25. Молекулярная природа гена. Удвоение ДНК. Транскрипция

Определения и обозначения

Ген — участок молекулы ДНК, содержащий информацию о структуре определённой РНК или белка. Иными словами, это фрагмент записи наследственной программы клетки. Понимание гена нужно, чтобы связать последовательность нуклеотидов с признаками организма и синтезом веществ.

Репликация ДНК — процесс удвоения молекулы ДНК перед делением клетки. При нём исходная молекула служит образцом для создания двух одинаковых молекул. Это необходимо, чтобы каждая дочерняя клетка получила полный набор наследственной информации.

Транскрипция — синтез молекулы РНК на матрице одной из цепей ДНК. В ходе процесса информация с нужного гена переписывается в форму, удобную для дальнейшего использования клеткой. Так начинается реализация наследственной информации, например подготовка к синтезу белка.

Матричная цепь — цепь ДНК, последовательность нуклеотидов которой используется для построения комплементарной цепи или РНК. Её нуклеотиды задают порядок включения новых нуклеотидов. Термин помогает определить, с какой именно цепью нужно работать при решении задач на транскрипцию.

Как это устроено

ДНК является носителем наследственной информации, потому что порядок её нуклеотидов образует код признаков организма. Разные последовательности могут задавать разные белки или молекулы РНК, а белки влияют на строение и работу клеток. Поэтому изменение порядка нуклеотидов способно изменить наследственный признак.

Двойная спираль и комплементарность оснований делают копирование ДНК точным. Каждому аденину напротив подходит тимин, а каждому гуанину — цитозин, поэтому последовательность одной цепи однозначно определяет последовательность другой. После разъединения цепей свободные нуклеотиды подбираются к ним как детали к образцу.

Во время репликации две исходные цепи расходятся, и каждая становится матрицей для новой цепи. Так формируются две дочерние молекулы, в каждой из которых одна цепь старая, а другая вновь синтезированная. Такой способ называют полуконсервативным: половина исходной молекулы сохраняется в каждой копии.

Транскрипция начинается с раскручивания небольшого участка ДНК, где расположен нужный ген. Фермент определяет матричную цепь и присоединяет к ней нуклеотиды РНК по принципу комплементарности: А—У, Т—А, Г—Ц, Ц—Г. Получившаяся цепь РНК отделяется, а участок ДНК снова замыкается.

Репликация нужна для передачи полного набора генов дочерним клеткам, а транскрипция — для использования информации отдельного гена. В репликации участвуют обе цепи всей молекулы, продуктом становятся две молекулы ДНК. В транскрипции работает одна цепь определённого участка, продуктом является РНК, причём в ней вместо тимина используется урацил.

Сравнение репликации ДНК и транскрипции

Таблицу удобно использовать, если нужно быстро найти отличие двух процессов по конкретному признаку. Сначала определите назначение процесса, затем сравните матрицу и продукт. Особое внимание обращайте на тимин в ДНК и урацил в РНК.

Разбор задач

Задача 1

Условие: определить последовательность второй цепи ДНК, если фрагмент первой имеет вид А–Т–Г–Ц–Ц–А. Здесь обе цепи относятся к ДНК, поэтому для них действует правило А—Т и Г—Ц. Нужно под каждым нуклеотидом подобрать его пару.

1. Для А первой цепи записываем Т во второй.
2. Для Т записываем А, для Г — Ц, для Ц — Г.
3. Последовательно повторяем подбор для всех позиций, не меняя порядок нуклеотидов.

Ответ: Т–А–Ц–Г–Г–Т. Проверка проста: в каждой позиции стоят комплементарные основания.

Задача 2

Условие: фрагмент ДНК содержит 20% аденина. Нужно определить долю тимина, гуанина и цитозина. В двуцепочечной ДНК аденин соединяется с тимином, а гуанин — с цитозином.

1. По правилу Чаргаффа доля тимина равна доле аденина: Т = 20%.
2. На А и Т вместе приходится 40%, значит, на Г и Ц остаётся 60%.
3. Так как Г = Ц, каждое из этих оснований составляет 60% : 2 = 30%.

Ответ: тимин — 20%, гуанин — 30%, цитозин — 30%. Сумма 20% + 20% + 30% + 30% = 100%, значит, расчёт согласуется с условием.

Задача 3

Условие: по заданной матричной цепи ДНК записать последовательность иРНК и объяснить этапы транскрипции. Работать нужно именно с матричной цепью, поскольку она задаёт последовательность будущей РНК.

1. Участок ДНК раскручивается, и цепи временно расходятся.
2. РНК-полимераза считывает матричную цепь в определённом направлении.
3. К основаниям ДНК подбираются нуклеотиды РНК: А—У, Т—А, Г—Ц, Ц—Г.
4. Готовая иРНК отделяется, а ДНК снова соединяет свои цепи.

Ответ: последовательность иРНК получают комплементарной матричной цепи, обязательно заменяя пару А—Т на А—У. Если дана, например, матричная цепь Т–А–Ц–Г, иРНК будет А–У–Г–Ц.

Типичные ошибки

Тимин в РНК. Ошибка возникает, когда правила для ДНК механически переносят на РНК. Проверяйте молекулу: если это РНК, напротив аденина ставится урацил У.

Использование обеих цепей при транскрипции. Ученик может спутать транскрипцию с репликацией, потому что в обоих процессах ДНК раскручивается. Проверка: для одного гена матрицей является только одна цепь.

Нарушение порядка нуклеотидов. Комплементарность не означает произвольную перестановку букв, поэтому последовательность записывают позиция за позицией. Полезно ставить пары напротив исходных нуклеотидов и только потом переписывать ответ.

Неверный продукт репликации. Репликацию иногда называют способом синтеза РНК или белка, смешивая хранение и реализацию информации. Проверьте результат: после репликации образуются две молекулы ДНК.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о строении нуклеотида, составе ДНК и РНК, различиях между ними и принципе комплементарности. Без этого трудно правильно подбирать основания и различать тимин с урацилом.

Репликация объясняет, как наследственная информация передаётся при делении клеток, а транскрипция связывает ген с последующим синтезом белка. Поэтому тема служит основой для изучения генетического кода и реализации наследственности.

Эти знания понадобятся при изучении мутаций, клеточного цикла и биотехнологии. Ошибки копирования ДНК связаны с мутациями, а искусственное получение нужных РНК и белков используется в биотехнологических методах.

Что запомнить

• Ген представляет собой участок ДНК с наследственной информацией.
• Комплементарность оснований обеспечивает точность копирования ДНК.
• Репликация приводит к образованию двух молекул ДНК.
• Каждая дочерняя ДНК содержит одну материнскую и одну вновь синтезированную цепь.
• Транскрипция — это синтез РНК на матрице ДНК.
• При транскрипции в РНК вместо тимина используется урацил.
• Репликация сохраняет наследственную информацию, а транскрипция обеспечивает её реализацию.