§ 7. Хранение и использование информации

Определения и обозначения

Наследственная информация — сведения о признаках организма, записанные в последовательности нуклеотидов ДНК. Нуклеотиды — звенья молекулы ДНК, обозначаемые буквами А, Т, Г и Ц. Порядок этих звеньев служит записью, которую клетка может копировать и использовать. Благодаря такой записи особенности организма могут передаваться потомству.

Ген — участок ДНК, содержащий информацию о синтезе определённой молекулы РНК или белка. Иными словами, ген — не отдельная молекула, а часть длинной молекулы ДНК. Клетка использует запись гена как инструкцию для создания нужной молекулы. Поэтому гены связаны с работой клеток и формированием признаков.

ДНК — молекула, которая хранит наследственную информацию. Она состоит из двух цепей, соединённых парами комплементарных нуклеотидов: А соединяется с Т, а Г — с Ц. Цепи дополняют друг друга, словно две части одной записи. Это строение помогает и хранить информацию, и восстанавливать её копию.

Генетический код — соответствие между триплетами нуклеотидов и аминокислотами, из которых строится белок. Триплет — последовательность из трёх нуклеотидов; в информационной РНК такой триплет называют кодоном. Код нужен клетке, чтобы перевести запись из нуклеотидов в последовательность аминокислот. Именно порядок аминокислот влияет на строение белка.

Как это устроено

ДНК может хранить наследственную информацию долго, потому что запись задаётся порядком её нуклеотидов, а не кратковременным состоянием клетки. Молекула состоит из двух цепей, и каждая буква одной цепи соответствует определённой букве другой. Связь между цепями удерживает их вместе, но позволяет разъединить их, когда клетке нужно скопировать запись. Двойная цепь также помогает исправлять некоторые повреждения: уцелевшая часть может подсказать, какой нуклеотид должен находиться напротив неё.

Перед делением клетки ДНК копируется, чтобы дочерние клетки получили наследственную информацию. Две исходные цепи расходятся, и к каждой достраивается новая: напротив А встаёт Т, напротив Г — Ц. Так для каждой цепи получается её комплементарная копия, а последовательность букв сохраняется. Если бы нуклеотиды соединялись случайно, копии чаще отличались бы от исходной записи.

Информация с нужного участка ДНК переписывается в информационную РНК, или иРНК. При этом цепь ДНК служит матрицей, то есть образцом для подбора нуклеотидов РНК; в РНК вместо тимина используется урацил. Полученная иРНК переносит копию записи к рибосоме, где происходит синтез белка. ДНК при этом остаётся храниться в клетке, а для работы используется копия только нужного участка.

Рибосома считывает иРНК не по одной букве, а триплетами — группами по три нуклеотида. Каждый такой кодон соответствует аминокислоте или сигналу, связанному с началом и окончанием синтеза. Транспортные РНК распознают кодоны и доставляют к рибосоме подходящие аминокислоты. Рибосома соединяет их в порядке, заданном иРНК, и получается белок с определённой последовательностью аминокислот.

Если в ДНК меняется нуклеотид, при переписывании может измениться кодон и аминокислота в белке. Тогда могут измениться строение белка, его работа и связанный с ним признак организма. Однако замена иногда не влияет на аминокислоту либо не нарушает работу белка. Поэтому последствия зависят от того, где произошло изменение и как оно отразилось на молекуле.

Молекулы и этапы хранения и использования наследственной информации

Читайте таблицу сверху вниз как путь от хранения записи к её использованию. Для каждого объекта можно проверить, где он находится и какую задачу выполняет. Последний столбец помогает не путать копирование ДНК, перенос записи и сборку белка: это связанные, но разные процессы.

Разбор задач

Задача 1

Условие. В фрагменте одной цепи ДНК записана последовательность А–Т–Г–Ц. Запишите последовательность комплементарной цепи. Нужно подобрать к каждому нуклеотиду пару, а не повторить исходную последовательность. Для этого используем правила А—Т и Г—Ц.

1. Записываем исходные нуклеотиды по порядку: А, Т, Г, Ц.
2. Для А подбираем Т, а для Т — А.
3. Для Г подбираем Ц, а для Ц — Г; порядок букв сохраняем.

Ответ: Т–А–Ц–Г. Проверка проста: каждая буква в новой цепи должна образовать правильную комплементарную пару с буквой напротив.

Задача 2

Условие. Дана цепь ДНК: А–Т–Г–Ц–Ц–А. Запишите последовательность иРНК, синтезированной на комплементарной ей цепи ДНК. Важно прочитать формулировку точно: дана цепь, комплементарная матрице, на которой будет строиться РНК. Поэтому иРНК совпадёт с данной цепью по буквам, кроме замены Т на У.

1. Отмечаем, что указанная цепь ДНК не служит матрицей для синтеза в условии: матрицей является комплементарная ей цепь.
2. При подборе РНК к матричной цепи получаются буквы, соответствующие исходной цепи ДНК.
3. Заменяем в результате тимин на урацил, которого нет в РНК.

Ответ: А–У–Г–Ц–Ц–А. Если бы в условии была дана именно матричная цепь, пришлось бы подбирать к каждой её букве пару РНК: А—У, Т—А, Г—Ц, Ц—Г.

Задача 3

Условие. В гене произошла замена одного нуклеотида. Объясните возможную цепочку последствий от изменения ДНК до изменения признака. Проследим, как запись проходит путь от гена к белку, но учтём, что результат не обязательно будет заметен. Изменение может повлиять на молекулы, но на каждом шаге возможны разные последствия.

1. Замена меняет последовательность нуклеотидов ДНК в гене.
2. При переписывании может измениться один кодон иРНК.
3. Изменённый кодон может задавать другую аминокислоту, а может оставить прежнюю.
4. Если меняется аминокислотный состав, могут измениться строение или работа белка.
5. Изменение работы белка может повлиять на признак, если этот белок участвует в его формировании.

Ответ: возможная цепочка — изменение ДНК → изменение кодона РНК → изменение аминокислоты → изменение белка → изменение признака. Но замена нуклеотида не всегда меняет аминокислоту или работу белка, поэтому заметное изменение признака не гарантировано.

Типичные ошибки

Ошибка — считать ген отдельной молекулой. Так можно подумать, потому что ген называют единицей наследственной информации, но ген занимает только участок молекулы ДНК. Проверяйте себя вопросом: из чего состоит хромосома и где на ней расположен ген? Ген — часть ДНК, а хромосома содержит длинную молекулу ДНК с множеством участков.

Ошибка — путать пары нуклеотидов или считать, что в РНК есть тимин. При запоминании букв легко поменять соответствия местами, а РНК похожа на ДНК по способу записи. Сверяйте каждую пару отдельно: в ДНК А—Т и Г—Ц, а в РНК вместо Т используется У. При построении РНК от матрицы ДНК помните: напротив А ставится У, напротив Т — А, напротив Г — Ц, напротив Ц — Г.

Ошибка — говорить, что иРНК переносит белок. Возможно, путаница возникает из-за слов «информационная РНК» и «синтез белка», которые описывают соседние этапы. На деле иРНК переносит запись о строении белка, а аминокислоты доставляют транспортные РНК. Проверьте себя: рибосома считывает нуклеотиды иРНК, а не готовую белковую молекулу.

Ошибка — утверждать, что любая замена нуклеотида обязательно меняет признак. Замена действительно может изменить кодон, но не всякий новый кодон задаёт другую аминокислоту, и не всякое изменение белка заметно для организма. Проверяйте всю цепочку: изменилась ли аминокислота, повлияло ли это на работу белка и связан ли белок с данным признаком? Без этих шагов вывод о неизбежном изменении признака делать нельзя.

Связь с другими темами

Чтобы понять хранение информации, нужно знать строение клетки, роль ядра и представлять, что хромосомы содержат ДНК. Разбор цепей опирается на знания о нуклеотидах и комплементарности оснований. Связь между генами и белками пригодится при изучении наследственности и изменчивости: она помогает объяснить, как изменение ДНК может отразиться на работе организма. Эти знания также используют, когда разбирают причины некоторых наследственных заболеваний.

Что запомнить

• ДНК хранит наследственную информацию в последовательности нуклеотидов.
• Ген — участок ДНК с информацией о синтезе РНК или белка.
• Комплементарность цепей ДНК помогает копировать наследственную информацию.
• Информационная РНК переносит запись с ДНК к рибосоме.
• Рибосома считывает РНК триплетами, а транспортные РНК доставляют аминокислоты.
• Последовательность аминокислот определяет строение белка.
• Изменение ДНК может повлиять на белок и признаки организма, но не всегда приводит к заметным последствиям.