Реакции матричного синтеза (синтез белка в клетке). Теория к ЕГЭ по биологии

КЭС 2.5 Реакции матричного синтеза. Принцип комплементарности в реакциях матричного синтеза. Реализация наследственной информации. Генетический код, его свойства. Транскрипция – матричный синтез РНК. Принципы транскрипции: комплементарность, антипараллельность, асимметричность. Трансляция и её этапы. Участие транспортных РНК в биосинтезе белка. Условия биосинтеза белка. Кодирование аминокислот. Роль рибосом в биосинтезе белка. Организация генома у прокариот и эукариот. Регуляция активности генов у прокариот. Гипотеза оперона (Ф. Жакоб, Ж. Мано). Регуляция обменных процессов в клетке. Клеточный гомеостаз. Вирусы – неклеточные формы жизни и облигатные паразиты. Строение простых и сложных вирусов, ретровирусов, бактериофагов. Вирусные заболевания человека, животных, растений. СПИД, COVID-19, социальные и медицинские проблемы.
Теория соответствует ключам ФИПИ.

Вся информация о строении и жизнедеятельности клетки хранится в ДНК. Наследственная информация – это информация о строении белка (информация о том, какие аминокислоты в каком порядке соединять при синтезе первичной структуры белка).

Ген – участок молекулы ДНК, кодирующий информацию о первичной структуре белка. Эта информация записана в ДНК и РНК генетическим кодом из 4 нуклеотидов: А, Т (У), Г, Ц.

Генетический код – система записи информации о последовательности аминокислот в белке через последовательность нуклеотидов в ДНК и РНК.

Свойства кода:

1. Триплетность – каждая аминокислота кодируется тремя нуклеотидами (=триплет, кодон)
- существует 64 варианта триплета, из них 61 – смысловые (кодируют аминокислоты), а ещё 3 – «стоп-кодоны», которые ничего не кодируют, а служат «точками» при синтезе белка, то есть останавливают синтез.

2. Вырожденность  – одну аминокислоту могут кодировать несколько триплетов (от 1 до 6)
- это связано с тем, что аминокислот всего 20, а вариантов триплетов – 64

3. Специфичность (однозначность) – один триплет одновременно кодирует только одну аминокислоту

4. Непрерывность – нет пробелов, триплеты считываются друг за другом

5. Неперекрываемость – один и тот же нуклеотид не может входить в два соседних триплета одновременно

6. Универсальность – генетический код един для всех живых организмов

3 нуклеотида = 1 триплет = 1 аминокислота = 1 тРНК

Генетический код (иРНК) (таблица из ЕГЭ)

Как пользоваться таблицей. Первый нуклеотид в кодоне берется из левого столбца, второй - из верхней строки, третий - из правого столбца. На пересечении всех трех линий берем искомую аминокислоту.

Имейте в виду, что стоп-кодоны в последовательности аминокислот на ЕГЭ писать нельзя (ответ Рохлова).

Реакции матричного синтеза

Чтобы информация из ДНК была реализована и передавалась новым поколениям, её нужно копировать и переносить – для этого есть реакции матричного синтеза: репликация, транскрипция и трансляция

ДНК служит матрицей для синтеза иРНК, иРНК служит матрицей для синтеза белка.

1) Репликация – процесс удвоения ДНК, т.е. синтез ДНК по матрице ДНК, нужна, чтобы все дочерние организмы получили тот же объём наследственной информации

2) Транскрипция  – синтез РНК по матрице ДНК (переписывание информации с ДНК на РНК). Все виды РНК синтезируются в ядре и в дальнейшем участвуют синтезе белка:
- иРНК (информационная, матричная) является копией гена ДНК и будет служить матрицей для синтеза белка,
- тРНК (транспортная) приносит аминокислоты к месту синтеза белка,
- рРНК (рибосомная) входит в состав рибосом

3) Трансляция - синтез белка по матрице иРНК

РЕПЛИКАЦИЯ  происходит в ядре

Этапы:

  1) Инициация:
   • Фермент хеликаза расплетает двойную спираль ДНК, разрывая водородные связи между цепочками
   • Так образуется «репликационная вилка» - теперь обе цепи открыты для работы следующих ферментов
   • Одна из цепей будет «ведущей цепью», а другая – «отстающей» (почему так – смотри далее)

  2) Элонгация:
   • Короткий фрагмент РНК используется как праймер – затравка для синтеза ДНК (нужно с чего-то начать)
   • Фермент ДНК-полимераза присоединяется к праймеру и начинает строить дочернюю цепочку ДНК считывая информацию с материнской матричной цепочки
   На этом этапе один за другим добавляются нуклеотиды, комплементарные материнской цепи

  3) Терминация - остановка репликации

Результат: молекула ДНК удвоилась

Принципы репликации:

1) Комплементарность – каждая цепь ДНК комплементарна последовательности нуклеотидов другой цепи (А == Т, Г == Ц)

2) Полуконсервативность – т.к. исходная материнская цепь ДНК делится на две, то каждая из них будет служить матрицей для синтеза новой цепи -> новые готовые молекулы ДНК будут содержать одну исходную материнскую и одну новую цепь.

3) Антипараллельность - напротив 3′-конца (свободная -OH группа) одной цепи всегда находится 5′-конец другой (свободный остаток фосфорной кислоты).

4) Челночный синтез – ДНК-полимераза, которая строит новую цепь, строит её всегда в направлении от 5’-конца к 3’-концу: это значит, что синтез на одной цепи идёт непрерывно, а на другой – фрагментами в обратном направлении (ДНК-полимераза вынуждена перескакивать назад); затем эти фрагменты сшиваются в непрерывную цепь специальным ферментом.

Схема репликации ДНК

ТРАНСКРИПЦИЯ  происходит в ядре

Этапы:

1) Инициация: фермент РНК-полимераза присоединяется к определенной стартовой зоне на ДНК (к промотору)

2) Под действием специальных белков этот участок спирали ДНК раскручивается ⇒ одна из цепей ДНК освобождается для того, чтобы стать матрицей для синтеза РНК

3) Элонгация: РНК-полимераза соединяет нуклеотиды в цепочку РНК-копии по принципу комплементарности (информация с ДНК переписывается на ДНК)

4) Процесс удлинения продолжается до стоп-кодона, который прекращает работу РНК-полимеразы

5) Терминация: РНК-полимераза отделяется, РНК-копия освобождается, ДНК восстанавливает свою двойную спираль

Схема транскрипции

Ц А Г Г Т Ц Т А Ц - участок молекулы ДНК
Г У Ц Ц А Г А У Г- участок молекулы иРНК

Транскрипция, схема с ЕГЭ (фермент РНК-полимераза, синтезируемая молекула - все типы РНК, тип мономеров, используемых для синтеза - рибонуклеотиды)

У прокариот сразу после транскрипции начинается трансляция (синтез белка). Это связано с тем, что у них вся ДНК – смысловая (несёт информацию о белке)

У эукариот ДНК разбита на участки, не кодирующие ничего (интроны), и на смысловые участки, кодирующие белок (экзоны). Поэтому между транскрипцией и трансляцией у них есть этап – процессинг. Затем иРНК выходит из ядра в цитоплазму (только 5% иРНК выходят в цитоплазму и используются для трансляции).

Процессинг (сплайсинг) – вырезание интронов и сшивание экзонов, при этом из пре-иРНК получается зрелая иРНК

Упрощенная схема процессинга мРНК эукариот для ЕГЭ

ТРАНСЛЯЦИЯ (синтез белка по матрице иРНК) происходит в цитоплазме – на рибосомах

Органоид, участвующий в синтезе белков - рибосома

Предварительно каждый антикодон тРНК связывается со своей аминокислотой в цитоплазме и переносит её к рибосоме

Этапы:

1) Инициация: происходит сборка рибосомы: иРНК садится на малую субъединицу рибосомы и накрывается большой субъединицей

2) В рибосому входит первая тРНК с первой аминокислотой и садится на комплементарный ей участок иРНК (антикодон тРНК к кодону иРНК)

3) Элонгация: в рибосому входит новая тРНК с новой аминокислотой

4) Аминокислоты соединяются пептидной связью, так постепенно растёт полипептидная цепочка

5) Терминация: рибосома доходит до стоп-кодона иРНК ⇒ трансляция заканчивается, рибосома распадается, готовый белок оказывается в цитоплазме

Строение тРНК

Схема трансляции

Схема трансляции с ЕГЭ (перевод последовательности нуклеотидов молекулы иРНК в последовательность аминокислот молекулы белка)

Cхема с ЕГЭ,  синтез белка в клетке эукариот

Cхема с ЕГЭ, синтез белка в клетке прокариот

Cхема с ЕГЭ, 1 -  транскрипция, 2 - трансляция, конечный продукт - полипептид

Cхема с ЕГЭ, синтез белка