Генетический код и его свойства

15.09.2022

Биология, 11 класс Антошина Н.Н.

Генетический код и его свойства.

11.4.1.5 - объяснять свойства генетического кода

Учащиеся должны усвоить и понимать:

• сущность и механизм реализации наследственной информации;

• сущность генетического кода; характеристики свойств генетического кода;

• приводить доказательства единства живой природы;

• уметь применять теоретический материал темы для решения цитологических задач;

• понимать практическую значимость изучаемого материала.

д/з № 1-3 (лупа) стр. 33, синтезировать молекулу белка по матрице ДНК: ААТТТТГЦЦЦААТГГЦТЦ

1. Актуализация знаний учащихся

1. Толкование смысла слов Л.Н. Толстого «Старайся дать уму как можно больше пищи»

Неподвластна она ювелирам,

модельерам удастся едва ль

переделать гармонию мира –

ДНК, завитую в спираль.

Две цепочки закручены ловко,

совершенна материи суть,

в двухцепочечной экипировке

закодирован жизненный путь!

2. О каком веществе идет речь в данных цепочках слов?

• биополимер, пептидная, аминокислота, 20, первичная, вторичная, третичная, четвертичная структуры, ферменты, каталаза, гемоглобин;

• двойная спираль, водородная связь, биополимер, нуклеотид, Уотсон и Крик, адениновый, тиминовый, цитозиновый, гуаниновый, дезоксирибоза

3. Выберите в цепочке слов только те, которые характеризуют ДНК, а затем РНК.

(ядро, митохондрии, хлоропласты, рибосомы, цитоплазма, нуклеотид, А, Г, Ц, Т, У, дезоксирибоза, рибоза, двойная спираль, репликация; хранение и передача наследственной информации, транспорт аминокислот, входят в состав рибосом, передача информации с ядра на рибосому)

1. Новая тема

В клетках непрерывно идут процессы метаболизма. С помощью ферментов из простых низкомолекулярных веществ образуются сложные высокомолекулярные соединения: из аминокислот – белки; из моносахаридов – углеводы; из азотистых оснований и сахаров – нуклеотиды, а из них нуклеиновые кислоты. Сложные вещества распадаются до простых веществ, с освобождением энергии.

*Чем клетка (организм) обеспечивается благодаря реакциям метаболизма?

Все процессы обмена веществ и превращения энергии в клетке и целом организме протекают под контролем наследственного аппарата. Из икринки карася развивается карась. Значит, уже в самой икринке предопределены особенности строения будущего организма, который разовьется из нее в данных условиях.

Но сначала нам нужно ответить на еще более фундаментальный вопрос: «О чем именно эта наследственная информация?»

В 17 веке многие серьезные ученые - биологи полагали, будто в яйцеклетке, либо в спермии человека «запрятан» малюсенький человечек – прообраз будущего ребенка. В ходе зародышевого развития происходит лишь простой рост (увеличение размеров) всех частей тела миниатюрного человечка.

Давно уже установлено, что все признаки развиваются постепенно. Одни части организма образуются позже других. В конечном итоге все определяется тем, где, какое вещество, в каком количестве образуется.

Например, такой признак, как карий цвет глаз формируется следующим образом:

• признак – карий цвет глаз;

• цвет определяется пигментом, а это по природе химическое вещество;

• все химические вещества образуются в ходе химических реакций;

• все химические реакции идут под контролем ферментов;

• все ферменты по природе белки (Не все белки – ферменты, но все ферменты – белки)

Вывод: наследственная информация – это информация о первичной структуре белка-фермента (запись вывода в технологическую карту).

Чтобы описать строение белка, надо назвать последовательность аминокислот в нем, то есть указать какая аминокислота является 1 мономером, вторым, третьим и т.д. Последовательность мономеров в аминокислотах определяет свойства и функции белка. При нарушении определенной последовательности изменяются свойства и функции белка

Какая проблема отражена в данной схеме? (предполагаемый ответ: «Информация находится в ядре, а сборка белка происходит на рибосоме»)

Значит, между этими полимерами существует связь. Для ее установления заполним таблицу «Сравнительная характеристика ДНК и белка»

Видимо самокопирование ДНК помогает как-то копироваться белкам и между ними есть определенная взаимосвязь.

В молекулах ДНК и мРНК информация о первичной структуре белков «записана» в виде последовательности нуклеотидов. Сами же белки синтезируются из аминокислот. Значит, в природе существует особая система кодирования, на основании которой последовательность нуклеотидов расшифровывается в виде последовательности аминокислот молекул белков. Этот «шифр» называется генетическим кодом.

Таким образом, генетический код — это система записи информации о первичной структуре белков в виде последовательности нуклеотидов ДНК (мРНК).

Генетический код обладает следующими свойствами.

1. Код является триплетным. Это значит, что каждая аминокислота кодируется триплетом (кодоном) — сочетанием трех последовательно расположенных нуклеотидов. В состав молекул ДНК и РНК входит по 4 типа нуклеотидов. Если бы за определенную аминокислоту «отвечал» один нуклеотид, можно было бы закодировать только 4 из 20 белокобразующих аминокислот. Дублетов (по два нуклеотида) хватило бы лишь на 4² = 16 аминокислот. Количество возможных триплетов (сочетаний трех нуклеотидов) составляет 4³ = 64. Этого с избытком хватает для кодирования всех 20 видов аминокислот.

Обратите внимание, что 3 из 64 кодонов (в молекулах мРНК — УАА, УАГ и УГА) не кодируют аминокислоты. Это так называемые стоп-кодоны *или нонсенс-кодоны (от англ. nonsense — бессмыслица)*, они служат сигналом окончания синтеза белка. *Остальные триплеты называются смысловыми.*

*Генетический код расшифровали американские биохимики Р. Холли, Х. Г. Корана и М. Ниренберг в середине прошлого века. Работа стартовала в 1961 г. В бесклеточные системы, содержащие все необходимые компоненты для синтеза белка (рибосомы, аминокислоты, тРНК и др.), ученые сначала вводили искусственно синтезированные мРНК, состоящие только из одного типа нуклеотидов. Было выяснено, что в присутствии, например, полицитидиловой мРНК (ЦЦЦЦЦЦ...) синтезируется полипептид, состоящий только из остатков аминокислоты пролина, в присутствии полиуридиловой (УУУУУУ...) — из фенилаланина. Стало понятно, что кодону ЦЦЦ соответствует пролин, а триплет УУУ кодирует фенилаланин. К 1965 г., благодаря использованию искусственно синтезированных молекул мРНК с известными повторяющимися последовательностями нуклеотидов, удалось расшифровать все остальные триплеты. В 1968 г. это открытие было удостоено Нобелевской премии.*

2. Код однозначен — каждый триплет кодирует только одну аминокислоту.

3. Как уже отмечалось, число триплетов превышает количество кодируемых аминокислот. Поэтому генетический код является избыточным (вырожденным) — одна и та же аминокислота может кодироваться разными триплетами. Например, в мРНК цистеин (Цис) может быть закодирован триплетом УГУ или УГЦ, треонин (Тре) — АЦУ, АЦЦ, АЦА или АЦГ. Некоторые аминокислоты, например лейцин (Лей), кодируются шестью различными триплетами, в то же время метионину (Мет) и триптофану (Трп) соответствует только по одному кодону (проверьте по таблице генетического кода).

4. Код не перекрывается — один и тот же нуклеотид не может одновременно входить в состав двух соседних триплетов.

5. Код непрерывен. В полинуклеотидной цепи нуклеотиды располагаются непрерывно и соседние триплеты ничем не отделены друг от друга. Это значит, что фактически деление на триплеты условно — все зависит от того, с какого именно нуклеотида начинается их считывание. Поэтому в клетках считывание информации, содержащейся в генах, всегда начинается со строго определенного нуклеотида.

Если в составе гена происходит изменение количества нуклеотидов (их выпадение или вставка) на число, не кратное трем, наблюдается так называемый сдвиг рамки считывания (рис. 23.1). Это приводит к существенному изменению последовательности аминокислот в белке, который кодируется измененным геном. В некоторых случаях сдвиг рамки считывания приводит к возникновению стоп-кодонов, из-за чего синтез белка обрывается. 

*Суть происходящего при сдвиге рамки считывания можно понять на следующем примере. Прочитайте предложение, составленное из трехбуквенных слов (аналогично триплетам):

ЖИЛ БЫЛ КОТ ТИХ БЫЛ СЕР МИЛ МНЕ ТОТ КОТ.

В этом предложении заключен определенный смысл, понять который можно и без знаков препинания. Выпадение одной буквы аналогично выпадению одного нуклеотида. Оно приводит к изменению порядка считывания и потере смысла:

ЖЛБ ЫЛК ОТТ ИХБ ЫЛС ЕРМ ИЛМ НЕТ ОТК ОТ — выпадение второй буквы.

То же самое произошло бы и после вставки лишней буквы. В случае замены одной буквы либо при изменении их количества на три смысл предложения меняется не столь значительно. Например:

ЖИВ БЫЛ КОТ ТИХ БЫЛ СЕР МИЛ МНЕ ТОТ КОТ — замена третьей буквы;

БЫЛ КОТ ТИХ БЫЛ СЕР МИЛ МНЕ ТОТ КОТ — выпадение первых трех букв.

Однако смысл предложения (в нашей аналогии — первичная структура белка) во многом зависит от положения измененных букв (нуклеотидов). Так, смысл может существенно исказиться:

ЖИЛ БОТ ТИХ БЫЛ СЕР МИЛ МНЕ ТОТ КОТ — выпадение пятой, шестой и седьмой букв.

Аналогичная ситуация наблюдается и с белками. В зависимости от расположения замененной (утраченной, добавленной) аминокислоты молекула белка может сохранить пространственную конфигурацию и функции, частично изменить их или же полностью утратить свои исходные характеристики.*

Как уже отмечалось, правильное считывание генетической информации обеспечивается только тогда, когда оно начинается со строго определенной позиции. У эукариот стартовым кодоном молекулы мРНК является триплет АУГ. Именно с него и начинается считывание.

6. Код универсален — у всех живых организмов одним и тем же триплетам соответствуют одни и те же аминокислоты. Иными словами, у всех организмов генетический код расшифровывается одинаково (за редким исключением). Это свидетельствует о единстве происхождения живых организмов.

*Некоторые вариации генетического кода обнаружены у бактерий, инфузорий, дрожжей, в коде митохондриальной ДНК и т. д. Например, у бактерий триплет мРНК ГУГ может играть роль стартового кодона, а у эукариот он предназначен только для кодирования аминокислоты валин. В митохондриях млекопитающих триплет УГА кодирует триптофан, в то время как в матричной РНК, синтезированной в ядре клетки, он служит стоп-кодоном. И наоборот, в коде митохондрий триплеты АГА и АГГ являются сигналами окончания синтеза белка, а в «основной версии» генетического кода им соответствует аминокислота аргинин.*

3. Первичное закрепление изученного материала

№ 1. Проанализируйте имеющиеся данные расшифровки генетического кода, представленные в таблицах. На их основе определите:

1) последовательность нуклеотидов ДНК, если белок состоит из:

а) Гли + Асп + Цис;

б) Иле + Фен + Лей;

в) Гли + Тре + Сер;

г) Вал + Глу + Тре;

д) Про + Фен + Арг

2) последовательность аминокислот, если в ДНК расположены нуклеотиды:

а) ГАА ТТТ;

б) ААГ ТЦТ;

в) ЦЦЦ ГТА;

г) ГГТ АГА;

д) ТГТ ААГ.

№ 2. Решение задач по цитологии.

Справочный материал для решения задач.

1. Длина 1 нуклеотида = 3,4 Ао

2. Размер 1 гена = длина 1 нуклеотида × n (кол-во нуклеотидов)

3. Кол-во нуклеотидов = кол-во аминокислот × 3

4. Масса 1 гена = кол-во нуклеотидов × массу 1 нуклеотида

5. Молекулярная масса 1 нуклеотида =300

6. Молекулярная масса 1 аминокислоты = 110

7. Соотношение нуклеотидов в молекуле ДНК, согласно правилу Чаргаффа =А+Г / Т+Ц=1

1) Фрагмент цепи ДНК имеет последовательность нуклеотидов: ГГАТЦТАААЦАТ. Определите последовательность нуклеотидов на второй цепи ДНК и последовательность аминокислот фрагмента молекулы белка, используя таблицу генетического кода учебника.

2) Дан фрагмент молекулы белка: лизин – треонин - аргинин-лейцин-лизин. Определите, какими триплетами ДНК зашифрована информация о данных аминокислотах. Используйте таблицу генетического кода

3) В молекуле белка инсулина 51 аминокислотный остаток, сколько нуклеотидов находится в ДНК, кодирующей белок?

4. Рефлексия