Учебник для 10 класса

Естествознание

§ 51. Как реализуется генетическая информация

Можно объясниться с теми, кто говорит
на другом языке, но не с теми, кто в те
же слова вкладывает совсем другой смысл.
Ж. Ростан

Что представляет собой генетический код? Как информация о белке считывается с ДНК? Как эта информация транслируется в виде последовательности аминокислот в белке?

Урок-лекция

ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ИНФОРМАЦИИ В ЖИВЫХ СИСТЕМАХ. Вы уже рассмотрели много примеров того, как состав химических соединений отражается на их свойствах. Взаимозависимость состава и свойств в биологических системах значительно сложнее. Речь идет о кодировании в структуре участка молекулы ДНК сведений о совершенно другом веществе — белке, который обладает своими собственными свойствами, определяемыми его структурой, и выполняет определенную функцию. Собственно, механизм такого преобразования информации, заключенной в структуре ДНК, в структуру и свойства белка и является фундаментальным свойством живого, определившим появление в природе такого феномена, как жизнь (§ 29-30, 79).

НЕТИЧЕСКИЙ КОД. Со времени открытия Дж. Уотсоном и Ф. Криком строения ДНК ученые стали искать ключ к тому шифру, с помощью которого на молекуле ДНК записана информация о белке. Вспомним, что в белковом «алфавите» 20 «букв»-аминокислот, а «букв»-нуклеотидов в составе ДНК всего четыре. Если каждый нуклеотид соответствовал бы только одной аминокислоте, то 16 аминокислот не имели бы шанса попасть в белок. Если бы «слова» генетического кода состояли из двух «букв»-нуклеотидов, то число возможных комбинаций увеличилось бы до 16, что тоже недостаточно. А вот сочетание по три (триплет) из четырех «букв»-нуклеотидов дает 64 комбинации, которых хватает с избытком. Экспериментально установлено, что генетический код действительно читается группами по три нуклеотида, т. е. код триплетен. Каждый триплет кодирует одну аминокислоту и называется кодоном.

Важнейшими характеристиками генетического кода, помимо его триплетности, являются следующие:

• код однозначен: каждый триплет шифрует только одну аминокислоту;
• код вырожден, т. е. почти каждая аминокислота шифруется более чем одним кодоном (от двух до шести);
• код универсален, он един для всех живых существ на Земле.

ТРАНСКРИПЦИЯ. Участки ДНК, кодирующие последовательность аминокислот в молекуле белка, получили название структурных генов. Началом реализации записанной на них информации служит создание РНК-копии структурного гена — транскрипция (переписывание) (рис. 58).

Рис. 58. Схема транскрипции

Важная роль в процессе транскрипции принадлежит ферменту РНК-полимеразе. Он распознает начало структурного гена, присоединяется к нему и тем самым провоцирует раскручивание витка спирали ДНК. При этом обнажается участок одноцепочечной ДНК, который должен послужить матрицей для создания на нем РНК-копии. Процесс этот протекает в строгом соответствии с принципом комплементарности и сходен с образованием новой цепи ДНК в ходе репликации (§30-31). РНК-полимераза перемещается по матричной цепи ДНК и постепенно наращивает комплементарную ей цепь РНК. Фермент продолжает присоединять нуклеотиды к растущей цепи РНК, пока не дойдет до конца гена. Достигнув этой точки, РНК-полимераза сходит с цепи ДНК, а затем от нее отсоединяется и образовавшаяся РНК-копия, называемая информационной или матричной (мРНК). Вслед за этим цепочки ДНК расплетенного участка соединяются вновь и восстанавливают форму двойной спирали. Транскрипция завершена, мРНК поступает через ядерные поры в цитоплазму.

ТРАНСЛЯЦИЯ. В ходе трансляции записанная на мРНК в виде последовательности нуклеотидных оснований информация преобразуется в последовательность аминокислот. Процесс этот протекает на рибосомах, и для его успешной реализации необходим еще один тип РНК — короткие транспортные РНК (тРНК). Каждая молекула тРНК имеет определенную пространственную конфигурацию, несколько напоминающую листок клевера (рис. 59).

Рис. 59. Молекула тРНК

В центре молекулы (на верхушке среднего «листка клевера») располагается триплет — антикодон, способный спариваться с комплементарным ему триплетом (кодоном) мРНК. Триплет на конце тРНК может образовывать ковалентную связь со специфической аминокислотой. В клетке существуют тРНК с разными антикодонами, соответственно, способные связываться с каждой из 20 аминокислот, необходимых для синтеза белка.

Сама рибосома представляет собой сложную биохимическую систему, предназначенную для синтеза белка в соответствии с инструкциями, записанными в структуре мРНК. Сначала рибосома связывается с мРНК, а вслед за этим к комплексу мРНК-рибосома присоединяется несущая аминокислоту тРНК, антикодон которой комплементарен первому кодону мРНК (рис. 60, а). Затем рядом с первой гРНК присоединяется вторая с антикодоном, комплементарным второму кодону мРНК, и т. д. Специальный фермент связывает между собой две аминокислоты, доставленные этими двумя тРНК, которые пока еще остаются присоединенными к комплексу. После этого первая тРНК покидает рибосому, чтобы присоединить новую молекулу соответствующей ей аминокислоты. Тем временем рибосома продвигается вдоль мРНК и вторая тРНК с присоединенной к ней аминокислотой занимает место первой. Все это повторяется многократно до тех пор, пока рибосома не дойдет до стоп-кодона на мРНК, которым заканчивается любой структурный ген. Достигнув его, рибосома и вновь синтезированный белок отсоединяются от мРНК и переходят в цитоплазму клетки.

Рис. 60. Биосинтез белка (а) и схема строения полисомы (б)

К одной молекуле мРНК прикрепляется обычно много рибосом, которые, продвигаясь вдоль нее, транслируют кодон за кодоном новые молекулы белка (рис. 60, б). Такая структура получила название полисома. Рибосомы работают очень эффективно: за 1 с в организме человека синтезируется 5х10¹⁴ молекул гемоглобина — белка с уникальной последовательностью из 574 аминокислот.

Процесс биосинтеза белка — один из самых энергоемких в реакциях пластического обмена клетки. На образование одной пептидной связи в синтезируемом белке расходуется четыре молекулы АТФ — две при присоединении аминокислоты к тРНК и две непосредственно на рибосоме.

Передача генетической информации идет по цепочке ДНК — мРНК — белок. Этот процесс проходит при участии многих ферментов и требует затрат энергии, поставляемой АТФ. Генетический код: триплетен, поскольку каждая аминокислота кодируется определенным сочетанием из трех нуклеотидов, называемым кодоном, однозначен, вырожден и универсален. В ходе транскрипции происходит матричный синтез мРНК с участка ДНК — структурного гена, несущего информацию о белке. Синтез белка в соответствии с записанной на зрелой мРНК информацией (трансляция) проходит на рибосомах, куда молекулами тРНК доставляются аминокислоты. Правильность трансляции обеспечивается тем, что молекула тРНК, обладающая определенным антикодоном, может связываться только с определенной аминокислотой. Кодоны мРНК последовательно распознаются антикодонами тРНК, а связанные с этими тРНК аминокислоты соединяются друг с другом, формируя белок.

• Что такое генетический код?
• Как устроены тРНК?
• Как происходит синтез белка на рибосоме?
• К чему приводит преобразование генетической информации?
• Почему носителями генетической информации являются именно нуклеиновые кислоты?