Механизм хранения и реализации наследственной информации

Воспроизводство себе подобных и наследование признаков осуществляются с помощью наследственной информации, которая хранится и передается с помощью нуклеиновых кислот – ДНК и РНК. Мономерами нуклеиновых кислот являются нуклеотиды – соединения, в состав которых входит:

1) азотистое основание. Различают два вида азотистых оснований: пуриновые (аденин и гуанин) и пиримидиновые (урацил, тимин, цитозин). В состав ДНК входят аденин, гуанин, тимин и цитозин. В РНК вместо тимина находится сходное по строению азотистое основание урацил;

2) пятичленный углевод (пентоза). В составе рибонуклеотидов имеется сахар рибоза, а в дезоксирибонуклеотиды входит углевод дезоксирибоза;

3) остаток фосфорной кислоты.

Нуклеотиды ДНК и РНК связаны между собой ковалентными связями и образуют полинуклеотидные цепи. Молекула РНК обычно одночепочечная, исключение составляют РНК некоторых вирусов. Молекула ДНК состоит из двух цепей. Особенностью строения ДНК является то, что одна цепь полностью комплементарна второй цепи. Это связано с комплементарностью (взаимодополнением, взаимным структурным соответствием, рис. 13) азотистых оснований: аденина и тимина (А и Т), гуанина и цитозина (Г и Ц). Комплементарные цепи образуют водородные связи, идут в противопо­ложных направлениях (антипараллельны) и закручены одна вокруг другой (рис. 14).

Рис. 13. Комплементарность азотистых оснований ДНК.

Генетическая информация, содержащаяся в нуклеиновых кислотах, проявляется в образовании белков, ко­торые делают возможным строение живого организма. Белки – полимеры, состоящие из мономеров – аминокислот (азотсодержащих органических соединений). В составе живых организмов имеется 20 аминокислот, образующих белки, но за счет большого количества звеньев белковой цепи (мономеров) число различных белков превышает сотни тысяч. Белки выполняют разнообразные функции в организме: ферментативную, защитную, структурную, двигательную, транспортную, энергетическую, запасающую и др.

Каждой аминокислоте, входящей в бе­лок, соответствует определенный набор из нуклеотидов — так называемый «триплет». Реализация многообразной информации о свойствах организ­ма осуществляется путем синтеза различных белков согласно генетическому коду (совокупности триплетов, соответствующих аминокислотам). Участок молекулы ДНК, служащий матрицей для синтеза одного белка, называют геном.

Рис. 14. Строение ДНК.

Процесс воспроизведения и реализации генетической информации путем синтеза белка состоит из трех этапов: репликации, транскрипции, трансляции. Репликация — это удвоение молекулы ДНК, необходи­мое для последующего деления клеток. В основе способности клеток к самовоспроизведению лежат уникальное свойство ДНК самокопи­роваться и строго равноценное деление репродуцированных хромо­сом при митозе. После этого клетка может делиться на две идентичные. В ходе репликации ДНК распределяется на две цепи, а затем из нуклеотидов, находящихся в матриксе ядра, фор­мируется вдоль каждой цепи еще одна цепь, ей комплементарная (рис. 15).

Вторая часть процесса воспроизводства — транскрипция — представляет собой синтез одноцепочечной молекулы информационной РНК (и-РНК) на матрице ДНК. Ин­формационная РНК — копия части молекулы ДНК, одного или груп­пы рядом лежащих генов, несущих информацию о структуре бел­ков, необходимых для выполнения одной функции). Информационная РНК представляет собой своего рода посредника в передаче генетической информации из ядра (от ДНК) в цитоплазму (на рибосомы), где осуществляется синтез белка. Транскрипция также идет по принципу комплементарности, но при синтезе РНК вместо комплементарного аденину тимина в цепь встраивается урацил (рис. 16).

Рис. 15. Схема репликации ДНК.

Рис. 16. Схема транскрипции.

Третья часть процесса воспроизводства — трансляция — это синтез белка на рибосомах (рис. 17). В процессе трансляции участвует РНК трех типов:

1) информационная (или матричная) РНК (иРНК, мРНК) поставляет информацию о последовательности аминокислот в белке;

2) рибосомальная РНК (рРНК) входит в состав рибосом в комплексе с белками;

3) транспортная РНК (тРНК) связывает аминокислоты и доставляет их к месту синтеза белка. В строении тРНК выделяют антикодоновую петлю, на которой расположен особый триплет – антикодон, комплементарный триплетам (кодонам) иРНК, и акцепторный стебель, к которому крепятся те аминокислоты, которые, согласно генетическому коду, соответствуют данному кодону. Поэтому процесс трансляции также идет по принципу комплементарности.

Таким образом, процесс передачи наследственной информации у большинства организмов идет по направлению: ДНК→РНК→белок.

Рис. 17. Схема реализации наследственной информации путем транскрипции и трансляции.

Вопросы для самоконтроля:

1. Перечислите уровни организации живой материи.

2. Какие положения включает в себя клеточная теория?

3. Приведите сравнительную характеристику клеток эукариот и прокариот.

4. В чем сходство в строении митохондрия и хлоропластов?