Строение и функции ДНК. Механизмы редупликации ДНК. Биологическое значение. Генетический код, ее структурная организация и свойства

Молекула ДНК образована двумя полинуклеотидными цепями, спирально закрученными друг около друга и
вместе вокруг воображаемой оси, т.е. представляет собой двойную спираль. Мономер ДНК — нуклеотид (дезоксирибонуклеотид) — состоит из остатков трех веществ: 1) азотистого
основания, 2) пятиуглеродного моносахарида (пентозы) и 3) фосфорной кислоты. Азотистые основания
нуклеиновых кислот относятся к классам пиримидинов и пуринов. Пиримидиновые основания ДНК (имеют в
составе своей молекулы одно кольцо) — тимин, цитозин. Пуриновые основания (имеют два кольца) — аденин
и гуанин. Функция ДНК — хранение и передача наследственной информации

Реплика́ция (от лат. replicatio — возобновление) — процесс синтеза дочерней
молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты на матрице родительской молекулы ДНК. В ходе последующего
деления материнской клетки каждая дочерняя клетка получает по одной копии молекулы ДНК, которая
является идентичной ДНК исходной материнской клетки. Этот процесс обеспечивает точную передачу
генетической информации из поколения в поколение. Репликацию ДНК осуществляет сложный ферментный
комплекс, состоящий из 15—20 различных белков, называемый реплисомой. Репликация проходит в три этапа:

Инициация репликации

Элонгация

3. терминация репликации.

Генетический код – это система записи наследственной информации в молекулах нуклеиновых
кислот, основанная на определённом чередовании последовательностей нуклеотидов в ДНК или
РНК, образующих кодоны, соответствующие аминокислотам в белке.
Генетический код имеет несколько свойств.
1.Триплетность.
2.Вырожденность или избыточность.
3.Однозначность.
4.Полярность.
5.Неперекрываемость.
6.Компактность.
7.Универсальность.

Генетический код, как и многое сложно организованные система имеет наименьшую структурную и наименьшую
функциональную единицу. Триплет – наименьшая структурная единица генетического кода. Состоит она из трёх
нуклеотидов. Кодон – наименьшая функциональная единица генетического кода. Как правило, кодонами
называют триплеты иРНК. В генетическом коде кодон выполняет несколько функций. Во-первых, главная его
функция заключается в том, что он кодирует одну аминокислоту. Во-вторых, кодон может не кодировать
аминокислоту, но, в этом случае, он выполняет другую функцию (см. далее). Как видно из определения, триплет –
это понятие, которое характеризует элементарную структурную единицу генетического кода (три
нуклеотидов ). Кодон – характеризует элементарную смысловую единицу генома – три нуклеотида
определяют присоединение к полипептидной цепочки одной аминокислоты.

 

Биосинтез белка.

Одним из центральных процессов метаболизма клетки является синтез белка – формирование сложной молекулы белка-полимера из аминокислот-мономеров. Процесс этот протекает в цитоплазме клеток, в рибосомах при посредстве иРНК и находится под контролем ДНК ядра. Биосинтез белка состоит из 2 этапов: транскрипции и трансляции
Транскрипция – процесс переноса генетического кода, записанного на молекуле ДНК на молекулу иРНК. Осуществляется в ядре. Транскрипция происходит при синтезе молекул иРНК, нуклеотиды которой присоединяются к нуклеотидам ДНК по принципу комплементарности. Молекула иРНК снимается с ДНК, как с матрицы, после чего она отделяется и перемещается в цитоплазму, где в специальных органоидах – рибосомах происходит процесс трансляции.

Трансляция - процесс перевода генетической информации, записанной на иРНК в структуры белковой молекулы, синтезируемой на рибосомах при участии тРНК. Молекулы иРНК прикрепляются к рибосомам, а затем постепенно протягиваются через тело рибосомы. В каждый момент внутри рибосомы находится незначительный участок иРНК. Триплеты нуклеотидов передают информацию к тРНК, кодовый триплет которых комплементарен триплету иРНК. тРНК переносит аминокислоты к рибосомам. Молекула тРНК, несущая первую аминокислоту белковой молекулы, присоединяется к комплементарному ей кодону. Рибосома перемещается на 1 триплет вперед. К новому кодону рибосомы присоединяется новая тРНК, несущая вторую аминокислоту. Затем между аминокислотами возникает пептидная связь и образуется дипептид. Одновременно разрушается связь между первой аминокислотой и её тРНК, которая удаляется, а дипептид связан только со второй тРНК. Затем рибосома перемещается еще на 1 триплет. Затем к новому кодону рибосомы присоединяется уже третья молекула тРНК, несущая третью аминокислоту. При этом теряется связь второй тРНК с аминокислотой. Это происходит до тех пор, пока не будет построена вся полипептидная цепь

15. Ядро, его строение и функции.
Ядро – основной компонент клетки, несущий генетическую информации. Ядро – располагается в
центре. Форма различная, но всегда круглая или овальная. Размеры различны. Содержимое ядра –
жидкая консистенция. Различают оболочку, хроматин, кариолимфу (ядерный сок), ядрышко.

Ядерная оболочка состоит из 2 мембран, разделённых перенуклеарным пространством. Оболочка снабжена
порами, через которые происходит обмен крупными молекулами различных веществ.

Кариоплазма(ядерный матрикс) – внутреннее содержимое ядра, в котором располагаются хроматин
и одно или несколько ядрышек. В состав кариоплазмы входит вода, минеральные соли, белкиферменты, нуклеотиды, РНК, ионы

Хроматин – комплекс ядернойДНК с белками (дезоксирибонуклеопротеин – ДНП). В интерфазном ядре хромосомы
деконденсированы (деспирализованы) и не выделяются по отдельности, а воспринимаются все вмести
в виде глыбок, гранул, нитчатых структур, которые получили название хроматина.

Ядрышки. На них осуществляется синтез рибосомной рибонуклеиновой кислоты, а также ядерных белков. В кариолимфе содержатся РНК и ДНК, белки, большая часть ферментов ядра. Ядрышко состоит из РНК, много ионов металла, в частности цинка. Не имеют собственную оболочку. Они состоят из фибриллярной и аморфной частях.
Это место активного синтеза белка, белок накапливается здесь

Главная функция ядра - хранение и передача наследственной информации - связана с хромосомами. Кроме того, ядро участвует в реализации этой информации с помощью синтеза белка.

 

16. Хромосомы – структурные компоненты ядра. Строение, состав, функции.Понятие о кариотипе, кариограмма.

Хромосома – это наиболее компактная форма наследственного материала клетки. У большинства эукариот ДНК скручивается до такой степени только на время деления. Хромосома может быть одинарной (из одной хроматиды) и двойной (из двуххроматид). Хроматида – это нуклеопротеидная нить, половинка двойной хромосомы.
Участки хромосомы:
Центромера (первичная перетяжка) - это место соединения двух хроматид; к центромере присоединяются
нити веретена деления. По сторонам от центромеры лежат плечи хромосомы. В зависимости от места
расположения центромеры хромосомы делят на равноплечие (метацентрические), неравноплечие
(субметацентрические), палочковидные (акроцентрические) – имеется только одно плечо.
Вторичная перетяжка – ядрышковый организатор, содержит гены рРНК, имеется у одной – двух хромосом в
геноме.
Теломеры – концевые участки хромосом, содержащие до 10 тысяч пар нуклеотидов с повторяющейся
последовательностью ТТАГГГ. Теломеры не содержат генов, они защищают концы хромосом он действия
нуклеаз – ферментов, разрушающих ДНК обеспечивают прикрепление концов хромосом изнутри к ядерной
оболочке, защищают гены от концевой недорепликации.
Хромосомы являются носителями материальных основ наследственности – генов. В основе действия гена в
процессе развития организма лежит его способность через посредство РНК определять синтез белков. В
молекуле ДНК, входящей в состав хромосом, «записана» информация, определяющая химическую структуру
белков.

Функция хромосом заключается в контроле над всеми процессами жизнедеятельности клетки. Хромосомы
являются носителями генетической информации. Наследственная информация передается путем репликации
молекулы ДНК. Число, размер и форма хромосом строго специфичны для каждого вида.

Кариотип - (от карио... и греч. typos - отпечаток, форма), типичная для вида совокупность морфологических
признаков хромосом (размер, форма, детали строения, число и т. д.). Важная генетическая характеристика
вида, лежащая в основе кариосистематики. Для определения кариотипа используют микрофотографию или
зарисовку хромосом при микроскопии делящихся клеток.
Кариограмма - графическое изображение Кариотипа для количественной характеристики каждой хромосомы.
Один из типов К. — идиограмма — схематическая зарисовка хромосом, расположенных в ряд по их длине.
Др. тип К. — график, на котором координатами служат какие-либо значения длины хромосомы или её части и
всего кариотипа (например, относительная длина хромосом) и так называемый центромерный индекс, т. е.
отношение длины короткого плеча к длине всей хромосомы. Расположение каждой точки на К. отражает
распределение хромосом в кариотипе. Основная задача кариограммного анализа — выявление гетерогенности
(различий) внешне сходных хромосом в той или иной их группе.

 

17. Ассимиляция и диссимиляция как основа самообновления биологических систем. Определение, сущность, значение.

Ассимиляция (пластический обмен или анаболизм) -это эндотермический процесс синтеза
высокомолекулярных органических веществ, сопровождающийся поглощением энергии. Происходит в
цитоплазме.
Диссимиляция (энергетический обмен или катаболизм) - выделяется энергия. Распад веществ в клетке до
простых, неспецифичных соединений. Начинается в цитоплазме, а заканчивается в митохондриях.

Пластический и энергетический обмены (ассимиляция и диссимиляция) находятся между собой в неразрывной связи. С одной стороны, реакции биосинтеза нуждаются в затрате энергии, которая черпается из реакций расщепления. С другой стороны, для осуществления реакций энергетического обмена необходим постоянный биосинтез, обслуживающих эти реакции ферментов, так как в процессе работы они изнашиваются и разрушаются.

Сложные системы реакций, составляющие процесс пластического и энергетического обменов, тесно связаны не только между собой, но и с внешней средой. Из внешней среды в клетку поступают пищевые вещества, которые служат материалом для реакций пластического обмена, а в реакциях расщепления из них освобождается энергия, необходимая для функционирования клетки. Во внешнюю среду выделяются вещества, которые клеткой больше не могут быть использованы.

 

18. Аденозиндифосфат (АДФ) и аденозинтрифосфат (АТФ), их строение,локализация и роль в энергетическом обмене клетки.

АТФ (аденозинтрифосфат). Он служит в клетках универсальным энергоносителем. Энергия, выделяющаяся
при расщеплении органических веществ (жиры, углеводы, белки и т. д.), не может использоваться
непосредственно для выполнения какой-либо работы, а запасается первоначально в форме АТФ.
При отщеплении одного остатка фосфорной кислоты образуется АДФ (аденозиндифосфат) и высвобождается
около 30 кДж энергии, которая расходуется на выполнение какой-либо работы в клетке (например,
сокращение мышечной клетки, процессы синтеза органических веществ и т. д.)

Аденозиндифосфат (АДФ) — нуклеотид, состоящий из аденина, рибозы и двух остатков фосфорной кислоты. АДФ образуется в результате переноса концевой фосфатной группы АТФ. Так как запас АТФ в клетке ограничен, он постоянно восстанавливается за счет энергии, выделяющейся при расщеплении других органических веществ; восстановление АТФ происходит путем присоединения молекулы фосфорной кислоты к АДФ:

В большинстве эукариотических клеток синтез основного количества АТФ происходит внутри митохондрии, а основные потребители АТФ расположены вне её. Реакции фосфорилирования АДФ и последующего использования АТФ в качестве источника энергии образуют циклический процесс, составляющий суть энергетического обмена.

19. Обмен веществ и энергии в клетке. Фотосинтез, хемосинтез. Процессассимиляции (основные реакции).

В клетке постоянно происходит обмен веществ и энергии с окружающей средой. Обмен веществ
(метаболизм) - основное свойство живых организмов. На клеточном уровне метаболизм включает два
процесса: ассимиляцию (анаболизм) и диссимиляцию (катаболизм). Эти процессы происходят в клетке
одновременно.
Ассимиляция (пластический обмен) - совокупность реакций биологического синтеза. Из простых веществ,
поступающих в клетку извне, образуются вещества, характерные для данной клетки. Синтез веществ в клетке
происходит с использованием энергии, заключенной в молекулах АТФ.

Фотосинтез и хемосинтез - две формы пластического обмена. Фотосинтез — процесс образования
органических веществ из углекислого газа и воды на свету при участии фотосинтетических пигментов.
Хемосинтез — способ автотрофного питания, при котором источником энергии для синтеза органических
веществ из CO2 служат реакции окисления неорганических соединений

Протекает фотосинтез в 2 фазы: световая и теневая.
Световая фаза протекает на свету. Во время световой фазы происходит возбуждение хлорофилла путем поглощения кванта света. В световой фазе происходит фотолиз воды с последующим выделением кислорода в атмосферу. Кроме того, в световой фазе фотосинтеза протекают следующие процессы: накопление протонов водорода, синтез АТФ из АДФ, присоединение H+ к специальному переносчику НАДФ

ИТОГ СВЕТОВОЙ РЕАКЦИИ:

Образование АТФ и НАДФ*H, выделение O2 в атмосферу.

Темновая фаза (цикл фиксации CO2, цикл Кальвина) протекает в строме хлоропласта. В темновой фазе происходит следующие процессы:

Из световой реакции берется АТФ и НАДФ*H

Из атмосферы - CO2

1)Фиксация CO2

2)Образование глюкозы

3)Образование крахмала

ИТОГОВОЕ УРАВНЕНИЕ:

6CO2+6H2O---(хлорофилл,свет)—С6H12O6+6O2

Хемосинтез – синтез органических веществ за счет энергии химических реакций. Хемосинтез осуществляется бактериями
Основные реакции хемосинтеза:
1) окисление серы:
2H2S + O2 = 2H20 + 2S 2S + O2 + 2H2O = 2H2SO4
2) окисление азота:
2NH3 + 3O2 = 2HNO2 + 2H2O
2HNO2 + O2 = HNO3
3) окисление кислорода
2H2 + O2 = 2H2O
4) окисление железа:
4FeCO3 + O2 + 6H2O = 4Fe(OH)3 + 4CO2

 

20.Обмен веществ в клетке. Процесс диссимиляции. Основные этапы энергетического обмена.
Обмен веществ представляет собой единство ассимиляции и диссимиляции.

Диссимиляция – эндотермический процесс, требующий затраты энергии. Источником энергии являются ранее синтезированные вещества, подвергшиеся распаду в процессе диссимиляции.
Все функции, выполняемы клеткой, требуют затрат энергии, которая освобождается в процессе диссимиляции. Биологическое значение диссимиляции сводится не только к освобождению энергии, потребной клетке, но нередко и к разрушению веществ, вредных для организма
Весь процесс диссимиляции, или энергетического обмена, состоит из 3 этапов: подготовительный, бескислородный и кислородный. В подготовительном этапе под действием ферментов происходит расщепление полимеров до мономеров. Так, белки расщепляются до аминокислот, полисахариды – до моносахаридов, жиры – до глицерина и жирных кислот. В подготовительном этапе выделяется мало энергии и рассеивается обычно в виде тепла.
2) Бескислородный или анаэробный этап. Разберем на примере глюкозы. В анаэробном этапе происходит распад глюкозы до молочной кислоты:
С6H12O6 + 2АДФ + Н3РО4 = 2C3H6O3 + 2Н2О + 2АТФ (молочная к-та)
3) Кислородный этап. При кислородном этапе вещества окисляются до СО2 и Н2О. При доступе кислорода пировиноградная кислота проникает в митохондрии и подвергается окислению:
С3H6O3+6O2—6CO2+6H2O+36АТФ
Суммарное уравнение:
C6H12O6+6O2—6CO2+6H2O+38АТФ

 

21. Митотический цикл клетки. Характеристика периодов. Митоз, егобиологическое значение. Амитоз.

Митотический цикл — это совокупность процессов, происходящих в клетке от одного деления до следующего и заканчивающихся образованием двух клеток следующей генерации. Кроме этого, в понятие жизненного цикла входят также период выполнения клеткой своих функций и периоды покоя.

Митотический цикл состоит из четырех последовательных периодов: пресинтетического (или
постмитотического) G1, синтетического S, постсинтетического (или премитотического) G2 и
собственно митоза

1) пресинтетическая (G1) (2n2c, где n-число хромосом, c- число молекул). Идет сразу после деления клетки. Синтеза ДНК еще не происходит. Клетка активно растет в размерах, запасает вещества, необходимые для деления: белки (гистоны, структурные белки, ферменты), РНК, молекулы АТФ. Происходит деление митохондрий и хлоропластов (т. е. структур, способных к ауторепродукции). Восстанавливаются черты организации интерфазной клетки после предшествующего деления;
2) синтетическая (S) (2n4c). Происходит удвоение генетического материала путем репликации ДНК. Она происходит полуконсервативным способом, когда двойная спираль молекулы ДНК расходится на две цепи и на каждой из них синтезируется комплементарная цепочка. В итоге образуются две идентичные двойные спирали ДНК, каждая из которых состоит из одной новой и старой цепи ДНК. Количество наследственного материала удваивается. Кроме этого, продолжается синтез РНК и белков. Также репликации подвергается небольшая часть митохондриальной ДНК (основная же ее часть реплицируется в G2 период);
3) постсинтетическая (G2) (2n4c). ДНК уже не синтезируется, но происходит исправление недочетов, допущенных при синтезе ее в S период (репарация). Также накапливаются энергия и питательные вещества, продолжается синтез РНК и белков (преимущественно ядерных).