидов, каждый из них содержит около 300 нуклеотидных пар, а также 40000—80000 повторов, содержащих приблизительно по 140 нуклеотидных пар.
Транспозоны. В течение длительного времени считалось, что положение генов в хромосоме и, следовательно, в молекуле ДНК является строго фиксированным, хотя Б. Мак-Клинток еще в 1953 г. доказала, что в геноме кукурузы содержатся, так называемые подвижные, генетические элементы. В 1975—1977 гг. советский учёный Г. П. Георгиев обнаружил в геноме дрозофилы гены, представленные десятками копий и рассеянные по разным хромосомам. Им было установлено, что эти гены являются подвижными или «прыгающими», так как могут быть локализованы у разных линий и даже у отдельных особей в разных хромосомах и в разных локусах одной хромосомы.
Свойства генов. Гены характеризуются определенными свойствами: специфичностью, целостностью и дискретностью, стабильностью и лабильностью, плейотропией, экспрессивностью и пенетрантностью.
Специфичность гена заключается в том, что каждый структурный ген обладает только ему присущим порядком располо-жения нуклеотидов и детерминирует синтез определенного полипептида, р-РНК или т-РНК.
Целостность гена состоит в том, что при программировании синтеза полипептида он выступает как неделимая единица (цистрон), изменение порядка или количества нуклеотидов в которой приводит к перестройке структуры молекулы полипептида. Ген как функциональная единица неделим.
Дискретность гена определяется наличием в нем субъединиц (мутон, рекон). В настоящее время минимальной структурной субъединицей гена считают пару комплементарных нуклеотидов, а минимальной функциональной единицей кодон.
Гены относительно стабильны и изменяются (мутируют) редко. Частота спонтанной мутации одного гена - примерно 10-5 на одно поколение.
Способность гена изменяться (мутировать) называется лабильностью. Гены, как правило, обладают свойством плейотропности (множественности) действия, т. е. один ген отвечает за проявление нескольких признаков. Это, в частности, наблюдается при множественных врожденных пороках развития. Гены обладают также свойствами экспрессивности и пенетрантности.
Синтез белка в клетке. Посредником в передаче генетической информации (порядок нуклеотидов) от ДНК к белку выступает информационная РНК. Она синтезируется в ядре на одной из цепей ДНК (кодирующей) по принципу комплементарности. После разрыва водородных связей между двумя цепочками считывание информации идет в одном направлении:5' 31. Процесс переписывания информации с ДНК на и-РНК называется транскрипцией.
Синтезированная таким образом и-РНК (матричный синтез) выходит через поры ядра в цитоплазму и взаимодействует с малой субъединицей одной или нескольких рибосом, что приводит к сборке рибосомы (объединению большой и малой субъединиц). Рибосомы, объединенные одной молекулой и-РНК, называют полисомами. На каждой рибосоме полисомы синтезируются одинаковые молекулы белка. Следующий этап биосинтеза белка – трансляция Рис 5. Схема биосинтеза белка. перевод последовательности
1 - и-РНК; 2 - субъединицы рибосо- нуклеотидов в молекуле и-РНК
мы; 3 — т-РНК с аминокислотами, в последовательность аминоки-
4- кодон и-РНК; 5- антикодон т- кислот в полипептидной цепи.
РНК; 6- т-РНК без аминокислот; Транспортные РНК (т-РНК)
7- полипепти "приносят" аминокислоты в
рибосому. Молекула т-РНК по конфигурации похожа на лист клевера и имеет два активных центра. На одном конце молекулы расположен триплет свободных нуклеотидов, который называется антикодоном и соответствует определенной аминокислоте.
Так как многие аминокислоты кодируются несколькими триплетами, то число различных т-РНК значительно больше 20 (идентифицировано 60). Второй активный центр –противополо-жный антикодону участок, к которому прикрепляется аминокислота. На 5'-конце этого центра молекулыт-РНК всегда, находится гуанин,а на 31-конце - триплет ЦЦА.
Процесс узнавания т-РНК своей аминокислоты называется рекогницией. Каждая аминокислота присоединяется к одной из своих специфических т-РНК при участии особой формы фермента аминоацил-т-РНК-синтетазы и АТФ. В результате образуется комплекс аминокислоты с т-РНК — аминоацил-т-РНК, в котором энергия связи между концевым нуклеотидом А (в триплете ЦЦА) и аминокислотой достаточна для образования в дальнейшем пептидной связи.
Аминокислоты транспортируются в большую субъединицу рибосом. В каждый данный момент внутри рибосомы находятся два кодона и-РНК: один – напротив аминоацильного центра, второй – напротив пептидильного центра. Если антикодон т-РНК и кодон и-РНК, находящийся напротив аминоацильного центра, являются комплементарными, то аминоацил-т-РНК присоединяется к кодону и-РНК, рибосома продвигается на один триплет и первая аминоацил-т-РНК оказывается в пептидильном центре. В аминоацильный центр поступает вторая т-РНК со своей аминокислотой. Между первой и второй аминокислотами устанавливается пептидная связь. Рибосома опять продвигается на один триплет; т-РНК первой аминокислоты отсоединяется от и-РНК и аминокислоты и уходит за следующей аминокислотой, а вторая т-РНК со своей аминокислотой попадает в пептидильный центр. В это время в аминоацильный центр поступает третья т-РНК с аминокислотой, и цикл повторяется.
Таким образом, полипептидная молекула собирается в полном соответствии с информацией, записанной на и-РНК (рис.5).
В процессе трансляции выделяют три стадии: инициации, элонгации и терминации. Инициация (начало трансляции) заключается в связывании рибосомы с и-РНК, для чего в начале молекулы и-РНК имеется специальный инициирующий кодон (АУТ) и определенная последовательность нуклеотидов, которая отвечает за связь с рибосомой. Элонгация (непосредственная трансляция) включает реакции от образования первой пептидной связи до присоединения последней аминокислоты к молекуле полипептида. В это время рибосома перемещается от первого к последнему кодону на и-РНК. Терминация (конец трансляции) обусловлена наличием терминирующих кодонов (УАА, УАГ, УГА), которые прекращают синтез белка; происходит отделение рибосомы от и-РНК. Регуляция синтеза белка у эукариот может осуществляться на уровне транскрипции и трансляции. Регуляторную функцию выполняют ядерные белки (гистоны). Их молекулы заряжены положительно и легко связываются с отрицательно заряженными фосфатами, влияя на транскрипцию определенных генов с помощью ДНК-зависимой РНК-полимеразы. Модификации гистонов (фосфорилирование, ацетилирование, метилирование) ослабляют их связь с ДНК и облегчают транскрипцию. Кислые негистоновые белки, связываясь с определенными участками ДНК, также облегчают транскрипцию. Регулируют транскрипцию и низкомолекулярные ядерные РНК, которые находятся в комплексе с белками и могут избирательно включать гены.
Усиливают синтез белка различные анаболические стероиды, инсулин, предшественники нуклеотидов и нуклеиновых кислот (инозин, оротат калия). Ингибиторами синтеза белка являются антибиотики, модифицированные азотистые основания и нуклеозиды.
