§ 20. Наследственный аппарат клетки. Биосинтез ДНК

Определения и обозначения

Наследственный аппарат клетки — совокупность структур и молекул, в которых хранится и передаётся наследственная информация. Главная её молекула — ДНК, а хромосомы помогают организовать эту длинную молекулу внутри клетки. Благодаря наследственному аппарату клетка может сохранять сведения о своих свойствах и передавать их при делении.

Хромосома — компактно упакованная структура из ДНК и связанных с ней белков. Упаковка позволяет разместить длинную молекулу в ограниченном пространстве клетки и помогает защитить её от повреждений. При этом наследственный материал остаётся доступным для процессов, в которых клетке нужно считывать или копировать информацию.

Ген — участок ДНК, содержащий информацию о продукте или функции. Разные гены задают инструкции для образования определённых молекул или влияют на работу клеточных процессов. Наследственные признаки связаны с тем, какие варианты генов есть у организма и как они работают.

Репликация ДНК — процесс удвоения молекулы ДНК перед делением клетки. При репликации создаются копии наследственной информации, чтобы после деления каждая дочерняя клетка получила необходимый набор. Точность копирования помогает сохранять признаки и функции клеток.

Как это устроено

ДНК состоит из двух цепей, а её участки-гены несут отдельные инструкции. В клетке молекула ДНК связана с белками и упакована в хромосомы, поэтому её длина не мешает размещению наследственного материала. Такая организация также позволяет удерживать молекулу в упорядоченном состоянии и делает возможным её копирование перед делением.

Перед удвоением цепи исходной ДНК должны разделиться, потому что каждая из них станет матрицей — образцом для построения новой цепи. Последовательность новой цепи определяется комплементарностью: напротив А присоединяется Т, а напротив Г — Ц. Если бы цепи не разошлись, ферменты не смогли бы использовать их основания как образец для подбора новых нуклеотидов.

Сначала двойная спираль расплетается, и связи между парными основаниями разрываются. В местах разделения цепей возникают репликативные вилки — участки, где раскрытая ДНК копируется. По мере продвижения вилок к каждой матричной цепи присоединяются комплементарные нуклеотиды, так что исходная последовательность служит основой для новой.

В репликации участвуют ферменты — белки, ускоряющие определённые реакции. Одни ферменты разделяют цепи, ДНК-полимераза подбирает и присоединяет нуклеотиды к растущей цепи, а другие ферменты соединяют её отдельные фрагменты. ДНК-полимераза может удлинять цепь только в направлении 5′→3′; из-за этого синтез на двух матричных цепях идёт по-разному, а на одной из них новая цепь собирается фрагментами.

В результате образуются две дочерние молекулы ДНК, и в каждой одна цепь остаётся исходной, а вторая синтезирована заново. Такой способ копирования называют полуконсервативным: часть исходной молекулы сохраняется в каждой копии. Поскольку порядок новых нуклеотидов задаётся матрицей и принципом комплементарности, наследственная информация передаётся с высокой точностью.

Участники и этапы биосинтеза ДНК

Читайте таблицу сверху вниз как последовательность основных событий: сначала открывается исходная ДНК, затем матрицы копируются с участием ферментов. Последняя строка показывает, к какому результату приводят эти этапы.

Разбор задач

Задача 1. В одной цепи ДНК записана последовательность А–Т–Г–Ц–Ц–А. Определите последовательность комплементарной цепи.

1. Запишите пары оснований: А—Т и Г—Ц.
2. Пройдите по матричной цепи слева направо и замените каждый нуклеотид его партнёром: напротив А будет Т, напротив Т — А.
3. Продолжите подбор для остальных оснований, сохраняя их порядок.

Ответ: Т–А–Ц–Г–Г–Т. Проверка простая: в каждой позиции стоят основания из комплементарной пары, а длина цепи не изменилась.

Задача 2. Фрагмент ДНК содержит 120 нуклеотидов в одной цепи. Сколько нуклеотидов нужно для построения комплементарной цепи и как определить их состав, если известна последовательность матрицы?

1. Для каждого нуклеотида матрицы нужен один нуклеотид в новой цепи.
2. Значит, число нуклеотидов в комплементарной цепи такое же, как в матричной: 120.
3. Чтобы установить состав, сопоставьте каждой букве матрицы её пару: А с Т, Т с А, Г с Ц, Ц с Г.

Ответ: нужно 120 нуклеотидов. Их конкретное количество каждого вида можно определить только по известной последовательности матрицы; общее число 120 не означает 120 пар оснований.

Задача 3. После репликации исходная молекула ДНК дала две дочерние. Укажите состав каждой дочерней молекулы и объясните, почему в обеих сохраняется исходная наследственная информация.

1. При разделении исходной молекулы каждая из двух родительских цепей становится матрицей.
2. К каждой матрице достраивается новая цепь, последовательность которой определяется комплементарными парами.
3. В результате одна исходная цепь оказывается в первой дочерней молекуле, другая — во второй; к каждой присоединена новая цепь.

Ответ: каждая дочерняя молекула состоит из одной родительской и одной новой цепи. Информация сохраняется, потому что новые цепи построены по матрицам и повторяют их исходный смысл благодаря правилам комплементарности.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что обе новые цепи строятся независимо от исходных. Так думают, если забывают, что для синтеза нужен образец; последовательность каждой новой цепи задаёт соответствующая матричная цепь. Проверьте себя: для каждой новой цепи можно указать цепь-матрицу, напротив которой подбирались нуклеотиды.

Комплементарность иногда путают с идентичностью цепей и записывают те же буквы напротив тех же оснований. Причина ошибки — представление, что копия должна буквально повторять матрицу, хотя в ДНК основания образуют пары А—Т и Г—Ц. Проверка: сравните каждую позицию двух цепей и убедитесь, что напротив А стоит Т, а напротив Г — Ц.

Неверно утверждать, что дочерняя молекула целиком состоит из старой или целиком из новой ДНК. Это смешивает полуконсервативную репликацию с другими возможными моделями копирования. Проверьте ответ: в каждой дочерней молекуле должна быть одна родительская цепь и одна синтезированная заново.

Ещё одна ошибка — считать, что ДНК-полимераза удлиняет новую цепь в любом направлении. Такое предположение возникает, если не учитывать направленность цепей ДНК и ограничения работы фермента. Запомните направление синтеза 5′→3′ и при проверке проследите, в какую сторону добавляются нуклеотиды.

Связь с другими темами

Для понимания репликации понадобятся знания о строении нуклеотида, составе ДНК, комплементарности, а также понятия гена и хромосомы. Удвоение ДНК связано с клеточным циклом и митозом: оно подготавливает наследственный материал к распределению между дочерними клетками. Точность копирования важна и для тем наследственной изменчивости, мутаций и восстановления ДНК, поскольку ошибки или повреждения могут менять информацию.

Что запомнить

• ДНК хранит наследственную информацию, а гены являются её участками.
• Перед репликацией цепи исходной ДНК разделяются.
• Каждая исходная цепь служит матрицей для синтеза новой.
• Нуклеотиды в новой цепи располагаются по принципу комплементарности.
• ДНК-полимераза удлиняет цепь в направлении 5′→3′.
• Репликация ДНК полуконсервативна: в каждой дочерней молекуле одна старая и одна новая цепь.
• Удвоение ДНК обеспечивает передачу наследственной информации при делении клетки.