Транскрипция. 
Характеристика нуклеиновых кислот

Транскрипция — биосинтез РНК на матрице ДНК. Процесс транскрипции также происходит в клеточном ядре. Основные принципы транскрипции:

• · комплементарность — синтезируемые цепи комплементарны матрице;
• · антипараллельность — 5'-конец синтезируемой полинуклеотидной цепи находится напротив 3'-конца матрицы и наоборот;
• · униполярность — синтез полинуклеотидных цепей происходит всегда в направлении 5' > 3';
• · беззатравочность — биосинтез РНК не требует наличия праймера;
• · асимметричность — синтез дочерней цепи идёт только на одной цепи ДНК-матрицы, вторая при этом блокирована.

Условия, необходимые для транскрипции:

• · Матрица — участок одной из цепей ДНК (рисунок 8.2, а);
• · ДНК-зависимая РНК-полимераза — главный фермент, участвующий в транскрипции. Место присоединения фермента к ДНК — промотор;
• · Субстраты и источники энергии — рибонуклеозидтрифосфаты (АТФ, ГТФ, УТФ, ЦТФ). Связываются с азотистыми основаниями транскрибируемой цепи ДНК водородными связями по принципу комплементарности.

При участии ДНК-зависимой РНК-полимеразы образуются 3', 5'-фосфодиэфирные связи. Направление полимеризации цепи РНК — от 5'-конца к 3'-концу. Сигналом к окончанию транскрипции служат терминирующие последовательности нуклеотидов (рисунок 8.2,б).

В результате образуются первичные транскрипты — предшественники мРНК, тРНК и рРНК. Затем происходит их посттранскрипционное созревание (процессинг).

Процессинг мРНК включает:

• · вырезание неинформативных участков — интронов (рисунок 8.2, в);
• · сращивание (сплайсинг) информативных участков — экзонов (рисунок 8.2, г);
• · защиту концевых участков от действия нуклеаз (рисунок 8.2, д):
• o присоединение 7-метилгуанилата («колпачок») к 5'-концу 5', 5'- фосфодиэфирной связью;
• o присоединение полиаденилового нуклеотида к 3'-концу.

Образующаяся мРНК поступает из ядра в цитоплазму клеток.

Обучающие задачи и эталоны их решения Задачи.

• 1. В молекуле ДНК адениловый нуклеотид составляет 35% от общего содержания нуклеотидов. Рассчитайте (в %) количество каждого из остальных нуклеотидов.
• 2. В препаратах ДНК, выделенных из двух видов микроорганизмов, содержание тимина составляет соответственно 29 и 16% от общего содержания оснований. Рассчитайте процентное содержание аденина, гуанина и цитозина в этих препаратах ДНК. Какая из ДНК будет более устойчивой к действию высоких температур?

Эталоны решения.

• 1. Согласно правилам Чаргаффа, количество аденина в ДНК равно количеству тимина. Поэтому содержание тимидилового нуклеотида также составляет 35%. На долю остальных нуклеотидов приходится 100% - (35×2)% = 30%. Количество гуанина в ДНК равняется количеству цитозина, поэтому содержание каждого из них — 30%: 2 = 15%. Итак, А = 35%, Г = 15%, Ц = 15%, Т = 35% (см. 3.4.).
• 2. Согласно правилам Чаргаффа, содержание оснований в первом препарате ДНК составляет: А = 29%, Г = 21%, Ц = 21%; во втором препарате — А = 16%, Г = 34%, Ц = 34%, очевидно, что содержание пар Г — Ц во втором препарате значительно выше. Поэтому данная молекула ДНК более устойчива к действию температуры (см. 3.4.).

Биологическая роль нуклеиновых кислот. Название «нуклеиновые кислоты» происходит от латинского слова «нуклеус», т. е. ядро: они впервые были обнаружены в клеточных ядрах. Биологическое значение нуклеиновых кислот очень велико. Они играют центральную роль в хранении и передаче наследственных свойств клетки, поэтому их часто называют веществами наследственности. Известно, что любая клетка возникает в результате деления материнской клетки. При этом дочерние клетки наследуют свойства материнской. Свойства же клетки определяются главным образом ее белками. Нуклеиновые кислоты обеспечивают в клетке синтез белков, точно таких же, как в материнской клетке.

Существуют два вида нуклеиновых кислот дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновая кислота (РНК).

Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК). Роль хранителя наследственной информации у всех клеток — животных и растительных — принадлежит ДНК. Схема строения ДНК изображена на рисунке [74]. Молекула ДНК представляет собой две спирально закрученные одна вокруг другой нити. Ширина такой двойной спирали ДНК невелика, около 2 нм. Длина же ее в десятки тысяч раз больше — она достигает сотен тысяч нанометров. Между тем самые крупные белковые молекулы в развернутом виде достигают в длину не более 100−200 нм. Таким образом, вдоль молекулы ДНК могут быть уложены одна за другой тысячи белковых молекул. Молекулярная масса ДНК соответственно исключительно велика — она достигает десятков и даже сотен миллионов.

Рис. Схема строения ДНК (двойная спираль)

Обратимся к структуре ДНК. Каждая нить ДНК представляет собой полимер, мономерами которого являются нуклеотиды. Нуклеотид это химическое соединение остатков трех веществ: азотистого основания, углевода (моносахарида — дезоксирибозы) и фосфорной кислоты. ДНК всего органического мира образованы соединением четырех видов нуклеотидов. Их структуры приведены на рисунке [75]. Как видно, у всех четырех нуклеозидов углевод и фосфорная кислота одинаковы.

Рис. Четыре нуклеотида, из которых построены все ДНК живой природы

Нуклеотиды отличаются только по азотистым основаниям, в соответствии с которыми их называют: нуклеотид с азотистым основанием аденин (сокращенно А), нуклеотид с гуанином (Г), нуклеотид с тимином (Т) и нуклеотид с цитозином (Ц). По размерам, А ранен Г, а Т равен Ц; размеры, А и Г несколько больше, чем Т и Ц.

Соединение нуклеотидов в нити ДНК происходит через углевод одного нуклеотида и фосфорную кислоту соседнего. Они соединяются прочной ковалентной связью [76].

Рис. Соединение нуклеотидов в полинуклеотидную цепь

Итак, каждая нить ДНК представляет собой полинуклеотид. Это длинная цепь, в которой в строго определенном порядке расположены нуклеотиды.

Рассмотрим теперь, как располагаются относительно друг друга нити ДНК, когда образуется двойная спираль, и какие силы сдерживают их рядом. Представление об этом дает рисунок 77, на котором изображен небольшой участок двойной спирали.

Рис. Участок двойной спирали ДНК

Как видно, азотистые основания одной цепи «стыкуются» с азотистыми основаниями другой. Основания подходят друг к другу настолько близко, что между ними возникают водородные связи.

В расположении стыкующихся нуклеотидов имеется важная закономерность, а именно: против, А одной цепи всегда оказывается Т на другой цепи, а против Г одной цепи — всегда Ц. Оказывается, что только при таком сочетании нуклеотидов обеспечивается, во-первых, одинаковое, но всей длине двойной спирали расстояние между цепями и, во-вторых, образование между противолежащими основаниями максимального числа водородных связей (три водородные связи между Г и Ц и две водородные связи между, А и Т). В каждом из этих сочетаний оба нуклеотида как бы дополняют друг друга. Слово «дополнение» на латинском языке «комплемент». Принято поэтому говорить, что Г является комплементарным Ц, а Т комплементарен А. Если на каком-нибудь участке одной цени ДНК один за другим следуют нуклеотиды А, Г, Ц, Т, А, Ц. Ц, то на противолежащем участке другой цепи окажутся комплементарные им Т, Ц, Г, А, Т, Г, Г. Таким образом, если известен порядок следования нуклеотидов в одной цени, то по принципу комплементарности сразу же выясняется порядок нуклеотидов в другой цени.

Большое число водородных связей обеспечивает прочное соединение нитей ДНК, что придает молекуле устойчивость и в то же время сохраняет ее подвижность: под влиянием фермента дезоксирибонуклеазы она легко раскручивается.

ДНК содержится в ядре клетки, а также в митохондриях и хлоропластах. В ядре ДНК входит в состав хромосом, где она находится в соединении с белками.

Удвоение ДНК. Принцип комплементарности, лежащий, а основе структуры ДНК, позволяет понять, как синтезируются новые молекулы ДНК незадолго перед делением клетки. Этот синтез обусловлен замечательной способностью молекулы ДНК к удвоению и определяет передачу наследственных свойств от материнской клетки к дочерним.

Рис. Удвоение ДНК

Как происходит удвоение ДНК, показано на рисунке 78. Двойная спираль ДНК под влиянием фермента начинает с одного конца раскручиваться, и на каждой цепи из находящихся в окружающей среде свободных нуклеотидов собирается новая цепь. Сборка новой цепи идет в точном соответствии с принципом комплементарности. Против каждого, А встает Т, против Г Ц и т. д. В результате вместо одной молекулы ДНК возникают две молекулы такого же точно нуклеотидного состава, как и первоначальная. Одна цепь в каждой вновь образовавшейся молекуле ДНК происходит из первоначальной молекулы, а другая синтезируется вновь.

Рибонуклеиновые кислоты (РНК). Структуры РНК сходны со структурами ДНК. РНК, как и ДНК, полинуклеотиды, но, в отличие от ДНК, молекула РНК одноцепочечная. Как и в ДНК, структура РНК создается чередованием четырех типов нуклеотидов, но состав нуклеотидов РНК несколько отличается от нуклеотидов ДНК, т. е. углевод в РНК не дезоксирибоза, а рибоза, отсюда и название РНК — рибонуклеиновая кислота. Кроме того, в РНК вместо азотистого основания тимина входит другое, близкое по строению основание, называемое урацилом (У).

В клетке имеется несколько видов РНК. Все они участвуют в синтезе белка. Первый вид — транспортные РНК (т-РНК). Это самые маленькие по размерам РНК. Они связывают аминокислоты и транспортируют их к месту синтеза белка. Второй вид — информационные РНК (и-РНК). По размерам они раз в 10 больше т-РНК. Их функция состоит в переносе информации о структуре белка от ДНК к месту синтеза белка. Третий вид — рибосомные РНК (р-РНК). Они имеют наибольшие размеры молекулы и входят в состав рибосом.

Урок по теме «Нуклеиновые кислоты. Их строение и функции» .

· Храмова Маргарита Юрьевна, преподаватель

Разделы: Преподавание биологии.

Цель: Сформулировать знания об особой роли нуклеиновых кислот в живой природе хранение и передаче наследственной информации. Охарактеризовать особенности строения молекул нуклеиновых кислот как биополимеров, локализацию этих кислот в клетке.

Задачи:

• · Образовательные: ввести понятие нуклеиновых кислот, раскрыть особенности их состава и строения, функций, познакомить с азотистыми основаниями и пространственной организацией ДНК и РНК, основными видами РНК, определить черты сходства и различия между РНК и ДНК, сформировать понятие об энергетическом веществе клетки — АТФ, изучить строение и функции этого вещества.
• · Развивающие: развивать умения сравнивать, оценивать, составлять общую характеристику нуклеиновых кислот, развитие воображения, логическое мышление, внимание и память.
• · Воспитывающие: воспитывать дух соревнования, коллективизма, точность и быстроту ответов; осуществлять эстетическое воспитание, воспитание правильного поведения на уроке, профориентация.

Новые знания: нуклеотид, комплементарность, хромосома, триплет, ген, транскрипция, трансляция, кодон, антикодон.

Опорные знания: белки, углеводы, липиды, стероиды, денатурация, ренатурация.

Форма проведения урока: урок.

Методы проведения урока: словесный, наглядный, логический.

Тип урока: урок усвоения новых знаний.

Оборудование: рисунки учебника, таблицы, модель ДНК.

Ход урока Актуализация чувственного опыта и опорных знаний учащихся На последних уроках мы изучали химический состав клетки. Скажите, существуют ли различия на химическом уровне между живой и неживой природой.

В чем они проявляются?

Перечислите органические вещества клетки.

Какие из них относятся к биологическим полимерам?

Перечислите функции, которые выполняют в клетке и в организме белки.

Объясните, почему пересаженные от одного организма ткани или органы отторгаются?

Установлено, что при достаточной калорийности пищи, но при отсутствии в ней белка у животных наблюдаются патологические явления: останавливается рост, изменяется состав крови и т. д. С чем это связано?

Мотивация Я думаю, что многие из вас слышали о расшифровке генома человека. У нас в России эта программа существует с 1989 г. Работая над этой программой, ученые преследовали возвышенную цель — прочесть книгу жизни, т. е. раскрыть всю наследственную информацию человека, ставили и ставят чисто практические задачи. Прежде всего, это относится к наследственным болезням (их насчитывают около 4000), которые являются тяжелым бременем для человеческого общества. Информация об исследованиях и новых открытиях генетиков звучит с экранов телевизоров, встречается на полосах газет. И не может современный человек, кем бы он ни был: слесарем, инженером, водителем или… не интересоваться, не задумываться над вопросами наследственности. Сейчас совершенно невозможно оставаться в стороне от обилия информации.

И сегодня на уроке мы с вами только прикоснемся к тайне генов и материальной основы наследственности.