§ 29. Реализация наследственной информации

Определения и обозначения

Реализация наследственной информации — использование сведений, записанных в ДНК, для синтеза РНК и белков, определяющих признаки организма. Иными словами, клетка не просто хранит последовательность нуклеотидов, а использует её как инструкцию. Это понятие связывает работу генов с появлением молекул, которые строят клетку и обеспечивают её функции.

Транскрипция — синтез молекулы РНК на матрице одной из цепей ДНК. В процессе последовательность ДНК служит образцом для построения РНК по принципу комплементарности. Транскрипция нужна, чтобы перенести информацию конкретного гена в форму, которую клетка может использовать дальше.

Трансляция — синтез белка на рибосоме по последовательности кодонов матричной РНК. Кодон — это три соседних нуклеотида мРНК, задающих аминокислоту или сигнал остановки. Во время трансляции запись нуклеотидов превращается в последовательность аминокислот, из которой формируется белок.

Генетический код — система соответствия между триплетами нуклеотидов матричной РНК и аминокислотами. Благодаря этому соответствию рибосома может определить, какую аминокислоту добавить при чтении каждого кодона. Знание генетического кода позволяет предсказать состав белковой цепи по последовательности мРНК.

Как это устроено

Наследственная информация хранится в порядке нуклеотидов ДНК, но сама ДНК не участвует непосредственно в сборке белка на рибосоме. Поэтому клетка сначала создаёт копию нужного участка — матричную РНК, или мРНК. Копируется не вся молекула ДНК, а информация конкретного гена, благодаря чему клетка может использовать только нужные ей инструкции.

При транскрипции фермент РНК-полимераза движется вдоль матричной цепи ДНК и подбирает к её нуклеотидам комплементарные нуклеотиды РНК. Напротив аденина ДНК в РНК встаёт урацил, а не тимин, поскольку урацил характерен для РНК. В результате получается молекула, несущая информацию о гене и пригодная для дальнейшего считывания. Для конкретного гена матрицей служит одна цепь ДНК, поэтому копии обеих цепей одновременно не образуются.

После синтеза мРНК направляется к рибосоме — клеточной структуре, на которой собираются белки. Сама мРНК несёт последовательность кодонов, а транспортные РНК доставляют к рибосоме аминокислоты. Каждая тРНК имеет антикодон, который комплементарен соответствующему кодону мРНК. Благодаря этому совпадению к растущей цепи поступает именно та аминокислота, которая указана в генетической записи.

Во время трансляции рибосома последовательно перемещается по мРНК и считывает её по три нуклеотида. По каждому кодону определяется нужная аминокислота, и рибосома соединяет её с предыдущей, удлиняя полипептидную цепь. Когда рибосома достигает стоп-кодона, сигнализирующего о завершении, сборка прекращается. Получившаяся цепь затем может свернуться и стать функциональным белком.

Синтезированные белки выполняют в клетке разные задачи: одни входят в состав её структур, другие участвуют в химических реакциях или обеспечивают транспорт веществ. Поэтому использование генетической информации связано с проявлением признаков организма. При этом не все гены работают постоянно: активность генов регулируется и зависит от условий и потребностей клетки. Так клетка использует нужные белки в нужное время.

Сравнение транскрипции и трансляции

Чтобы различить процессы, сначала выясните, какая матрица используется и какой продукт получается. Если по ДНК строится РНК, это транскрипция; если по мРНК собирается полипептид — трансляция. Указание на рибосому, тРНК или аминокислоты обычно говорит о трансляции.

Разбор задач

Задача 1. Укажите процесс, который позволяет получить молекулу РНК по участку ДНК, и назовите участвующий фермент. Нужно определить, какой продукт образуется непосредственно по матрице ДНК. Затем связать образование этого продукта с ферментом, который подбирает нуклеотиды РНК. Не следует путать этот этап со сборкой белка на рибосоме.

1. По условию продуктом является РНК, а матрицей — участок ДНК.
2. Синтез РНК на матрице ДНК называется транскрипцией.
3. Фермент, который осуществляет этот синтез, — РНК-полимераза.

Ответ: транскрипция; фермент — РНК-полимераза.

Задача 2. Для кодирующей цепи ДНК 5′-АТГ ГЦЦ ТАА-3′ определите последовательность мРНК, если она соответствует этой цепи с заменой тимина на урацил. Здесь важно не строить комплементарную цепь: в условии названа именно кодирующая цепь и прямо указано, как получить последовательность мРНК. Записываем её в том же направлении и заменяем все Т на У.

1. Переписываем кодирующую цепь без изменения порядка: АТГ ГЦЦ ТАА.
2. Заменяем тимин (Т) на урацил (У): АУГ ГЦЦ УАА.
3. Сохраняем направление записи 5′→3′ и разделение на триплеты.

Ответ: 5′-АУГ ГЦЦ УАА-3′.

Задача 3. Фрагмент мРНК имеет последовательность 5′-АУГ ГЦЦ УАА-3′. Определите аминокислоты и укажите, где прекращается трансляция. Сначала разделяем последовательность на три кодона, затем обращаемся к таблице генетического кода. Последний кодон нужно проверить отдельно: он может обозначать не аминокислоту, а остановку.

1. Разбиваем мРНК на кодоны: АУГ, ГЦЦ, УАА.
2. По таблице генетического кода определяем: АУГ задаёт метионин, ГЦЦ — аланин.
3. УАА — стоп-кодон, поэтому он не добавляет аминокислоту и завершает трансляцию.

Ответ: метионин — аланин; трансляция прекращается при достижении кодона УАА.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что при транскрипции копируются обе цепи ДНК. Для конкретного гена матрицей служит только одна цепь, а другая не используется для построения этой молекулы РНК. Путаница возникает из-за того, что ДНК состоит из двух цепей. Проверка: уточните, какая цепь названа матричной, и проследите, строится ли РНК по одной последовательности.

Ошибка: путать транскрипцию и трансляцию. Названия похожи, но транскрипция даёт РНК по ДНК, а трансляция — полипептид по мРНК. Их смешивают, когда помнят общий смысл «синтеза», но забывают, что именно синтезируется. Проверка: назовите матрицу и продукт процесса — этого достаточно, чтобы его определить.

Ошибка: считать, что кодоны находятся на транспортной РНК. Кодоны считываются на мРНК, а тРНК несёт аминокислоту и антикодон. Ошибка возникает, потому что обе молекулы РНК участвуют в трансляции. Проверка: спросите себя, какая молекула содержит последовательность, которую читает рибосома, — это мРНК.

Ошибка: считать генетический код неоднозначным. Один кодон задаёт одну аминокислоту или сигнал остановки, хотя одну аминокислоту могут обозначать несколько разных кодонов. Путаница появляется, если принять несколько кодонов для одной аминокислоты за обратное соответствие. Проверка: различайте утверждения «кодон — аминокислота» и «аминокислота — кодон»: второе соответствие может быть множественным.

Связь с другими темами

Для понимания реализации наследственной информации нужны знания о строении ДНК и РНК, составе нуклеотида и принципе комплементарности. Эта тема показывает, как работа генов приводит к синтезу белков и связывает генотип с признаками организма. Она также помогает разбирать последствия мутаций: изменение последовательности ДНК может повлиять на мРНК и состав белка. Транскрипция и трансляция важны для изучения регуляции активности генов и биотехнологий.

Что запомнить

• ДНК хранит наследственную информацию.
• При транскрипции на матрице ДНК синтезируется РНК.
• В РНК вместо тимина содержится урацил.
• Трансляция происходит на рибосоме по матричной РНК.
• Кодон — три последовательных нуклеотида матричной РНК.
• Транспортная РНК доставляет аминокислоты к рибосоме.
• Стоп-кодон завершает трансляцию.