Олимпиада по биологии. Школьный этап. 2016-2017 учебный год.

10-11 класс

1. Неправильным соотнесением клетки и ткани является

А) корневой волосок – покровная ткань

Б) клетка полисадной паренхимы – основная ткань

В) замыкающая клетка – покровная ткань

Г) клетка-спутница – выделительная ткань

2. Для мероприятия, которое состоится через три дня необходимы спелые груши. Однако те груши, что были куплены для этой цели, еще не созрели. Процесс созревания можно ускорить, положив их

А) в тёмное место

Б) в холодильник

В) на подоконник

Г) в пакет из плотной бумаги вместе со спелыми яблоками

3. Мохообразным удалось выжить на суше, так как

А) они были первыми растениями, у которых развились устьица

Б) им не требуется влажная среда для репродуктивного цикла

В) они растут, невысоко поднимаясь над почвой, в относительно влажных регионах

Г) спорофит стал независимым от гаметофита

4. Щеки млекопитающих образовались как

А) приспособление для собирания большого количества пищи

Б) результат особенностей строения черепа, и в частности, челюстей

В) приспособление для сосания

Г) приспособление для дыхания

5. Сердце крокодила по своему строению

А) трехкамерное с неполной перегородкой в желудочке

Б) трехкамерное

В) четырехкамерное

Г) четырехкамерное с отверстием в перегородке между желудочками

6. В свертывании крови участвует фибриноген, являющийся белком

А) плазмы крови

Б) цитоплазмы лейкоцитов

В) входящим в состав тромбоцитов

Г) образующимся при разрушении эритроцитов

7. Абиотические факторы включает в себя такая экологическая единица как

А) биоценоз

Б) экосистема

В) популяция

8. Редукционное деление (мейоз) происходит при образовании

А) споры бактерий

Б) зооспоры улотрикса

В) споры маршанции

Г) зооспоры фитофторы

9. Из перечисленных биополимеров разветвленную структуру имеют

Г) полисахариды

10. Фенилкетонурия является генетическим заболеванием, вызванным рецессивной мутацией. Вероятность рождения больного ребенка, если оба родителя гетерозиготные по этому признаку, составляет

11. Сходство в строении органов зрения у головоногих моллюсков и позвоночных животных объясняется

А) конвергенцией

Б) параллелизмом

В) адаптацией

Г) случайным совпадением

12. Свободноплавающая личинка асцидии имеет хорду и нервную трубку. У взрослой асцидии, ведущей сидячий образ жизни, они исчезают. Это является примером

А) адаптации

Б) дегенерации

В) ценогенеза

13. Водопроводящими элементами сосны являются

А) кольчатые и спиралевидные сосуды

Б) только кольчатые сосуды

В) трахеиды

Г) спиралевидные и пористые сосуды

14. Соплодие характерно для

Б) ананаса

В) банана

15. В хлоропластах растительных клеток светособирающие комплексы расположены

А) на наружной мембране

Б) на внутренней мембране

В) на мембране тилакоидов

Г) в строме

Часть 2.

Установите соответствие (6 баллов).

2.1. Установите соответствие между признаком серой крысы и критерием вида, для которого он характерен.

2.2. Установите соответствие между характеристикой регуляции функций и её способом.

Установите правильную последовательность (6 баллов).

2.3. Установите правильную последовательность этапов географического видообразования.

1) возникновение территориальной изоляции между популяциями одного вида

2) расширение или расчленение ареала вида

3) появление мутаций в изолированных популяциях

4) сохранение естественным отбором особей с признаками, полезными в конкретных условиях среды

5) утрата особями разных популяций способности скрещиваться

2.4. Установите, в какой последовательности при митотическом делении клетки происходят указанные процессы.

1) хромосомы располагаются по экватору клетки

2) хроматиды расходятся к полюсам клетки

3) образуются две дочерние клетки

4) хромосомы спирализуются, каждая состоит из двух хроматид

5) хромосомы деспирализуются

2.5. Вам предлагаются тестовые задания в виде суждений, с каждым из которых следует или согласиться или отклонить. В матрице ответов укажите вариант ответа «да» или «нет»: (10 баллов).

1. Цветки паслёновых собраны в соцветие зонтик.

2. У ресничных червей нет анального отверстия.

3. Пероксисома – обязательный органоид эукариотической клетки.

4. Пептидная связь не является макроэргической.

5. В клетках печени добавление глюкагона вызывает распад гликогена.

6. Абиотические факторы не оказывают влияния на конкурентные отношения двух родственных видов.

7. Функции газообмена у листа возможны благодаря чечевичкам и гидатодам.

8. Отделом желудка жвачных, соответствующим однокамерному желудку млекопитающих, является рубец.

9. Длину пищевых цепей ограничивает потеря энергии.

10. Чем меньше диаметр кровеносных сосудов в организме, тем больше в них линейная скорость кровотока.

Часть 3.

3.1. Найдите три ошибки в приведенном тексте. Укажите номера предложений, в которых они сделаны, исправьте их (6 баллов).

1. К реакциям матричного синтеза относят образование крахмала, синтез иРНК, сборку белков в рибосомах. 2. Матричный синтез напоминает отливку монет на матрице: новые молекулы синтезируются в точном соответствии с «планом», заложенном в структуре уже существующих молекул. 3. Роль матрицы в клетке играют молекулы хлорофилла, нуклеиновых кислот (ДНК и РНК). 4. На матрицах фиксируются мономеры, затем они соединяются в полимерные цепи. 5. Готовые полимеры сходят с матриц. 6. Старые матрицы сразу же разрушаются, после чего образуются новые.

У человека имеется четыре фенотипа по группам крови: I(0), II(А), III(В), IV(АВ). Ген, определяющий группу крови, имеет три аллеля: IА, IВ, i0 ; причем аллель i0 является рецессивной по отношению к аллелям IА и IВ. Родители имеют II (гетерозигота) и III (гомозигота) группы крови. Определите генотипы групп крови родителей. Укажите возможные генотипы и фенотипы (номер) группы крови детей. Составьте схему решения задачи. Определите вероятность наследования у детей II группы крови.

Ответы 10-11 класс

Часть 1. Выберите один верный ответ. (15 баллов)

2.2. максимально – 3 б, одна ошибка – 2 б, две ошибки – 1б, три и более ошибки – 0 баллов

2.4. максимально – 3 б, одна ошибка – 2 б, две ошибки – 1б, три и более ошибки – 0 баллов

Часть 3.

3.1. Найдите три ошибки в приведенном тексте. Укажите номера предложений, в которых они сделаны, исправьте их (3б за правильное обнаружение предложений с ошибками и 3 б за исправление ошибок).

1. - к реакциям матричного синтеза НЕ относят образование крахмала, матрица для него не нужна;

3. - молекулы хлорофилла не способны к выполнению роли матрицы, они не обладают свойством комплиментарности;

6. – матрицы используются многократно.

3.2. Решите задачу (3 балла).

Схема решения задачи включает:

1) родители имеют группы крови: II группа – IАi0 (гаметы IА, i0), III группа - IВ IВ (гаметы IВ);

2) возможные фенотипы и генотипы групп крови детей: IV группа (IАIВ) и III группа (IВi0);

3) вероятность наследования II группы крови – 0%.

Бланк ответа

Школьный этап Всероссийской олимпиады по биологии

Код участника_____________

Часть 1. Выберите один верный ответ. (15 баллов)

Часть 2.

Часть 3.

3.1._______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

3.2. Решение задачи

Нуклеиновые кислоты.

Впервые нуклеиновые кислоты (НК) были обнаружены в 1869 г. швейцарским биохимиком Фридрихом Мишером.

НК - это линейные неразветвленные гетерополимеры, мономерами которых являются нуклеотиды, связанные фосфодиэфирными связями.

Нуклеотид состоит из:

азотистого основания

Пуриновые (аденин (А) и гуанин (Г) - их молекулы состоят из 2-х колец: 5-ти и 6-ти членного),

Пиримидиновые (цитозин (Ц), тимин (Т) и урацил (У) – одно шестичленное кольцо);

углевода (5-ти углеродное сахарное кольцо): рибоза или дезоксирибоза;

остатка фосфорной кислоты.

Существует 2 типа НК: ДНК и РНК. НК обеспечивают хранение, воспроизведение и реализацию генетической (наследственной) информации. Эта информация закодирована в виде нуклеотидных последовательностей. Последовательность нуклеотидов отражает первичную структуру белков. Соответствие между аминокислотами и кодирующими их нуклеотидными последовательностями называется генетическим кодом . Единицей генетического кода ДНК и РНК является триплет – последовательность из трех нуклеотидов.

Виды азотистых оснований	А, Г, Ц, Т	А, Г, Ц, У
Виды пентоз	β,D-2-дезоксирибоза	β,D-рибоза
Вторичная структура	Регулярная, состоит из 2-х комплементарных цепей	Нерегулярная, некоторые участки одной цепи образуют двойную спираль
Молекулярная масса (число нуклеотидных звеньев в первичной цепи) или от 250 до 1,2х10 5 kDa (килодальтон)	Порядка тысяч, миллионов	Порядка десятков и сотен
Локализация в клетке	Ядро, митохондрии, хлоропласты, центриоли	Ядрышко, цитоплазма, рибосомы, митохондрии и пластиды
	Хранение, передача и воспроизведение в ряду поколений наследственной информации	Реализация наследственной информации

ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) – это нуклеиновая кислота, мономерами которой являются дезоксирибонуклеотиды; это материнский носитель генетической информации. Т.е. вся информация о структуре, функционировании и развитии отдельных клеток и целостного организма записана в виде нуклеотидных последовательностей ДНК.

Первичная структура ДНК – одноцепочечная молекула (фаги).

Дальнейшая укладка макромолекулы полимера называется вторичной структурой. В 1953 г. Джеймс Уотсона и Френсис Крик открыли вторичную структуру ДНК – двойную спираль. В этой спирали фосфатные группировки находятся снаружи спиралей, а основания – внутри и расположены с интервалом 0,34 нм. Цепи удерживаются вместе водородными связями между основаниями и закручены одна вокруг другой и вокруг общей оси.

Основания в антипараллельных нитях за счет водородных связей образуют комплементарные (взаимодополняемые) пары: А= Т (2 связи) и Г≡ Ц (3 связи).

Явление комплементарности в строении ДНК в 1951 г. обнаружил Эрвин Чаргафф.

Правило Чаргаффа: число пуриновых оснований всегда равно числу пиримидиновых (А+Г)=(Т+Ц).

Третичная структура ДНК – это дальнейшая укладка двуцепочечной молекулы в петли, благодаря водородным связям между соседними витками спирали (суперспирализация).

Четвертичная структура ДНК – это хроматиды (2 нити хромосомы).

Рентгенограммы волокон ДНК, впервые полученные Моррисом Уилкинсом и Розалиндой Франклин, указывают на то, что молекула обладает спиральной структурой и содержит более одной полинуклеотидной цепи.

Существует несколько семейств ДНК: А, В, С, D, Z–формы. В клетках обычно встречается В–форма. Все формы, кроме Z, правозакрученные спирали.

Репликация (самоудвоение) ДНК – это один из важнейших биологических процессов, обеспечивающих воспроизведение генетической информации. Репликация начинается с разделения двух комплементарных цепей. Каждая цепь используется в качестве матрицы для образования новой молекулы ДНК. В процессе синтеза ДНК участвуют ферменты. Каждая из двух дочерних молекул обязательно включает одну старую спираль и одну новую. Новая молекула ДНК абсолютно идентична старой по последовательности нуклеотидов. Такой способ репликации обеспечивает точное воспроизведение в дочерних молекулах той информации, которая была записана в материнской молекуле ДНК.

В результате репликации одной молекулы ДНК образуется две новые молекулы, которые являются точной копией исходной молекулы – матрицы . Каждая новая молекула состоит из двух цепей – одной из родительских и одной из сестринских. Такой механизм репликации ДНК называется полуконсервативным .

Реакции, в которых одна молекула гетерополимера служит матрицей (формой) для синтеза другой молекулы гетерополимера с комплементарной структурой, называются реакциями матричного типа . Если в ходе реакции образуются молекулы того же вещества, которое служит матрицей, то реакция называется автокаталитической . Если же в ходе реакции на матрице одного вещества образуются молекулы другого вещества, то такая реакция называется гетерокаталитической . Таким образом, репликация ДНК (т.е. синтез ДНК на матрице ДНК) является автокаталитической реакцией матричного синтеза.

К реакциям матричного типа относятся:

Репликация ДНК (синтез ДНК на матрице ДНК),

Транскрипция ДНК (синтез РНК на матрице ДНК),

Трансляция РНК (синтез белков на матрице РНК).

Однако существуют и другие реакции матричного типа, например, синтез РНК на матрице РНК и синтез ДНК на матрице РНК. Два последних типа реакций наблюдаются при заражении клетки определенными вирусами. Синтез ДНК на матрице РНК (обратная транскрипция ) широко используется в генной инженерии.

Все матричные процессы состоят из трех этапов: инициации (начала), элонгации (продолжения) и терминации (окончания).

Репликация ДНК – это сложный процесс, в котором принимает участие несколько десятков ферментов. К важнейшим из них относятся ДНК-полимеразы (несколько типов), праймазы, топоизомеразы, лигазы и другие. Главная проблема при репликации ДНК заключается в том, что в разных цепях одной молекулы остатки фосфорной кислоты направлены в разные стороны, но наращивание цепей может происходить только с того конца, который заканчивается группой ОН. Поэтому в реплицируемом участке, который называется вилкой репликации , процесс репликации протекает на разных цепях по-разному. На одной из цепей, которая называется ведущей, происходит непрерывный синтез ДНК на матрице ДНК. На другой цепи, которая называется запаздывающей, вначале происходит связывание праймера – специфического фрагмента РНК. Праймер служит затравкой для синтеза фрагмента ДНК, который называется фрагментом Оказаки . В дальнейшем праймер удаляется, а фрагменты Оказаки сшиваются между собой в единую нить фермента ДНК–лигазы. Репликация ДНК сопровождается репарацией – исправлением ошибок, неизбежно возникающих при репликации. Существует множество механизмов репарации.

Репликация происходит перед делением клетки. Благодаря этой способности ДНК осуществляется передача наследственной информации от материнской клетки дочерним.

РНК (рибонуклеиновая кислота) – это нуклеиновая кислота, мономерами которой являются рибонуклеотиды.

В пределах одной молекулы РНК имеется несколько участков, которые комплементарны друг другу. Между такими комплементарными участками образуются водородные связи. В результате в одной молекуле РНК чередуются двуспиральные и односпиральные структуры, и общая конформация молекулы напоминает клеверный лист.

Азотистые основания, входящие в состав РНК, способны образовывать водородные связи с комплементарными основаниями и ДНК, и РНК. При этом азотистые основания образуют пары А=У, А=Т и Г≡Ц. Благодаря этому возможна передача информации от ДНК к РНК, от РНК к ДНК и от РНК к белкам.

В клетках обнаруживается три основных типа РНК, выполняющих различные функции:

1. Информационная , или матричная РНК (иРНК, или мРНК). Функция: матрица белкового синтеза. Составляет 5% клеточной РНК. Передает генетической информации от ДНК на рибосомы при биосинтезе белка. В эукариотических клетках иРНК (мРНК) стабилизирована с помощью специфических белков. Это делает возможным продолжение биосинтеза белка даже в том случае, если ядро неактивно.

мРНК представляет собой линейную цепь с несколькими областями с разной функциональной ролью:

а) на 5"-конце находится кэп («колпачок») – защищает мРНК от экзонуклеаз,

б) за ним идет нетранслируемый участок, комплементарный отделу рРНК, которая входит в малую субъединицу рибосомы,

в) трансляция (считывание) мРНК начинается с инициирующего кодона АУГ, кодирующего метионин,

г) за инициирующим кодоном следует кодирующая часть, которая содержит информацию о последовательности аминокислот в белке.

2. Рибосомная , или рибосомальная РНК (рРНК). Составляет 85% клеточной РНК. В соединении с белком входит в состав рибосом, определяет форму большой и малой рибосомных субъединиц (50-60S- и 30-40S-субъединиц). Принимают участие в трансляции – считывании информации с иРНК в синтезе белка.

Субъединицы и входящие в них рРНК принято обозначать по их константе седиментации. S - коэффициент седиментации, единицы Сведберга. Величина S характеризует скорость оседания частиц при ультрацентрифугировании и пропорциональна их молекулярной массе. (Так, например, рРНК прокариот с коэффициентом седиментации 16 единиц Сведберга обозначается как 16S рРНК).

Т.о., выделяют несколько видов рРНК, различающихся по длине полинуклеотидной цепи, массе и локализации в рибосомах: 23-28S, 16-18S, 5S и 5,8S. И прокариотическая, и эукариотическая рибосомы содержат 2 различные высокополимерные РНК, по одной на каждую субъединицу, и одну низкомолекулярную РНК - 5S РНК. Эукариотические рибосомы также содержат и низкомолекулярную 5,8S РНК. Н-р, у прокариот синтез 23S, 16S и 5S рРНК, у эукариот - 18S, 28S, 5S и 5,8S.

80S-рибосома (эукариотическая)

Малая 40S субъединица Большая 60S субъединица

18SрРНК (~2000 нуклеотидов), - 28SрРНК (~4000 н.),

5,8SрРНК (~155 н.),

5SрРНК (~121 н.),

~30 белков. ~45 белков.

70S-рибосома (прокариотическая)

Малая 30S субъединица Большая 50S субъединица

16SрРНК, - 23SрРНК,

~20 белков. ~30 белков.

Большая молекула высокополимерной рРНК (константа седиментации 23-28S, локализована в 50-60S субъединицах рибосом.

Малая молекула высокополимерной рРНК (константа седиментации 16-18S, локализована в 30-40S субъединицах рибосом.

Во всех без исключения рибосомах присутствует низкополимерная 5S рРНК, локализована в 50-60S субъединицах рибосом.

Низкополимерная рРНК с константой седиментации 5,8S характерна только для эукариотических рибосом.

Т.о., в состав рибосом входит три типа рРНК у прокариот и четыре типа рРНК у эукариот.

Первичная структура рРНК - одна полирибонуклеотидная цепь.

Вторичная структура рРНК – спирализация самой на себя полирибонуклеотидной цепи (отдельные участки цепи РНК образуют спирализованные петли – «шпильки»).

Третичная структура высокополимерных рРНК - взаимодействия спирализованных элементов вторичной структуры.

3. Транспортная РНК (тРНК). Составляет 10% клеточной РНК. Переносит аминокислоту к месту синтеза белка, т.е. к рибосомам. Для каждой аминокислоты имеется своя тРНК.

Первичная структура тРНК – одна полирибонуклеотидная цепь.

Вторичная структура тРНК – модель «клеверный лист», в этой структуре 4 двухцепочечных и 5 одноцепочечных участков.

Третичная структура тРНК – стабильная, молекула сворачивается в Г-образную структуру (2 почти перпендикулярных друг другу спирали).

Все типы РНК образуются в результате реакций матричного синтеза. В большинстве случаев матрицей служит одна из цепей ДНК. Таким образом, биосинтез РНК на матрице ДНК является гетерокаталитической реакцией матричного типа. Этот процесс называется транскрипцией и контролируется определенными ферментами – РНК–полимеразами (транскриптазами).

Синтез РНК (транскрипция ДНК) заключается в переписывании информации с ДНК на мРНК.

Отличия синтеза РНК от синтеза ДНК:

Асимметричность процесса: в качестве матрицы используется лишь одна цепь ДНК.

Консервативность процесса: молекула ДНК по окончании синтеза РНК возвращается в исходное состояние. При синтезе ДНК молекулы наполовину обновляются, что делает репликацию полуконсервативной.

Синтез РНК не требует для своего начала никакой затравки, а при репликации ДНК необходима РНК-затравка.

1. Объясните последовательность передачи генетической информации: ген - белок - признак.

2. Вспомните, какая структура белка определяет его строение и свойства. Как закодирована эта структура в молекуле ДНК?

3. Что представляет собой генетический код?

4. Охарактеризуйте свойства генетического кода.

7. Реакции матричного синтеза. Транскрипция

Информация о белке записана в виде нуклеотидной последовательности в ДНК и находится в ядре. Собственно синтез белка происходит в цитоплазме на рибосомах. Следовательно, для синтеза белка необходима структура, которая переносила бы информацию от ДНК к месту синтеза белка. Таким посредником является информационная, или матричная, РНК, которая передает информацию с определенного гена молекулы ДНК к месту синтеза белка на рибосомы.

Кроме переносчика информации необходимы вещества, которые обеспечивали бы доставку аминокислот к месту синтеза и определение их места в полипептидной цепи. Такими веществами являются транспортные РНК, которые обеспечивают кодирование и доставку аминокислот к месту синтеза. Синтез белка протекает на рибосомах, тело которых построено из рибосомальных РНК. Значит, необходим еще один вид РНК - рибосомальные.

Генетическая информация реализуется в трех типах реакций: синтезе РНК, синтезе белка, репликации ДНК. В каждом из них информация, заключенная в линейной последовательности нуклеотидов, используется для создания другой линейной последовательности: либо нуклеотидов (в молекулах РНК или ДНК), либо аминокислот (в молекулах белка). Экспериментально было доказано, что именно ДНК служит матрицей для синтеза всех нуклеиновых кислот. Эти реакции биосинтеза носят название матричного синтеза. Достаточная простота матричных реакций и их одномерность позволили подробно изучить и понять их механизм, в отличие от других процессов, протекающих в клетке.

Транскрипция

Процесс биосинтеза РНК на ДНК называется транскрипцией. Этот процесс протекает в ядре. На матрице ДНК синтезируются все виды РНК - информационная, транспортная и рибосомальная, которые впоследствии участвуют в синтезе белка. Генетический код на ДНК в процессе транскрипции переписывается на информационную РНК. В основе реакции лежит принцип комплементарности.

Синтез РНК имеет ряд особенностей. Молекула РНК значительно короче и является копией только небольшого участка ДНК. Поэтому матрицей служит только определенный участок ДНК, где находится информация о данной нуклеиновой кислоте. Вновь синтезированная РНК никогда не остается связанной с исходной ДНК-матрицей, а освобождается после окончания реакции. Процесс транскрипции протекает в три этапа.

Первый этап - инициация - начало процесса. Синтез РНК-копий начинается с определенной зоны на ДНК, которая называется промотором. Эта зона содержит определенный набор нуклеотидов, которые являются старт-сигналами. Процесс катализируется ферментами РНК-полимеразами. Фермент РНК-полимераза соединяется с промотором, раскручивает двойную спираль и разрушает водородные связи между двумя цепями ДНК. Но только одна из них служит матрицей для синтеза РНК.

Второй этап - элонгация. В эту стадию происходит основной процесс. На одной цепи ДНК, как на матрице, по принципу комплементарности выстраиваются нуклеотиды (рис. 19). Фермент РНК-полимераза, шаг за шагом продвигаясь по цепи ДНК, соединяет нуклеотиды между собой, одновременно постоянно раскручивая дальше двойную спираль ДНК. В результате такого движения синтезируется РНК-копия.

Третий этап - терминация. Это завершающая стадия. Синтез РНК продолжается до стоп-сигнала - определенной последовательности нуклеотидов, которая прекращает движение фермента и синтез РНК. Полимераза отделяется от ДНК и синтезированной РНК-копии. Одновременно с матрицы снимается и молекула РНК. ДНК восстанавливает двойную спираль. Синтез завершен. В зависимости от участка ДНК таким способом синтезируются рибосомальные, транспортные, информационные РНК.

Матрицей для транскрипции молекулы РНК служит только одна из цепей ДНК. Однако матрицей двух соседних генов могут служить разные цепи ДНК. Какая из двух цепей будет использоваться для синтеза, определяется промотором, который направляет фермент РНК-полимеразу в том или ином направлении.

После транскрипции молекула информационной РНК эукариотических клеток подвергается перестройке. В ней вырезаются нуклеотидные последовательности, которые не несут информацию о данном белке. Этот процесс называется сплайсингом. В зависимости от типа клетки и стадии развития могут быть убраны разные участки молекулы РНК. Следовательно, на одном участке ДНК синтезируются разные РНК, которые несут информацию о различных белках. Это обеспечивает передачу значительной генетической информации с одного гена, а также облегчает генетическую рекомбинацию.

Рис. 19. Синтез информационной РНК. 1 - цепь ДНК; 2 - синтезируемая РНК

Вопросы и задания для самоконтроля

1. Какие реакции относятся к реакциям матричного синтеза?

2. Что является исходной матрицей для всех реакций матричного синтеза?

3. Как называется процесс биосинтеза иРНК?

4. Какие виды РНК синтезируются на ДНК?

5. Установите последовательность фрагмента иРНК, если соответствующий фрагмент на ДНК имеет последовательность: ААГЦТЦТГАТТЦТГАТЦГГАЦЦТААТГА.

8. Биосинтез белка

Белки являются необходимыми компонентами всех клеток, поэтому наиболее важным процессом пластического обмена является биосинтез белка. Он протекает во всех клетках организмов. Это единственные компоненты клетки (кроме нуклеиновых кислот), синтез которых осуществляется под прямым контролем генетического материала клетки. Весь генетический аппарат клетки - ДНК и разные виды РНК - настроен на синтез белков.

Ген - это участок молекулы ДНК, ответственный за синтез одной молекулы белка. Для синтеза белка необходимо, чтобы определенный ген с ДНК был скопирован в виде молекулы информационной РНК. Этот процесс был рассмотрен ранее. Синтез белка представляет собой сложный многоэтапный процесс и зависит от деятельности различных видов РНК. Для непосредственного биосинтеза белка необходимы следующие компоненты:

1. Информационная РНК - переносчик информации от ДНК к месту синтеза. Молекулы иРНК синтезируются в процессе транскрипции.

2. Рибосомы - органоиды, где происходит синтез белка.

3. Набор необходимых аминокислот в цитоплазме.

4. Транспортные РНК, кодирующие аминокислоты и переносящие их к месту синтеза на рибосомы.

5. АТФ - вещество, обеспечивающее энергией процессы кодирования аминокислот и синтеза полипептидной цепи.

Строение транспортной РНК и кодирование аминокислот

Транспортные РНК (тРНК) представляют собой небольшие молекулы с количеством нуклеотидов от 70 до 90. На долю тРНК приходится примерно 15 % всех РНК клетки. Функция тРНК зависит от ее строения. Изучение структуры молекул тРНК показало, что они свернуты определенным образом и имеют вид клеверного листа (рис. 20). В молекуле выделяются петли и двойные участки, соединенные за счет взаимодействия комплементарных оснований. Наиболее важной является центральная петля, в которой находится антикодон - нуклеотидный триплет, соответствующий коду определенной аминокислоты. Своим антикодоном тРНК способна соединяться с соответствующим кодоном на иРНК по принципу комплементарности.

Рис. 20. Строение молекулы тРНК: 1 - антикодон; 2 - место присоединения аминокислоты

Каждая тРНК может переносить только одну из 20 аминокислот. Значит, для каждой аминокислоты имеется по меньшей мере одна тРНК. Так как аминокислота может иметь несколько триплетов, то и количество видов тРНК равно числу триплетов аминокислоты. Таким образом, общее число видов тРНК соответствует числу кодонов и равно 61. Трем стоп-кодам не соответствует ни одна тРНК.

На одном конце молекулы тРНК всегда находится нуклеотид гуанин (5"-конец), а на другом (3"-конце) всегда три нуклеотида ЦЦА. Именно к этому концу идет присоединение аминокислоты (рис. 21). Каждая аминокислота присоединяется к своей специфической тРНК с соответствующим антикодоном. Механизм этого присоединения связан с работой специфических ферментов - аминоацил-тРНК-синтетазами, которые присоединяют каждую аминокислоту к соответствующей тРНК. Для каждой аминокислоты имеется своя синтетаза. Соединение аминокислоты с тРНК осуществляется за счет энергии АТФ, при этом макроэргическая связь переходит в связь между тРНК и аминокислотой. Так происходит активирование и кодирование аминокислот.

Этапы биосинтеза белка. Процесс синтеза полипептидной цепи, осуществляемый на рибосоме, называется трансляцией. Информационная РНК (иРНК) является посредником в передаче информации о первичной структуре белка, тРНК переносит закодированные аминокислоты к месту синтеза и обеспечивает последовательность их соединений. В рибосомах осуществляется сборка полипептидной цепи.

В основе передачи и реализации наследственной информации лежат реакции матричного синтеза. Их всего три: репликация ДНК, транскрипция и трансляция. Все эти реакции относятся к реакциям пластического обмена, требуют затрат энергии и участия ферментов.

Репликация.

Репликация – самоудвоение молекул ДНК – лежит в основе передачи наследственной информации из поколения в поколение. В результате репликации одной материнской молекулы ДНК образуются две дочерние, каждая из которых представляет собой двойную спираль, в которой одна нить ДНК – материнская, а другая вновь – синтезированная. Для репликации необходимы различные ферменты, нуклеотиды и энергия.

С помощью особых ферментов разрываются водородные связи, соединяющие комплементарные основания двух цепей материнской ДНК. Нити ДНК расходятся. Молекулы фермента ДНК-полимеразы движутся вдоль материнских цепей ДНК и последовательно соединяют нуклеотиды, формируя дочерние цепи ДНК. Процесс присоединения нуклеотидов идет по принципу комплементарности. В результате формируются две молекулы ДНК идентичные материнской и друг другу.

Биосинтез белка.

Биосинтез белка, т.е. процесс реализации наследственной информации, протекает в два этапа. На первом этапе информация о первичной структуре белка переписывается с ДНК на иРНК. Этот процесс называется транскрипцией. Второй этап – трансляция – происходит на рибосомах. В ходе трансляции происходит синтез белка из аминокислот в соответствии с последовательностью записанной в иРНК, т.е. последовательность нуклеотидов переводится в последовательность аминокислот. Таким образом, процесс реализации наследственной информации можно выразить схемой:

ДНК → иРНК → белок → свойство, признак

Транскрипция – синтез информационной РНК на матрице ДНК. Данный процесс происходит там, где есть ДНК. У эукариот транскрипция происходит в ядре, митохондриях и хлоропластах (у растений), а у прокариот непосредственно в цитоплазме. При транскрипции молекула ДНК является матрицей, а иРНК продуктом реакции.

Транскрипция начинается с разделения цепей ДНК, которое происходит также как при репликации (водородные связи разрываются с помощью ферментов). Затем фермент РНК-полимераза последовательно по принципу комплементарности соединяет нуклеотиды в цепь, синтезируя молекулу иРНК. Образовавшаяся молекула иРНК отделяется и направляется в цитоплазму «на поиски» рибосомы.

Синтез белка на рибосомах называется трансляцией . Трансляция у эукариот происходит на рибосомах, которые находятся в цитоплазме, на поверхности ЭПС, в митохондриях и в хлоропластах (у растений), а у прокариот на рибосомах в цитоплазме. В трансляции участвуют иРНК, тРНК, рибосомы, аминокислоты, молекулы АТФ, ферменты.

· Аминокислоты служат материалом для синтеза молекулы белка.

· АТФ является источником энергии для соединения аминокислот друг с другом.

· Ферменты участвуют в присоединении аминокислот к тРНК и в соединении аминокислот друг с другом.

· Рибосомы состоят из молекул рРНК и белка, формирующих активный центр, в котором и происходят основные события трансляции.

· Информационная РНК в данном случае является матрицей для синтеза молекулы белка. Триплеты иРНК, каждый из которых кодирует какую-то аминокислоту, называются кодонами .

· Транспортные РНК подносят аминокислоты к рибосомам и участвуют в переводе последовательности нуклеотидов в последовательность аминокислот. Транспортные РНК, как и другие виды РНК, синтезируются на матрице ДНК. Они имеют вид клеверного листа (рис. 28.3). Три нуклеотида, расположенные на вершине центральной петли молекулы тРНК образуют антикодон .

Ход трансляции.

Трансляция начинается со связывания иРНК с рибосомой. Рибосома движется по иРНК, каждый раз перемещаясь на один триплет. В активном центре рибосомы могут одновременно находиться два триплета (кодона) иРНК. К каждому из этих кодонов подходит тРНК, имеющая комплементарный антикодон и несущая определенную аминокислоту. Между кодонами и антикодонами образуются водородные связи, удерживающие тРНК в активном центре. В это время образуется пептидная связь между аминокислотами. Растущая полипептидная цепь «подвешивается» на тРНК, которая вошла в активный центр последней. Рибосома продвигается на один триплет вперед, в результате чего в активном центре оказывается новый кодон и соответствующая тРНК. Освободившаяся тРНК отделяется от иРНК и отправляется за новой аминокислотой.

Репликация

Процесс редупликации ДНК идет в ядре под действием ферментов и специальных белковых комплексов. Принципы удвоения ДНК:

• * Антипараллельность : дочерняя цепь синтезируется в направлении от 5" к 3" концу.
• * Комплиментарность : строение дочерней нити ДНК определяется последовательностью нуклеотидов материнской нити, подбираются по принципу комплиментарности.
• * Полунепрерывность : одна из двух цепей ДНК - лидирующая , синтезируется непрерывно, а другая - запаздывающая , прерывисто с образованием коротких фрагментов Оказаки . Это происходит из-за свойства антипараллельности.
• * Полуконсервативность : молекулы ДНК, полученные в ходе редупликации, содержат одну консервативную материнскую нить и одну синтезированную дочернюю.
• 1) Инициация

Начинается с репликативной точки , к которой присоединяются белки, инициирующие репликацию. Под действием ферментов ДНК-топоизомеразы и ДНК-геликазы цепь раскручивается, и разрываются водородные связи. Далее идет фрагментарное разъединение двойной цепи ДНК с образованием репликационной вилки . Ферменты предотвращают повторное соединение цепей ДНК.

2) Элонгация

Синтез дочерней цепи ДНК идет за счет фермента ДНК-полимеразы , который движется в направлении 5" 3" , подбирая нуклеотиды по принципу комплиментарности. Лидирующая цепь синтезируется непрерывно, а запаздывающая - прерывисто. Фермент ДНК-лигаза соединяет между собой фрагменты Оказаки . Специальные корректирующие белки распознают ошибки и устраняют неправильные нуклеотиды.

3) Терминация

Окончание репликации происходит, если встречаются две репликационные вилки. Белковые компоненты снимаются, молекулы ДНК спирализуются.

Свойства генетического кода

• * Триплетен - каждую аминокислоту кодирует код из 3 нуклеотидов.
• * Однозначен - каждый триплет кодирует лишь определенную кислоту.
• * Вырожден - каждая аминокислота кодируется несколькими триплетами (2-6). Лишь две из них кодируются одним триплетом: триптофан и метионин.
• * Неперекрываем - каждый кодон является самостоятельной единицей, а генетическая инф считывается только одним способом в одном направлении
• * Универсален - един для всех организмов. Одни и те же триплеты кодируют одни и те же аминокислоты у разных организмов.

Генетический код

Реализация наследственной информации идет по схеме ген-белок-признак.

Ген - участок молекулы ДНК, который несет информацию о первичной структуре одной молекулы белка и отвечает за ее синтез.

Генетический код - принцип кодирования наследственной инф в клетке. Представляет собой последовательность триплетов нуклеотидов в НК, которая задает определенный порядок аминокислот в белках. Инфа, заключенная в линейной последовательности нуклеотидов, используется для создания другой последовательности.

Из 4 нуклеотидов можно составить 64 триплета , 61 из которых кодируют аминокислоты. Стоп-кодоны - триплеты УАА, УАГ, УГА прекращают синтез полипептидной цепи.

Старт-кодон - триплет АУГ определяет начало синтеза полипептидной цепи.

Биосинтез белка

Один из основных процессов пластического обмена веществ. Часть реакций протекает в ядре, другая - в цитоплазме. Необходимые компоненты: АТФ, ДНК, и-РНК, т-РНК, р-РНК, Mg 2+ , аминокислоты, ферменты. Состоит из 3 х процессов:

• - транскрипция : синтез иРНК
• - процессинг : превращение иРНК в мРНК
• - трансляция : синтез белка

ДНК содержит информацию о структуре белка в виде последовательности аминокислот, но поскольку гены не покидают ядра, то непосредственного участия в биосинтезе белковой молекулы не принимают. И-РНК синтезируется в ядре клетки по ДНК и переносит инф от ДНК к месту синтеза белка (рибосомам). Затем, с помощью т-РНК из цитоплазмы выбираются комплиментарные и-РНК аминокслоты. Таким образом синтезируются полипептидые цепи.

Транскрипция

1) Инициация

Синтез молекул иРНК по ДНК может протекать в ядре, митохондриях и пластидах. Под действием ферментов ДНК-геликазы и ДНК-топоизомеразы участок молекулы ДНК раскручивается , разрываются водородные связи. Считывание информации идет только с одной нити ДНК, которая называется кодирующей кодогенной . Фермент РНК-полимераза соединяется с промотером - зоной ДНК, которая содержит старт-сигнал ТАТА.

2) Элонгация

Процесс выстраивания нуклеотидов по принципу комплиментарности . РНК-полимераза продвигается по кодирующей цепи и соединяет между собой нуклеотиды, образуя полинуклеотидную цепь. Процесс продолжается до стоп-кодона .

3) Терминация

Окончание синтеза: фермент и синтезированная молекула РНК отделяеются от ДНК, двойная спираль ДНК восстанавливается.

Процессинг

Превращение молекулы иРНК в мРНК в ходе сплайсинга в ядре под действием ферментов. Идет удаление интронов -участков, не несущих инф об аминокислотной последовательности и сшивание экзонов - участков, кодирующих последовательность аминокислот. Далее идет присоединение стоп-кодона АУГ, кэпирование для 5" конца и полиаденилирование для защиты 3" конца. Образуется зрелая м-РНК, она короче и идет к рибосомам.

Трансляция

Процесс перевода нуклеотидной последовательности триплетов м-РНК в аминокислотную последовательность полипептидной цепи. Идет в цитоплазме на рибосомах.

1) Инициация

Синтезированная мРНК через ядерные поры идет в цитоплазму, где с помощью ферментов и энергии АТФ соединяется с малой субъединицей рибосом. Затем инициаторная тРНК с аминокислотой метианин соединяется с пептидильным центром. Далее в присутствии Mg 2+ идет присоединение большой субъединицы.

2) Элонгация

Удлинение белковой цепи. Аминокислоты с помощью собственной тРНК доставляются к рибосомам. По форме молекулы т-РНК напоминают трилистник, на среднем из которых имеется антикодон , комплиментарный нуклеотидам кодона м-РНК. К противоположному основанию молекулы тРНК присоединяется соответствующая аминокислота.

Первая т-РНК закрепляется в пептидильном центре, а вторая - в аминоациальном . Затем аминокислоты сближаются и между ними образуется пептидная связь, возникает дипептид, первая т-РНК уходит в цитоплазму. После этого, рибосома делает 1 трехнуклеотидный шаг по м-РНК. В результате чего, вторая т-РНК оказывается в пептидильном центре, освобождая аминоацильный. Процесс присоединения аминокислокты идет с затратой энергии АТФ и требует наличия фермента аминоацил-т-РНК-синтетаза .

3) Терминация

Когда в аминоациальный центр попадает стоп-кодон, синтез завершается, и к последней аминокислоте присоединяется вода. Рибосома снимается с м-РНК и распадается на 2 субъединицы, т-РНК возвращается в цитоплазму.