§3. Транскрипция

Цель изучения этой темы: описать транскрипцию – первый этап процесса биосинтеза белка.

Какова роль ДНК? В каких структурах и где в клетке находится ДНК? Что такое репликация? Каковы особенности строения и роль ДНК и РНК? Чем они различаются? Как образуются новые молекулы РНК? Верно ли говорить, что: «Наследственная информация – это запись порядка аминокислот всех белков организма»? Какие структуры клетки непосредственно синтезируют белок?

Что нужно повторить для успешного изучения темы? § 7, 9, 10 и 12 – учебник для 10 класса.

  Наследственная информация – запись порядка аминокислот, хранящаяся в ДНК. Как вы помните, у эукариот ДНК находится в хромосомах клетки (они состоят из хроматина – соединения ДНК и специальных белков). В свою очередь сами хромосомы находятся внутри ядра, отделенного от цитоплазмы двойной мембраной. У прокариот ДНК представлена одной главной² кольцевой молекулой – нуклеоидом, плавающим примерно в центре цитоплазмы клетки.
  Именно в ДНК хранится наследственная информация – запись порядка аминокислот всех белков данной клетки и (или) организма. А непосредственно синтезируют белки, т. е. соединяют аминокислоты, рибосомы, находящиеся в цитоплазме или ЭПС.
  В связи с этим возникает вопрос: «Как доставить информацию от ДНК к рибосомам?». Эту проблему решает один из видов РНК – информационная, или матричная – иРНК, или мРНК. Матрица – это типографский термин, обозначающий набранный из металлических букв текст, на который наносится краска. После чего к нему прикладываются и прижимаются листы бумаги, и так отпечатываются многочисленные копии. Следовательно, матрица – это какая-либо структура, с которой можно получить неограниченное число копий.
  Транскрипция необходима для того, чтобы донести информацию, скопированную с ДНК, в цитоплазму к рибосомам. При этом нужно полностью исключить повреждение самой молекулы ДНК. Наследственная информация эукариот строго сохраняется под защитой двух ядерных мембран, как в сейфе. Именно устойчивая к негативному воздействию, стабильная, двуспиральная ДНК является надежным носителем, и в таком виде она переносит информацию из клетки в клетку (и из организма в организм) при размножении. Ведь если ДНК разрушится, клетка погибнет, поэтому хромосомы (молекулы ДНК) не покидают ядро. Чтобы осуществить процессы биосинтеза белка и реализовать находящуюся в ДНК наследственную информацию, нужен посредник, который будет переходить из ядра в цитоплазму к рибосомам. Роль посредника в этом случае выполняет иРНК (мРНК).
  Транскрипция – процесс синтеза иРНК по матрице ДНК (рис. 3). Это первый этап биосинтеза белка. Процесс транскрипции похож на процесс репликации. Он тоже начинается с того, что в определенном участке ДНК разрываются водородные связи и небольшая часть молекулы (всего несколько десятков нуклеотидов) временно становится одноцепочечной. К одной из этих свободных однонитевых цепей ДНК присоединяется фермент РНК-полимераза, или транскриптаза. Молекула фермента «нанизывается» на одну цепь ДНК и начинает функционировать, а комплементарная цепь ДНК остается свободной.
  Фермент катализирует присоединение новых нуклеотидов к растущей цепи иРНК. Нуклеотиды присоединяются по принципу комплементарности. То есть если в ДНК находится азотистое основание цитозин, то в РНК будет встраиваться комплементарный ему гуанин, и между ними будет возникать тройная водородная связь. Образующаяся таким образом иРНК будет полностью копировать нетранскрибируемую комплементарную цепь ДНК, только вместо тимина в ней будет находиться урацил.
  Постепенно удлиняясь, цепь иРНК благодаря ферменту включает в себя всё новые и новые нуклеотиды. Когда мРНК достигает необходимой длины, водородные связи между ею и транскрибируемой цепью ДНК рвутся. Это происходит потому, что химическое сродство молекул ДНК–ДНК выше, чем ДНК–РНК. Таким образом, комплементарная нетранскрибируемая цепь ДНК вытесняет иРНК, восстанавливая водородные связи внутри двуцепочечной молекулы.

 Рис. 3. Процесс транскрипции – синтез иРНК – происходит в ядре по матрице ДНК хромосом

  Бесспорно, что процесс транскрипции очень сложный. Он включает в себя множество ферментов, узнающих особые последовательности в ДНК, которые находятся перед определенными генами и активизируют транскрипцию. У прокариот иРНК может включать в себя сразу несколько функционально связанных генов³. У эукариот одна молекула иРНК всегда соответствует только одному гену, т. е. кодирует информацию только одного белка.
  Транскрипция у прокариот может совпадать во времени и в пространстве с трансляцией, а у эукариот нет. То есть биосинтез белка рибосомой бактерий может идти по молекуле иРНК, синтез которой еще не окончен. И оба эти процесса будут происходить в цитоплазме клеток, так как бактерии не имеют ограниченного мембраной ядра.
  Итоги транскрипции – это готовые молекулы иРНК, в которых записана информация с ДНК. Они играют роль копии «генерального плана – проекта» будущей постройки. Причем оригинал «генерального плана» – молекула ДНК – остается в надежном «сейфе» – ядре. А вот его «копия» – иРНК – доставляется на «строительную площадку» к рибосомам. Для чего клетке нужен такой сложный процесс? Если на стройплощадке «копия» повредилась, то всегда можно сделать новую.

  Транскрипция, РНК-полимераза, или транскриптаза, матрица, комплементарность.

Знание и понимание
1. Объясните значение терминов: наследственная информация, ген, хромосома, комплементарность.
2. Как вы понимаете, что такое матрица?

Применение
1. Назовите причины, по которым происходит транскрипция.
2. Заполните таблицу. Определите связь между структурами и признаками.

1) Находится в ядре; 2) находится в цитоплазме; 3) результат транскрипции; 4) результат репликации; 5) вещество хромосом; 6) необходима рибосомам; 7) переносит информацию из ядра в цитоплазму; 8) переносит информацию из клетки в клетку; 9) переносит информацию между поколениями клеток и организмов; 10) реализует наследственную информацию в ходе биосинтеза белков.

Анализ
1. Изобразите в виде схемы процесс транскрипции, указав разными цветами: иРНК, транскрибируемую цепь ДНК, нетранскрибируемую цепь ДНК, свободные нуклеотиды РНК, фермент транскриптазу, ядро (его мембраны и ядерный сок), цитоплазму, рибосомы.
2. Установите верную последовательность этапов транскрипции эукариот. Впишите номера процессов в верной последовательности.

Синтез
11. Порассуждайте, почему возникли различия процесса транскрипции у прокариот и эукариот.
2. Определите нуклеотидную последовательность в иРНК и нетранскрибируемой цепи ДНК, если транскрибируемая цепь нуклеотидов ДНК имеет следующую последовательность расположения нуклеотидов:
  а) ГАА ЦГЦ ТТТ ААГ;
  б) ЦЦЦ ГТА АТГ ТЦТ;
  в) ТГТ ААГ АГА ЦГА.

Оценка
1. Напишите реферат о деятельности М. А. Айтхожина – основателя молекулярной биологии в Казахстане, специализировавшегося на изучении процесса транскрипции (информосом).
2. Оцените возможность и вероятность возникновения в эволюции клеток, в которых не происходил бы процесс транскрипции. Какие плюсы и минусы имели бы такие системы? Почему их не существует в реальной действительности?

  ¹ Плазмиды – неглавные мелкие кольцевые молекулы ДНК, иногда встречающиеся в клетках бактерий, грибов и некоторых растений.
  ³ Структура в ДНК бактерий, состоящей из нескольких взаимосвязанных генов, траскрибируемых вместе на одну молекулу иРНК, называется опероном

×
×

Cart