Трансляция происходит на рибосомах, где происходит синтез белков. Основной матрицей для трансляции служит информационная РНК. Процесс начинается с соединения маленькой субъединицы рибосомы с иРНК и тРНК, при этом ирРНК начинает проходить через рибосому.
Тимин заменяется урацилом в РНК, поэтому комплементарная цепь иРНК будет такой:
ДНК: 5-АТТ-ГЦЦ-ААА-АГГ-3
ИРНК: 3-УАА-ЦГГ-УУУ-УЦЦ-5
ТРНК принесут аминокислоту, комплементарную кодону иРНК, и таким образом будет собираться протеин. Трансляция заканчивается, когда стоп-кодон достигнут.
В целом, матричные процессы, такие как репликация, транскрипция и трансляция, играют решающую роль в жизненном цикле клетки, обеспечивая синтез различных биополимеров на основе матрицы ДНК и РНК.
Трансляция и синтез белка
Трансляция происходит в рибосомах. Матрицей для трансляции служит иРНК.
Очень важно: трансляция идёт с 5 конца на 3 конец, то есть рибосома читает иРНК с 5 конца!!!
Процесс трансляции
На малую субъединицу рибосомы приходит иРНК. Далее иРНК скользит по малой субъединице, пока та не обнаружит старт-кодон. Старт-кодон (обычно АУГ) — это 3 нуклеотида, с которого начинается (инициируется) процесс синтеза белка. Далее субъединицы рибосом спаиваются, и к этому кодону подходит антикодон тРНК с аминокислотой.
Ко 2-му кодону иРНК подходит следующая тРНК с другой аминокислотой. Между аминокислотами образуется пептидная связь.
ИРНК сдвигается на один кодон вперёд. Самая первая тРНК больше не помещается в рибосому и уходит, оставляя свою аминокислоту (она связана пептидной связью). К третьему кодону иРНК подходит тРНК с новой аминокислотой. Она связывается со 2 аминокислотой пептидной связью.
Этот цикл повторяется многократно до тех пор, пока в рибосому не зайдёт стоп-кодон иРНК. К нему не подходит ни одна тРНК, поэтому синтезированный белок покидает рибосому.
Решение типовых задач
Чтобы определить последовательность нуклеотидов на иРНК, антикодоны соответствующих тРНК и аминокислотную последовательность фрагмента молекулы белка, используем таблицу генетического кода.
Пример задачи
Для фрагмента транскрибируемой цепи ДНК: 5 ГТГ-ТАТ-ГГА-АГТ 3
Решение:
- Строим цепь иРНК на имеющейся цепи ДНК: 5-ГТГ-ТАТ-ГГА-АГТ-3
- Находим антикодоны тРНК: 5-ГУГ-3 ; 5-УАУ-3 ; 5-ГГА-3 ; 5-АГУ-3
- С помощью таблицы генетического кода определяем аминокислотную последовательность: ТРЕ-СЕР-ИЛЕ-ГИС
Таким образом, задача успешно решена: найдены иРНК, тРНК и аминокислоты.
Антикодоны тРНК и действия на рибосомах
Антикодоны тРНК поступают к рибосомам в следующей последовательности нуклеотидов:
- 3-УЦГ-5
- 3-ЦГА-5
- 3-ААУ-5
- 3-ЦЦЦ-5
Поиск кодонов иРНК
- Чтобы найти кодоны иРНК через антикодоны тРНК, используем принцип комплементарности и антипараллельности:
- Антикодоны тРНК: 3-УЦГ-5 , 3-ЦГА-5, 3-ААУ-5, 3-ЦЦЦ-5
- Кодоны иРНК: 5-АГЦ-ГЦУ-УУА-ГГГ-3
Поиск ДНК и белка
- Найдем ДНК по кодонам иРНК:
- Кодоны иРНК: 5-АГЦ-ГЦУ-УУА-ГГГ-3
- Транскрибируемая цепь ДНК: 3-ТЦГ-ЦГА-ААТ-ЦЦЦ-5
- Смысловая цепь ДНК: 5-АГЦ-ГЦТ-ТТА-ГГГ-3
Поиск последовательности аминокислот
- Используя таблицу генетического кода, найдем последовательность аминокислот по кодонам иРНК:
- Кодоны иРНК: 5-АГЦ-ГЦУ-УУА-ГГГ-3
- Последовательность аминокислот: СЕР-АЛА-ЛЕЙ-ГЛИ
Смысл экспрессии генов
Экспрессия генов позволяет прочитывать и реализовывать информацию из ДНК, синтезируя белки. Это путь от ДНК к признаку.
Задание 1: Кодирование тРНК
Условие:
Для решения задачи по кодированию тРНК:
- Комплементарные цепи нуклеиновых кислот антипараллельны и синтез начинается с 5ʹ конца
- Рибосома движется от 5ʹ к 3ʹ концу по иРНК
- Все виды РНК синтезируются на ДНКматрице
Данные:
Фрагмент молекулы ДНК, на которой синтезируется участок центральной петли тРНК:
- Матричная цепь ДНК: 3-А-Г-Ц-Т-5
Решение:
Исходя из полученной матричной цепи ДНК, мы можем определить следующее:
- ТРНК: 5-У-К-Г-А-3
- Аминокислота: МЕТ-АРГ-ЦИС-ВАЛ-ГЛИ
Таким образом, данный фрагмент тРНК будет переносить аминокислоту МЕТ-АРГ-ЦИС-ВАЛ-ГЛИ в процессе биосинтеза белка.
Хромосомы и ДНК в клетках при гаметогенезе
Для соматической клетки животного характерен диплоидный набор хромосом. Но что происходит при гаметогенезе в метафазе II мейоза и анафазе II мейоза?
- Метафаза II мейоза:
- Набор хромосом: n
- Число молекул ДНК: 2с
- Анафаза II мейоза:
- Набор хромосом: 2n
- Число молекул ДНК: 2с
- В данной фазе сестринские хроматиды расходятся к полюсам, поэтому число хромосом равно числу молекул ДНК
Структура тРНК и генетический код
- Нуклеотидная последовательность участка тРНК: 5ʹ-ЦГААГГУГАЦААУГУ-3ʹ
- Нуклеотидная последовательность антикодона: 5ʹ-УГА-3ʹ
- Антикодон соответствует кодону на иРНК: 5ʹ-УЦА-3ʹ
- По таблице генетического кода данному кодону соответствует аминокислота Сер (серин), которую будет переносить данная тРНК
Хромосомный набор и разделение клеток спагнума
Для клеток листьев и спорогона (коробочки на ножке) сфагнума характерны разные хромосомные наборы:
- Листья:
- Набор хромосом: n
- Развиваются из споры (гаметофита) в результате митоза
- Спорогон:
- Набор хромосом: 2n
- Развивается из зиготы в результате митоза
Число хромосом и ДНК в соматических клетках голубя
В соматических клетках голубя содержится 80 хромосом. Что происходит в клетке при гаметогенезе и в метафазе I мейоза?
- При гаметогенезе:
- Число хромосом: 80
- Число молекул ДНК: 160
- В метафазе I мейоза:
- Число хромосом: 80
- Число молекул ДНК: 160
- Хромосомы располагаются парами гомологичных хромосом (биваленты) в экваториальной зоне
Хромосомный набор и разделение клеток у сосны и дрозофилы
Какой хромосомный набор характерен для клеток пыльцевого зерна и иголки сосны, и какие деления приводят к их образованию?
- Пыльцевое зерно:
- Набор хромосом: n
- Образуется из микроспоры митозом
- Иголка сосны:
- Набор хромосом: 2n
- Развивается из зиготы митозом
- Дрозофила:
- В соматических клетках содержится 8 хромосом
- При гаметогенезе и в метафазе I мейоза они также имеют определенные характеристики, включая поведение хромосом в метафазе I.
Ответ: 1) перед началом редукционного деления число хромосом — 8; 2) перед началом редукционного деления число молекул ДНК — 16; 3) перед началом деления молекулы ДНК удваиваются (каждая хромосома состоит из двух сестринских хроматид); 4) в метафазе I мейоза число хромосом — 8; 5) в метафазе I мейоза число молекул ДНК — 16; 6) в метафазе I мейоза пары гомологичных хромосом (биваленты) расположены в зоне экватора.
Задание 6. Известно, что комплементарные цепи нуклеиновых кислот антипараллельны (5’ концу одной цепи соответствует 3’ конец другой цепи). Синтез нуклеиновых кислот начинается с 5’ конца. Рибосома движется по иРНК в направлении от 5’ к 3’ концу. Ген имеет кодирующую и некодирующую области. Фрагмент начала гена имеет следующую последовательность нуклеотидов:
5’ — ГЦТЦАГЦТЦАГЦТГАЦАТТГТЦ — 3 ’ 3’ — ЦГАГТЦГАГТЦГАЦТГТААЦАГ- 5 ’
Определите матричную (транскрибируемую) цепь ДНК, если синтез начинается с аминокислоты мет. Поясните свой выбор. Укажите последовательность фрагмента иРНК и фрагмента полипептида. Для выполнения задания используйте таблицу генетического кода. При написании последовательностей нуклеиновых кислот указывайте направление цепи.
Ответ: 1) верхняя цепь ДНК является матричной; 2) так как аминокислоте мет соответствует кодон 5’-АУГ-3’ (АУГ) (триплет ДНК — 3’-ТАЦ-5’(5’-ЦАТ-3’, ЦАТ)); 3) последовательность иРНК: 3’-ЦГАГУЦГАГУЦГАЦУГУААЦАГ-5’ (3’-ЦГАГУЦГАГУЦГАЦУГУА-5’) ИЛИ 5’-ГАЦААУГУЦАГЦУГАГЦУГАГЦ-3’ (5’-АУГУЦАГЦУГАГЦУГАГЦ-3’) 4) фрагмент полипептида: мет-сер-ала-глу-лей-сер
Задание 7. Известно, что комплементарные цепи нуклеиновых кислот антипараллельны (5′ концу одной цепи соответствует 3′ конец другой цепи). Синтез нуклеиновых кислот начинается с 5′ конца. Рибосома движется по иРНК в направлении от 5′ к 3′ концу. Ген имеет кодирующую и некодирующую области. Фрагмент начала гена имеет следующую последовательность нуклеотидов (нижняя цепь матричная):
5′-ЦАТГТГАТГАГЦТЦАЦГТАГЦ -3′ 3′-ГТАЦАЦТАЦТЦГАГТГЦАТЦГ -5′
Определите последовательность аминокислот начала полипептида, если синтез начинается с аминокислоты Мет. Объясните последовательность решения задачи. Фрагмент полипептида в длину имеет более 4-х аминокислот. Для выполнения задания используйте таблицу генетического кода. При написании последовательностей нуклеиновых кислот указывайте направление цепи.
Ответ: 1) последовательность иРНК: 5′-ЦАУГУГАУГАГЦУЦАЦГУАГЦ -3′ 2) аминокислоте МЕТ соответствует кодон 5′-АУГ-3′ (АУГ); 3) такой кодон встречается на иРНК дважды, считывание начинается со второго кодона АУГ (с 7 нуклеотида с 5′-конца) 4) поскольку при начале считывания с первого из двух кодонов АУГ фрагмент полипептида имеет длину менее 4-х аминокислот (в рамку считывания попадает стоп-кодон) 5) фрагмент полипептида: мет-сер-сер-арг-сер.
Задание 8. Известно, что комплементарные цепи нуклеиновых кислот антипараллельны (5′ концу в одной цепи соответствует 3′ конец другой цепи). Синтез нуклеиновых кислот начинается с 5′ конца. Рибосома движется по иРНК в направлении от 5′ к 3′ концу. Ретровирусы в качестве генома содержат молекулу РНК. При заражении клетки он создаёт ДНК-копию своего генома. Фрагмент генома ретровируса имеет следующую последовательность:
Определите последовательность фрагмента ДНК-копии, которая будет встроена в геном клетки-мишени. Определите последовательность аминокислот во фрагменте белка, закодированном в данном фрагменте ДНК-копии. Укажите последовательность иРНК, на которой синтезируется белок. Матрицей для синтеза иРНК является цепь ДНК, комплементарная вирусной РНК. Для выполнения задания используйте таблицу генетического кода. При написании последовательностей нуклеиновых кислот указывайте направление цепи.
Ответ: 1) последовательность ДНК-копии: 3′-АЦГЦЦТЦТЦГАЦЦАТ-5′ 5′-ТГЦГГАГАГЦТГГТА-3′ ИЛИ 5′-ТГЦГГАГАГЦТГГТА-3′ 3′-АЦГЦЦТЦТЦГАЦЦАТ-5′ ИЛИ 5′-ТАЦЦАГЦТЦТЦЦГЦА-3′ 3′-АТГГТЦГАГАГГЦГТ-5′ ИЛИ 3′-АТГГТЦГАГАГГЦГТ-5′ 5′-ТАЦЦАГЦТЦТЦЦГЦА-3′ 2) последовательность иРНК: 5′-УГЦГГАГАГЦУГГУА-3′; 3) последовательность аминокислот в полипептиде: цис-гли-глу-лей-вал.
Задание 9. Известно, что комплементарные цепи нуклеиновых кислот антипараллельны (5′ концу одной цепи соответствует 3′ конец другой цепи). Синтез нуклеиновых кислот начинается с 5′ конца. Рибосома движется по иРНК в направлении от 5′ к 3′ концу. Фрагмент ДНК имеет следующую последовательность нуклеотидов:
Определите, какая из цепей ДНК является матричной (транскрибируемой), если первая аминокислота в синтезируемом фрагменте полипептида — ала. Укажите последовательность фрагмента молекулы иРНК и фрагмента полипептида, состоящего из пяти аминокислот. Объясните последовательность решения задачи. Для выполнения задания используйте таблицу генетического кода. При написании последовательностей нуклеиновых кислот указывайте направление цепи.
Ответ: 1) аминокислота ала кодируется на иРНК кодоном 5′-ГЦУ-3′; 2) на матричной (транскрибируемой) цепи ДНК этому кодону комплементарным является триплет 3′-ЦГА-5′; 3) на нижней цепи ДНК первый триплет — 3′-ЦГА-5′, следовательно, она является матричной(транскрибируемой); 4) последовательность иРНК: 5′-ГЦУГАГГУГЦГАЦЦУ-3′; 5) последовательность полипептида: ала-глу-вал-арг-про.