Lösen von Problemen in der Molekularbiologie. Bildung von Wasserstoffbrückenbindungen zwischen komplementären stickstoffhaltigen Basen

Molekulargenetik – Zweig der Genetik, der sich mit der Erforschung der Vererbung auf molekularer Ebene befasst.

Nukleinsäuren. DNA Replikation. Matrixsynthesereaktionen

Nukleinsäuren (DNA, RNA) wurden 1868 vom Schweizer Biochemiker I.F. entdeckt. Mischer. Nukleinsäuren sind lineare Biopolymere, die aus Monomeren – Nukleotiden – bestehen.

DNA – Struktur und Funktionen

Die chemische Struktur der DNA wurde 1953 vom amerikanischen Biochemiker J. Watson und dem englischen Physiker F. Crick entschlüsselt.

Allgemeine Struktur der DNA. Das DNA-Molekül besteht aus 2 Ketten, die spiralförmig (Abb. 11) umeinander und um eine gemeinsame Achse gedreht sind. DNA-Moleküle können 200 bis 2x10 8 Basenpaare enthalten. Entlang der Helix des DNA-Moleküls befinden sich benachbarte Nukleotide in einem Abstand von 0,34 nm voneinander. Eine vollständige Drehung der Helix umfasst 10 Basenpaare. Seine Länge beträgt 3,4 nm.

Reis. 11 . DNA-Strukturdiagramm (Doppelhelix)

Polymerismus des DNA-Moleküls. Ein DNA-Molekül – ein Bioploimer – besteht aus komplexen Verbindungen – Nukleotiden.

Die Struktur eines DNA-Nukleotids. Das DNA-Nukleotid besteht aus 3 Verbindungen: einer der stickstoffhaltigen Basen (Adenin, Guanin, Cytosin, Thymin); Desoxysyribose (Monosaccharid); Phosphorsäurerest (Abb. 12).

Es gibt 2 Gruppen stickstoffhaltiger Basen:

Purin – Adenin (A), Guanin (G), enthält zwei Benzolringe;

Pyrimidin – Thymin (T), Cytosin (C), enthält einen Benzolring.

DNA besteht aus den folgenden Arten von Nukleotiden: Adenin (A); Guanin (G); Cytosin (C); Thymin (T). Die Namen der Nukleotide entsprechen den Namen der stickstoffhaltigen Basen, aus denen sie bestehen: Adenin-Nukleotid, stickstoffhaltige Base Adenin; Guaninnukleotid, stickstoffhaltige Base Guanin; Cytosin-Nukleotid, stickstoffhaltige Base Cytosin; Thymin-Nukleotid, stickstoffhaltige Base Thymin.

Zusammenfügen zweier DNA-Stränge zu einem Molekül

Die Nukleotide A, G, C und T einer Kette sind jeweils mit den Nukleotiden T, C, G und A einer anderen Kette verbunden Wasserstoffbrücken. Zwischen A und T werden zwei Wasserstoffbrückenbindungen und zwischen G und C drei Wasserstoffbrückenbindungen gebildet (A=T, G≡C).

Basenpaare (Nukleotide) A – T und G – C werden als komplementär, also einander entsprechend, bezeichnet. Komplementarität- Dies ist die chemische und morphologische Korrespondenz von Nukleotiden zueinander in gepaarten DNA-Ketten.

5 ’ 3 ’

1 2 3

3’ 5’

Reis. 12 Abschnitt der DNA-Doppelhelix. Die Struktur des Nukleotids (1 – Phosphorsäurerest; 2 – Desoxyribose; 3 – stickstoffhaltige Base). Verbindung von Nukleotiden über Wasserstoffbrückenbindungen.

Ketten im DNA-Molekül antiparallel, d. h. in entgegengesetzte Richtungen gerichtet, so dass das 3'-Ende des einen Strangs dem 5'-Ende des anderen Strangs gegenüberliegt. Die genetische Information in der DNA wird vom 5'-Ende zum 3'-Ende geschrieben. Dieser Strang wird Sinnes-DNA genannt.

denn dort sind die Gene. Der zweite Faden – 3'–5' – dient als Standard für die Speicherung genetischer Informationen.

Das Verhältnis zwischen der Anzahl verschiedener Basen in der DNA wurde 1949 von E. Chargaff ermittelt. Chargaff fand heraus, dass in der DNA verschiedener Arten die Menge an Adenin gleich der Menge an Thymin und die Menge an Guanin gleich der Menge an ist Cytosin.

E. Chargaffs Regel:

In einem DNA-Molekül ist die Anzahl der A-Nukleotide (Adenin) immer gleich der Anzahl der T-Nukleotide (Thymin) oder das Verhältnis ∑ A zu ∑ T=1. Die Summe der G-(Guanin-)Nukleotide ist gleich der Summe der C-(Cytosin-)Nukleotide oder dem Verhältnis von ∑ G zu ∑ C=1;

die Summe der Purinbasen (A + G) ist gleich der Summe der Pyrimidinbasen (T + C) oder dem Verhältnis von ∑ (A + G) zu ∑ (T + C) = 1;

Methode der DNA-Synthese – Replikation. Bei der Replikation handelt es sich um den Prozess der Selbstverdoppelung des DNA-Moleküls, der im Zellkern unter der Kontrolle von Enzymen durchgeführt wird. Es kommt zur Selbstverdoppelung des DNA-Moleküls basierend auf Komplementarität- strikte Übereinstimmung der Nukleotide zueinander in gepaarten DNA-Ketten. Zu Beginn des Replikationsprozesses entwindet sich das DNA-Molekül in einem bestimmten Bereich (Abb. 13) und löst dabei Wasserstoffbrückenbindungen. An jeder der Ketten entstehen nach dem Aufbrechen von Wasserstoffbrückenbindungen unter Beteiligung des Enzyms DNA-Polymerase, ein Tochterstrang der DNA wird synthetisiert. Das Synthesematerial sind freie Nukleotide, die im Zytoplasma von Zellen enthalten sind. Diese Nukleotide sind komplementär zu den Nukleotiden der beiden Eltern-DNA-Stränge angeordnet. DNA-Polymerase-Enzym bindet komplementäre Nukleotide an den DNA-Matrizenstrang. Zum Beispiel für ein Nukleotid A Die Matrizenkettenpolymerase fügt ein Nukleotid hinzu T und dementsprechend zum G-Nukleotid das C-Nukleotid (Abb. 14). Die Vernetzung komplementärer Nukleotide erfolgt mit Hilfe eines Enzyms DNA-Ligasen. Somit werden zwei Tochterstränge der DNA durch Selbstverdopplung synthetisiert.

Die resultierenden zwei DNA-Moleküle aus einem DNA-Molekül sind halbkonservatives Modell, da sie aus der alten Eltern- und der neuen Tochterkette bestehen und eine exakte Kopie des Elternmoleküls sind (Abb. 14). Die biologische Bedeutung der Replikation liegt in der exakten Übertragung der Erbinformation vom Elternmolekül auf das Kind.

Reis. 13 . Despiralisierung eines DNA-Moleküls durch ein Enzym

1

Reis. 14 . Replikation – die Bildung von zwei DNA-Molekülen aus einem DNA-Molekül: 1 – ein Tochter-DNA-Molekül; 2 – mütterliches (elterliches) DNA-Molekül.

Das DNA-Polymerase-Enzym kann sich entlang des DNA-Strangs nur in der 3' –> 5'-Richtung bewegen. Da die komplementären Stränge im DNA-Molekül in entgegengesetzte Richtungen gerichtet sind und sich das DNA-Polymerase-Enzym entlang des DNA-Strangs nur in der 3'->5'-Richtung bewegen kann, verläuft die Synthese neuer Stränge antiparallel ( nach dem Prinzip der Antiparallelität).

Ort der DNA. DNA ist im Zellkern, in der Matrix von Mitochondrien und Chloroplasten enthalten.

Die DNA-Menge in der Zelle ist konstant und beträgt 6,6x10 -12 g.

DNA-Funktionen:

Speicherung und Übertragung genetischer Informationen über mehrere Generationen an Moleküle und - RNA;

Strukturell. DNA ist die strukturelle Basis der Chromosomen (das Chromosom besteht zu 40 % aus DNA).

DNA-Artenspezifität. Als Artkriterium dient die Nukleotidzusammensetzung der DNA.

RNA, Struktur und Funktionen.

Allgemeine Struktur.

RNA ist ein lineares Biopolymer, das aus einer einzelnen Polynukleotidkette besteht. Unterscheiden Sie zwischen Primär- und Sekundärstrukturen der RNA. Die Primärstruktur der RNA ist ein einzelsträngiges Molekül, während die Sekundärstruktur kreuzförmig ist und charakteristisch für die t-RNA ist.

Polymerismus des RNA-Moleküls. Ein RNA-Molekül kann zwischen 70 und 30.000 Nukleotide umfassen. Die Nukleotide, aus denen die RNA besteht, sind wie folgt: Adenyl (A), Guanyl (G), Cytidyl (C), Uracil (U). In der RNA wird ein Thymin-Nukleotid durch ein Uracil-Nukleotid (U) ersetzt.

Die Struktur des RNA-Nukleotids.

Das RNA-Nukleotid umfasst 3 Links:

stickstoffhaltige Base (Adenin, Guanin, Cytosin, Uracil);

Monosaccharid - Ribose (in Ribose befindet sich an jedem Kohlenstoffatom Sauerstoff);

Phosphorsäurereste.

Methode der RNA-Synthese – Transkription. Die Transkription ist wie die Replikation eine Matrizensynthesereaktion. Die Matrix ist das DNA-Molekül. Die Reaktion verläuft nach dem Prinzip der Komplementarität an einem der DNA-Stränge (Abb. 15). Der Transkriptionsprozess beginnt mit der Despiralisierung eines DNA-Moleküls an einer bestimmten Stelle. Der transkribierte DNA-Strang hat Promoter - eine Gruppe von DNA-Nukleotiden, von der aus die Synthese eines RNA-Moleküls beginnt. Ein Enzym bindet an einen Promotor RNA-Polymerase. Das Enzym aktiviert den Transkriptionsprozess. Nach dem Komplementaritätsprinzip werden die vom Zytoplasma der Zelle kommenden Nukleotide zur transkribierten DNA-Kette vervollständigt. RNA-Polymerase aktiviert die Ausrichtung von Nukleotiden in einer Kette und die Bildung eines RNA-Moleküls.

Der Transkriptionsprozess besteht aus vier Phasen: 1) Bindung der RNA-Polymerase an einen Promotor; 2) der Beginn der Synthese (Initiation); 3) Verlängerung – das Wachstum der RNA-Kette, d. h. es kommt zu einer sequentiellen Bindung von Nukleotiden aneinander; 4) Termination – Abschluss der mRNA-Synthese.

Reis. 15 . Transkriptionsschema

1 - DNA-Molekül (Doppelstrang); 2 – RNA-Molekül; 3-Codons; 4- Promoter.

Im Jahr 1972 gründeten amerikanische Wissenschaftler – der Virologe H.M. Temin und der Molekularbiologe D. Baltimore entdeckten die reverse Transkription von Viren in Tumorzellen. Reverse Transkription Umschreiben genetischer Informationen von RNA in DNA. Der Prozess wird mit Hilfe eines Enzyms durchgeführt. umgekehrte Transkriptase.

RNA-Typen nach Funktion

Messenger- oder Messenger-RNA (i-RNA oder mRNA) überträgt genetische Informationen vom DNA-Molekül zum Ort der Proteinsynthese – dem Ribosom. Im Zellkern unter Beteiligung des Enzyms RNA-Polymerase synthetisiert. Es macht 5 % aller Arten von Zell-RNA aus. mRNA umfasst 300 bis 30.000 Nukleotide (die längste Kette unter den RNAs).

Transfer-RNA (t-RNA) transportiert Aminosäuren zum Ort der Proteinsynthese, dem Ribosom. Es hat die Form eines Kreuzes (Abb. 16) und besteht aus 70 - 85 Nukleotiden. Seine Menge in der Zelle beträgt 10-15 % der RNA der Zelle.

Reis. 16. Schema der Struktur von t-RNA: A-D – Nukleotidpaare, die durch Wasserstoffbrückenbindungen verbunden sind; E – der Ort der Bindung der Aminosäure (Akzeptorstelle); E – Anticodon.

3. Ribosomale RNA (r-RNA) wird im Nukleolus synthetisiert und ist Teil der Ribosomen. Enthält etwa 3000 Nukleotide. Es macht 85 % der RNA der Zelle aus. Diese Art von RNA kommt im Zellkern, in Ribosomen, auf dem endoplasmatischen Retikulum, in Chromosomen, in der mitochondrialen Matrix und auch in Plastiden vor.

Grundlagen der Zytologie. Lösung typischer Aufgaben

Aufgabe 1

Wie viele Thymin- und Adenin-Nukleotide sind in der DNA enthalten, wenn darin 50 Cytosin-Nukleotide vorkommen, also 10 % aller Nukleotide?

Lösung. Gemäß der Komplementaritätsregel im DNA-Doppelstrang ist Cytosin immer komplementär zu Guanin. 50 Cytosin-Nukleotide machen 10 % aus, daher machen nach der Chargaff-Regel auch 50 Guanin-Nukleotide 10 % aus, oder (wenn ∑C = 10 %, dann ∑G = 10 %).

Die Summe eines Nukleotidpaares C + G beträgt 20 %

Die Summe eines Nukleotidpaares T + A = 100 % – 20 % (C + G) = 80 %

Um herauszufinden, wie viele Thymin- und Adeninnukleotide in der DNA enthalten sind, müssen Sie das folgende Verhältnis ermitteln:

50 Cytosin-Nukleotide → 10 %

X (T + A) → 80 %

X \u003d 50x80: 10 \u003d 400 Stück

Nach der Chargaff-Regel gilt ∑A= ∑T, also ∑A=200 und ∑T=200.

Antwort: Die Anzahl der Thymin- und Adeninnukleotide in der DNA beträgt 200.

Aufgabe 2

Thyminnukleotide in der DNA machen 18 % der Gesamtzahl der Nukleotide aus. Bestimmen Sie den Prozentsatz anderer Arten von Nukleotiden, die in der DNA enthalten sind.

Lösung.∑T=18 %. Nach der Chargaff-Regel gilt ∑T=∑A, daher machen Adeninnukleotide ebenfalls 18 % aus (∑A=18 %).

Die Summe des T + A-Basenpaares beträgt 36 % (18 % + 18 % = 36 %). Für ein Nukleotidpaar beträgt Gi C: G + C = 100 % –36 % = 64 %. Da Guanin immer komplementär zu Cytosin ist, ist ihr Gehalt in der DNA gleich.

d.h. ∑ G= ∑C=32%.

Antwort: Der Gehalt an Guanin beträgt wie auch an Cytosin 32 %.

Aufgabe 3

20 Cytosin-DNA-Nukleotide machen 10 % der Gesamtzahl der Nukleotide aus. Wie viele Adeninnukleotide enthält ein DNA-Molekül?

Lösung. Im Doppelstrang der DNA ist die Menge an Cytosin gleich der Menge an Guanin, daher beträgt ihre Summe: C+G=40 Nukleotide. Finden Sie die Gesamtzahl der Nukleotide:

20 Cytosin-Nukleotide → 10 %

X (Gesamtzahl der Nukleotide) → 100 %

X=20x100:10=200 Stück

A + T \u003d 200 - 40 \u003d 160 Stück

Da Adenin komplementär zu Thymin ist, ist ihr Gehalt gleich.

d.h. 160 Stück: 2=80 Stück, oder ∑A=∑T=80.

Antwort: Ein DNA-Molekül besteht aus 80 Adeninnukleotiden.

Aufgabe 4

Fügen Sie die Nukleotide des rechten DNA-Strangs hinzu, wenn die Nukleotide des linken Strangs bekannt sind: AGA – TAT – GTG – TCT

Lösung. Der Aufbau der rechten DNA-Kette entsprechend einer gegebenen linken Kette erfolgt nach dem Prinzip der Komplementarität – strikte Übereinstimmung der Nukleotide untereinander: Adenon – Thymin (A-T), Guanin – Cytosin (G-C). Daher sollten die Nukleotide des rechten DNA-Strangs wie folgt lauten: TCT – ATA – CAC – AGA.

Antwort: Nukleotide des rechten DNA-Strangs: TCT – ATA – CAC – AGA.

Aufgabe 5

Notieren Sie die Transkription, wenn die transkribierte DNA-Kette die folgende Nukleotidreihenfolge aufweist: AGA – TAT – THT – TCT.

Lösung. Das i-RNA-Molekül wird nach dem Komplementaritätsprinzip an einem der Stränge des DNA-Moleküls synthetisiert. Wir kennen die Reihenfolge der Nukleotide im transkribierten DNA-Strang. Daher ist es notwendig, einen komplementären mRNA-Strang aufzubauen. Es sollte daran erinnert werden, dass das RNA-Molekül anstelle von Thymin Uracil enthält. Somit:

DNA-Kette: AGA – TAT – TGT – TCT

i-RNA-Kette: UCU – AUA – ACA – AGA.

Antwort: Die i-RNA-Nukleotidsequenz ist wie folgt: UCU - AUA - ACA -AGA.

Aufgabe 6

Schreiben Sie die umgekehrte Transkription auf, d. h. bauen Sie ein Fragment eines doppelsträngigen DNA-Moleküls entsprechend dem vorgeschlagenen mRNA-Fragment auf, wenn die mRNA-Kette die folgende Nukleotidsequenz aufweist:

GCG – ACA – UUU – UCG – CSU – ASU – AGA

Lösung. Reverse Transkription ist die Synthese eines DNA-Moleküls basierend auf dem genetischen Code der mRNA. Die für das DNA-Molekül kodierende i-RNA hat die folgende Nukleotidreihenfolge: GCG – ACA – UUU – UCG – CGU – AGU – AGA. Die dazu komplementäre DNA-Kette: CHC – TGT – AAA – AGC – HCA – TCA – TCT. Zweiter DNA-Strang: GCH-ACA-TTT-TCG-CGT-AGT-AGA.

Antwort: Als Ergebnis der umgekehrten Transkription wurden zwei Ketten des DNA-Moleküls synthetisiert: CHC – THT – AAA – AGC – HCA – TCA und GCH – ACA – TTT – TCH – CH – AGT – AGA.

Genetischer Code. Proteinbiosynthese.

Gen– ein Abschnitt eines DNA-Moleküls, der genetische Informationen über die Primärstruktur eines bestimmten Proteins enthält.

Exon-Intron-Struktur eines GensEukaryoten

Promoter- DNA-Abschnitt (bis zu 100 Nukleotide lang), an den sich das Enzym bindet RNA-Polymerase für die Transkription erforderlich;

2) Regulierungsbereich– Zone, die die Genaktivität beeinflusst;

3) struktureller Teil eines Gens- genetische Informationen über die Primärstruktur des Proteins.

Eine Sequenz von DNA-Nukleotiden, die genetische Informationen über die Primärstruktur eines Proteins enthält – Exon. Sie sind auch Teil der mRNA. Eine Sequenz von DNA-Nukleotiden, die keine genetische Information über die Primärstruktur eines Proteins enthält – Einleitung. Sie sind nicht Teil der mRNA. Bei der Transkription werden mit Hilfe spezieller Enzyme Kopien von Introns aus der mRNA herausgeschnitten und Kopien von Exons bei der Bildung eines mRNA-Moleküls fusioniert (Abb. 20). Dieser Vorgang wird aufgerufen Spleißen.

Reis. 20 . Spleißschema (Bildung reifer mRNA in Eukaryoten)

genetischer Code - ein System von Nukleotidsequenzen in einem DNA-Molekül oder mRNA, das der Aminosäuresequenz in einer Polypeptidkette entspricht.

Eigenschaften des genetischen Codes:

Dreiheit(ACA – GTG – GCG…)

Der genetische Code ist Triplett, da jede der 20 Aminosäuren durch eine Sequenz aus drei Nukleotiden kodiert wird ( Triplett, Codon).

Es gibt 64 Arten von Nukleotidtripletts (4 3 = 64).

Eindeutigkeit (Spezifität)

Der genetische Code ist eindeutig, weil Jedes einzelne Nukleotidtriplett (Codon) kodiert nur eine Aminosäure, oder ein Codon entspricht immer einer Aminosäure (Tabelle 3).

Multiplizität (Redundanz oder Entartung)

Die gleiche Aminosäure kann durch mehrere Tripletts (von 2 bis 6) kodiert werden, da es 20 proteinbildende Aminosäuren und 64 Tripletts gibt.

Kontinuität

Das Ablesen genetischer Informationen erfolgt in einer Richtung, von links nach rechts. Fällt ein Nukleotid aus, tritt beim Ablesen das nächstgelegene Nukleotid des benachbarten Tripletts an seine Stelle, was zu einer Veränderung der genetischen Information führt.

Vielseitigkeit

Der genetische Code ist für alle lebenden Organismen charakteristisch, und in allen lebenden Organismen kodieren dieselben Tripletts für dieselbe Aminosäure.

Hat Anfangs- und Endtripel(Starttriplett - AUG, Endtriplett UAA, UGA, UAG). Diese Arten von Tripletts kodieren nicht für Aminosäuren.

Nicht überlappend (Diskretheit)

Der genetische Code überschneidet sich nicht, da dasselbe Nukleotid nicht gleichzeitig Teil zweier benachbarter Tripletts sein kann. Nukleotide können nur zu einem Triplett gehören, und wenn sie zu einem anderen Triplett umgeordnet werden, ändert sich die genetische Information.

Tabelle 3 – Tabelle des genetischen Codes

Hinweis: Die abgekürzten Namen der Aminosäuren entsprechen der internationalen Terminologie.

Proteinbiosynthese

Proteinbiosynthese - Art des Kunststoffaustausches Stoffe in der Zelle, die in lebenden Organismen unter der Wirkung von Enzymen vorkommen. Der Proteinbiosynthese gehen Matrixsynthesereaktionen voraus (Replikation – DNA-Synthese; Transkription – RNA-Synthese; Übersetzung – Zusammenbau von Proteinmolekülen auf Ribosomen). Im Prozess der Proteinbiosynthese werden 2 Stufen unterschieden:

Transkription

übertragen

Bei der Transkription wird die genetische Information, die in der DNA in den Chromosomen des Zellkerns enthalten ist, auf das RNA-Molekül übertragen. Nach Abschluss des Transkriptionsprozesses gelangt mRNA durch Poren in der Kernmembran in das Zytoplasma der Zelle, befindet sich zwischen zwei Untereinheiten des Ribosoms und ist an der Proteinbiosynthese beteiligt.

Unter Translation versteht man den Prozess der Übersetzung des genetischen Codes in eine Sequenz von Aminosäuren. Die Translation erfolgt im Zytoplasma der Zelle an Ribosomen, die sich auf der Oberfläche des EPS (endoplasmatisches Retikulum) befinden. Ribosomen sind kugelförmige Körnchen mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 20 nm, die aus großen und kleinen Untereinheiten bestehen. Das mRNA-Molekül befindet sich zwischen zwei Untereinheiten des Ribosoms. Am Translationsprozess sind Aminosäuren, ATP, i-RNA, t-RNA und das Enzym Aminoacyl-t-RNA-Synthetase beteiligt.

Codon- ein Abschnitt eines DNA-Moleküls oder i-RNA, bestehend aus drei aufeinanderfolgenden Nukleotiden, die eine Aminosäure kodieren.

Anticodon- ein Abschnitt des t-RNA-Moleküls, bestehend aus drei aufeinanderfolgenden Nukleotiden und komplementär zum Codon des m-RNA-Moleküls. Codons sind komplementär zu den entsprechenden Anticodons und über Wasserstoffbrücken mit diesen verbunden (Abb. 21).

Die Proteinsynthese beginnt mit Startcodon AUG. Von ihm das Ribosom

bewegt sich Triplett für Triplett entlang des RNA-Moleküls. Aminosäuren stammen aus dem genetischen Code. Ihre Integration in die Polypeptidkette am Ribosom erfolgt mit Hilfe von t-RNA. Die Primärstruktur der t-RNA (Kette) geht in die Sekundärstruktur über, die in ihrer Form einem Kreuz ähnelt, und gleichzeitig bleibt darin die Komplementarität der Nukleotide erhalten. Im unteren Teil der t-RNA befindet sich eine Akzeptorstelle, an die eine Aminosäure gebunden ist (Abb. 16). Die Aktivierung von Aminosäuren erfolgt mit Hilfe eines Enzyms Aminoacyl-tRNA-Synthetase. Der Kern dieses Prozesses besteht darin, dass dieses Enzym mit Aminosäuren und ATP interagiert. In diesem Fall entsteht ein Dreifachkomplex, dargestellt durch dieses Enzym, Aminosäure und ATP. Die Aminosäure wird mit Energie angereichert, aktiviert und erhält die Fähigkeit, Peptidbindungen mit der benachbarten Aminosäure zu bilden. Ohne den Prozess der Aminosäureaktivierung kann aus Aminosäuren keine Polypeptidkette gebildet werden.

Der gegenüberliegende, obere Teil des tRNA-Moleküls enthält ein Nukleotidtriplett Anticodon, mit deren Hilfe t-RNA an ihr komplementäres Codon gebunden wird (Abb. 22).

Das erste t-RNA-Molekül, an das eine aktivierte Aminosäure gebunden ist, bindet sein Anticodon an das mRNA-Codon und eine Aminosäure erscheint im Ribosom. Anschließend wird die zweite t-RNA mit ihrem Anticodon an das entsprechende Codon der mRNA gebunden. Gleichzeitig befinden sich im Ribosom bereits 2 Aminosäuren, zwischen denen eine Peptidbindung gebildet wird. Die erste tRNA verlässt das Ribosom, sobald sie eine Aminosäure an die Polypeptidkette am Ribosom spendet. Dann wird die dritte Aminosäure an das Dipeptid gebunden, sie wird durch die dritte t-RNA gebracht usw. Die Proteinsynthese stoppt an einem der terminalen Codons – UAA, UAG, UGA (Abb. 23).

1 – mRNA-Codon; CodonsUCG-UCG; CUA-CUA; CGU-CSU;

2 – t-RNA-Anticodon; Anticodon GAT - GAT

Reis. 21 . Translationsphase: Das mRNA-Codon wird durch die entsprechenden komplementären Nukleotide (Basen) vom tRNA-Anticodon angezogen.

Verschränkung zweier DNA-Stränge – der Prozess der Bildung von Verflechtungen von DNA-Ketten während ihrer Zyklisierung. Wenn ein Paar oder eine größere Anzahl von Polymerketten geschlossen wird, können sie verschiedene Arten von Bindungen eingehen. Insbesondere die Stränge der Doppelhelix in der zirkulär geschlossenen Form der DNA bilden die Verknüpfung (hier wird die DNA-Doppelhelix hauptsächlich als einzelne Polymerkette betrachtet). Verknüpfte DNA-Moleküle kommen in der Natur recht häufig vor und können im Labor gewonnen werden. Glieder zweier Ketten haben im Allgemeinen unendlich viele topologisch nicht äquivalente Typen. Das Konzept der Verknüpfungsreihenfolge charakterisiert eindeutig nur Verknüpfungen einer bestimmten Klasse, die in zirkulär geschlossener DNA gebildet werden. Das Gesamtbild sieht deutlich komplizierter aus.

Bei einer zufälligen Cyclisierung einer Polymerkette in Lösung kann diese in unterschiedlichen topologischen Zuständen vorliegen. Bei isolierten Stromkreisen, d.h. Ohne Berücksichtigung der resultierenden Zusammenhänge reduziert sich diese Frage nach der Wahrscheinlichkeit dieser topologischen Zustände auf die Wahrscheinlichkeit der Bildung verschiedener Knoten in einem zufälligen Abschluss. Wenn wir die Wahrscheinlichkeit einer Verschränkung berücksichtigen, sollten wir zunächst die Frage nach der Wahrscheinlichkeit der Bildung eines verschränkten Zustands (oder eines nicht ineinandergreifenden Zustands) im Falle eines zufälligen Verschlusses zweier Ketten mit einem bestimmten Abstand zwischen ihnen berücksichtigen Massenschwerpunkte, R (Klenin K.V. ea, 1988, Frank-Kamenetskii M.D. ea, 1975, Vologodsky A.V. et al., 1974a und Iwata K., 1983). Die Ergebnisse solcher Berechnungen für das Modell einer unendlich dünnen Kette (Klenin K.V. ea, 1988) sind in dargestellt. Unterschiedliche Kurven entsprechen einer unterschiedlichen Anzahl von Segmenten in jeder der Ketten (es wird davon ausgegangen, dass beide Ketten aus der gleichen Anzahl von Segmenten bestehen): 1 – 20 Segmente, 2 – 40, 3 – 80 Segmente. Eine signifikante Wahrscheinlichkeit der Bildung von Verknüpfungen für kleine R bedeutet, dass die Anzahl der Zustände eines Systems aus zwei nicht verknüpften Ketten deutlich abnimmt, wenn sie sich einander nähern. Daher ist die Lösung unverknüpfter, unendlich dünner kreisförmiger Polymerketten nicht ideal. Es entsteht eine Abstoßung zwischen den Ketten, die entropischer Natur ist. In der statistischen Mechanik wird eine solche Abstoßung üblicherweise quantitativ durch den zweiten Virialkoeffizienten B charakterisiert (Landau L. und Lifshitz E.M., 1964). Die B-Werte für die gelöste Ringlösung können aus den Daten in Abb. berechnet werden. Die Wahrscheinlichkeit der Bildung einer Verbindung zwischen zwei Ketten. Es stellt sich heraus, dass diese Werte (siehe Abb. Berechnung des zweiten Virialkoeffizienten) nahe am Wert von B liegen, der kugelförmigen Partikeln entspricht, die füreinander undurchlässig sind und einen Radius haben, der dem quadratischen Mittelwertradius entspricht der Gyration einer geschlossenen Polymerkette (Klenin K.V. ea, 1988). Selbst ideale, unendlich dünne geschlossene Ketten müssen daher eine starke gegenseitige Abstoßung erfahren, was ausschließlich auf topologische Einschränkungen zurückzuführen ist.

Catenans, d.h. In einigen Zellen wurden Verknüpfungen von DNA-Molekülen gefunden (Clayton D.A. und Vinograd J., 1967, Hudson B. und Vinograd J., 1967). Ein Beispiel für eine topologische Struktur mit Verschränkungen sind riesige Netzwerke verschlungener zirkulärer DNA-Kinetoplasten (siehe Übersicht von Borst P. und Hoeijmakers J.H.J., 1979). Diese Netzwerke umfassen Zehntausende zirkulärer DNA-Moleküle, von denen die meisten eine identische Struktur haben.

Die wichtigsten Methoden zur Untersuchung der Topologie doppelsträngiger DNA sind Elektronenmikroskopie und Gelelektrophorese. Auf einer herkömmlichen elektronenmikroskopischen Aufnahme von DNA ist es jedoch eher schwierig, die Topologie von Molekülen zu analysieren, da schwer zu beurteilen ist, welcher der Stränge an den Kreuzungspunkten auf dem Substrat höher und welcher niedriger liegt. Durch die Bindung der Doppelhelix an das recA-Protein wurde diese Schwierigkeit erstmals weitgehend überwunden (Krasnow M.A. ea, 1983). In diesem Fall verdickt sich der DNA-Strang so stark, dass die Struktur der Schnittpunkte von DNA-Segmenten auf den Fotos deutlich sichtbar ist. Andererseits unterscheiden sich verknüpfte DNA-Moleküle in der Gelmobilität von nicht verknüpften Molekülen, was eine Trennung durch Elektrophorese ermöglicht (siehe Wasserman S.A. und Cozzarelli N.R., 1986). Natürlich erfordert diese Methode eine besondere Kalibrierung, da es unmöglich ist, im Voraus zu sagen, welche Position im Gel eine bestimmte topologische Struktur relativ zur ungeknoteten zirkulären Form der DNA einnehmen soll. Derzeit liegt jedoch bereits eine recht große Menge an experimentellem Material zur Mobilität verschiedener topologischer Strukturen in Bezug auf unverknotete Topoisomere der untersuchten DNA vor. Bei der Untersuchung verschränkter DNA-Moleküle mit dieser Methode müssen diese natürlich Einzelstrangbrüche enthalten, da sonst die Beweglichkeit auch von der Reihenfolge der Verschränkung der Stränge der Doppelhelix abhängt.

Fortsetzung. Siehe Nr. 11, 12, 13, 14, 15/2005

Biologieunterricht im naturwissenschaftlichen Unterricht

Fortgeschrittene Planung, Klasse 10

Nukleotide werden in einer Kondensationsreaktion miteinander verknüpft. In diesem Fall entsteht eine Esterbindung zwischen dem 3"-Kohlenstoffatom des Zuckerrests eines Nukleotids und dem Phosphorsäurerest des anderen. Dadurch entstehen unverzweigte Polynukleotidketten. Ein Ende der Polynukleotidkette (genannt 5 " Ende) endet mit einem Phosphorsäuremolekül, das an das 5"-Kohlenstoffatom gebunden ist, das andere (es wird das 3"-Ende genannt) - ein Wasserstoffion, das an das 3"-Kohlenstoffatom gebunden ist. Eine Kette aufeinanderfolgender Nukleotide bildet die Primärstruktur von DNA.

Somit ist das Gerüst der Polynukleotidkette Kohlenhydrat-Phosphat, da Nukleotide sind durch die Bildung kovalenter Bindungen (Phosphodiesterbrücken) miteinander verbunden, wobei die Phosphatgruppe eine Brücke zwischen dem C 3-Atom eines Zuckermoleküls und dem C 5-Atom des nächsten Zuckermoleküls bildet. Starke kovalente Bindungen zwischen Nukleotiden verringern das Risiko eines „Zusammenbruchs“ von Nukleinsäuren.

Wenn ein aus vier Arten von Nukleotiden gebildetes Polynukleotid 1000 Verknüpfungen enthält, beträgt die Anzahl der möglichen Varianten seiner Zusammensetzung 4 1000 (dies ist eine Zahl mit 6000 Nullen). Daher können nur vier Arten von Nukleotiden eine große Vielfalt an Nukleinsäuren und die darin enthaltenen Informationen bereitstellen.

Im Jahr 1950 machte der englische Physiker Maurice Wilkins eine Röntgenaufnahme der DNA. Sie zeigte, dass das DNA-Molekül eine bestimmte Struktur hat, deren Entschlüsselung helfen würde, den Mechanismus seiner Funktionsweise zu verstehen. Mithilfe von Röntgenstrahlen, die an hochgereinigter DNA aufgenommen wurden, konnte Rosalind Franklin ein deutliches kreuzförmiges Muster erkennen – das Erkennungszeichen einer Doppelhelix. Es wurde bekannt, dass die Nukleotide einen Abstand von 0,34 nm voneinander haben und es 10 davon pro Windung der Helix gibt.

Der Durchmesser eines DNA-Moleküls beträgt etwa 2 nm. Aus den Röntgendaten ging jedoch nicht klar hervor, wie die beiden Stränge zusammengehalten wurden.

Völlig klar wurde das Bild im Jahr 1953, als der amerikanische Biochemiker James Watson und der englische Physiker Francis Crick nach Betrachtung aller bekannten Daten zur Struktur der DNA zu dem Schluss kamen, dass sich das Zucker-Phosphat-Rückgrat an der Peripherie befindet Das DNA-Molekül und die Purin- und Pyrimidinbasen befinden sich in der Mitte.

D. Watson und F. Crick fanden heraus, dass zwei DNA-Polynukleotidketten umeinander und um eine gemeinsame Achse verdreht sind. DNA-Ketten sind antiparallel (multidirektional), d. h. Gegenüber dem 3-Zoll-Ende einer Kette befindet sich das 5-Zoll-Ende der anderen (stellen Sie sich zwei Schlangen vor, die zu einer Spirale verdreht sind – der Kopf der einen zum Schwanz der anderen). Die Spirale ist normalerweise nach rechts gedreht, es gibt jedoch auch Fälle, in denen sich eine Linksspirale bildet.

Noch vor der Entdeckung von Watson und Crick stellte der australische Biochemiker Edwin Chargaff dies 1950 fest In der DNA eines jeden Organismus ist die Anzahl der Adenylnukleotide gleich der Anzahl der Thymidylnukleotide und die Anzahl der Guanylnukleotide entspricht der Anzahl der Cytosylnukleotide (A = T, G = C) oder der Gesamtzahl der stickstoffhaltigen Purinbasen ist gleich der Gesamtzahl der stickstoffhaltigen Pyrimidinbasen (A + G = C + T). Diese Muster werden „Chargaff-Regeln“ genannt.

Tatsache ist, dass bei der Bildung einer Doppelhelix die stickstoffhaltige Base von Adenin in einer Kette immer der stickstoffhaltigen Base von Adenin in der anderen Kette entgegengesetzt ist und das Gegenteil von Guanin Cytosin ist, das heißt, die DNA-Ketten scheinen es zu sein ergänzen. Und diese gepaarten Nukleotide komplementär zueinander (von lat. Komplementum- Ergänzung). Wir sind bereits mehrfach auf die Manifestation der Komplementarität gestoßen (das aktive Zentrum des Enzyms und das Substratmolekül sind komplementär zueinander; Antigen und Antikörper sind komplementär zueinander).

Warum wird dieses Prinzip befolgt? Um diese Frage zu beantworten, müssen wir uns an die chemische Natur stickstoffhaltiger heterozyklischer Basen erinnern. Adenin und Guanin gehören zu den Purinen, Cytosin und Thymin zu den Pyrimidinen, d. h. es werden keine Bindungen zwischen stickstoffhaltigen Basen gleicher Natur hergestellt. Darüber hinaus entsprechen komplementäre Basen geometrisch einander, d. h. in Größe und Form.

Auf diese Weise, Komplementarität von Nukleotiden ist die chemische und geometrische Übereinstimmung der Strukturen ihrer Moleküle zueinander..

Stickstoffbasen enthalten stark elektronegative Sauerstoff- und Stickstoffatome, die eine teilweise negative Ladung tragen, sowie Wasserstoffatome, an denen eine teilweise positive Ladung entsteht. Aufgrund dieser Teilladungen entstehen Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den stickstoffhaltigen Basen der antiparallelen Sequenzen des DNA-Moleküls.

Bildung von Wasserstoffbrückenbindungen zwischen komplementären stickstoffhaltigen Basen

Es gibt zwei Wasserstoffbrückenbindungen zwischen Adenin und Thymin (A=T) und drei Wasserstoffbrückenbindungen zwischen Guanin und Cytosin (G=C). Eine solche Verbindung von Nukleotiden sorgt erstens für die Bildung der maximalen Anzahl von Wasserstoffbrückenbindungen und zweitens für den gleichen Abstand zwischen den Ketten über die gesamte Länge der Helix.

Aus all dem oben Gesagten folgt, dass man, wenn man die Reihenfolge der Nukleotide in einer Helix kennt, die Reihenfolge der Nukleotide auf der anderen Helix herausfinden kann.

Der doppelte komplementäre Strang bildet die Sekundärstruktur der DNA. Die helikale Form der DNA ist ihre Tertiärstruktur.

Verallgemeinern des Gesprächs während des Studiums neuer Materialien; Probleme lösen.

Aufgabe 1. Ein Abschnitt einer der Ketten des DNA-Moleküls wurde im Labor untersucht. Es stellte sich heraus, dass es aus 20 Monomeren besteht, die in der folgenden Reihenfolge angeordnet sind: G-T-G-T-A-A-C-G-A-C-C-G-A-T-A-C-T-G -T-A.
Was lässt sich über die Struktur des entsprechenden Abschnitts des zweiten Strangs desselben DNA-Moleküls sagen?

Da wir wissen, dass die Ketten eines DNA-Moleküls zueinander komplementär sind, bestimmen wir die Sequenz der Nukleotide der zweiten Kette desselben DNA-Moleküls: C-A-C-A-T-T-G-C-T-G-G-C-T-A-T- G-A-C-A-T.

Aufgabe 2. Auf einem Fragment einer DNA-Kette sind die Nukleotide in der Reihenfolge angeordnet: A-A-G-T-C-T-A-C-G-T-A-T ...

1. Zeichnen Sie ein Diagramm der Struktur des zweiten Strangs dieses DNA-Moleküls.
2. Wie lang ist dieses DNA-Fragment in nm, wenn ein Nukleotid etwa 0,34 nm lang ist?
3. Wie viele (in %) Nukleotide sind in diesem Fragment des DNA-Moleküls enthalten?

1. Wir vervollständigen den zweiten Strang dieses Fragments des DNA-Moleküls unter Verwendung der Komplementaritätsregel: T-T-C-A-G-A-T-G-C-A-T-A.
2. Bestimmen Sie die Länge dieses DNA-Fragments: 12x0,34=4,08 nm.
3. Berechnen Sie den Prozentsatz der Nukleotide in diesem DNA-Fragment.

24 Nukleotide – 100 %
8A - x %, also x = 33,3 % (A);
Weil nach der Chargaff-Regel ist A = T, was bedeutet, dass der Gehalt an T = 33,3 % ist;
24 Nukleotide – 100 %
4D - x%, daher x \u003d 16,7% (G);
Weil Nach der Chargaff-Regel ist G=C, was bedeutet, dass der Gehalt an C=16,6 % beträgt.

Antwort: T-T-C-A-G-A-T-G-C-A-T-A; 4,08 nm; A=T=33,3 %; G=C=16,7 %

Aufgabe 3. Wie wird der zweite DNA-Strang zusammengesetzt sein, wenn der erste 18 % Guanin, 30 % Adenin und 20 % Thymin enthält?

1. Da wir wissen, dass die Ketten des DNA-Moleküls zueinander komplementär sind, bestimmen wir den Gehalt an Nukleotiden (in %) in der zweiten Kette:

Weil in der ersten Kette G = 18 %, dann in der zweiten Kette C = 18 %;
Weil in der ersten Kette A=30 %, also in der zweiten Kette T=30 %;
Weil in der ersten Kette T=20 %, also in der zweiten Kette A=20 %;

2. Bestimmen Sie den Gehalt an Cytosin in der ersten Kette (in %).

Bestimmen Sie den Anteil von Cytosin im ersten DNA-Strang: 100 % – 68 % = 32 % (C);

Wenn in der ersten Kette C=32 %, dann ist in der zweiten Kette G=32 %.

Antwort: C=18 %; T=30 %; A=20 %; G=32 %

Aufgabe 4. In einem DNA-Molekül sind 23 % der Gesamtzahl der Nukleotide Adenylnukleotide. Bestimmen Sie die Menge an Thymidyl- und Cytosylnukleotiden.

1. Gemäß der Chargaff-Regel ermitteln wir den Gehalt an Thymidylnukleotiden in einem bestimmten DNA-Molekül: A=T=23 %.
2. Ermitteln Sie die Summe (in %) des Gehalts an Adenyl- und Thymidylnukleotiden in einem bestimmten DNA-Molekül: 23 % + 23 % = 46 %.
3. Ermitteln Sie die Summe (in %) des Gehalts an Guanyl- und Cytosylnukleotiden in diesem DNA-Molekül: 100 % – 46 % = 54 %.
4. Nach der Chargaff-Regel machen sie im DNA-Molekül G=C insgesamt 54 % aus, einzeln: 54 % : 2 = 27 %.

Antwort: T=23 %; C=27 %

Aufgabe 5. Gegeben sei ein DNA-Molekül mit einem relativen Molekulargewicht von 69.000, davon 8625 Adenylnukleotide. Das relative Molekulargewicht eines Nukleotids beträgt durchschnittlich 345. Wie viele Nukleotide gibt es einzeln in dieser DNA? Wie lang ist sein Molekül?

1. Bestimmen Sie, wie viele Adenylnukleotide in einem bestimmten DNA-Molekül enthalten sind: 8625: 345 = 25.
2. Nach der Chargaff-Regel gilt A=G, d.h. in diesem DNA-Molekül A=T=25.
3. Bestimmen Sie, wie hoch der Anteil der Guanylnukleotide am Gesamtmolekulargewicht dieser DNA ist: 69.000 - (8625x2) = 51.750.
4. Bestimmen Sie die Gesamtzahl der Guanyl- und Cytosylnukleotide in dieser DNA: 51.750:345=150.
5. Bestimmen Sie den Gehalt an Guanyl- und Cytosylnukleotiden getrennt: 150:2 = 75;
6. Bestimmen Sie die Länge dieses DNA-Moleküls: (25 + 75) x 0,34 = 34 nm.

Antwort: A=T=25; G=C=75; 34 nm.

Problem 6. Nach Ansicht einiger Wissenschaftler beträgt die Gesamtlänge aller DNA-Moleküle im Kern einer menschlichen Keimzelle etwa 102 cm. Wie viele Nukleotidpaare gibt es in der DNA einer Zelle (1 nm = 10–6 mm)? ?

1. Konvertieren Sie Zentimeter in Millimeter und Nanometer: 102 cm = 1020 mm = 1.020.000.000 nm.
2. Wenn wir die Länge eines Nukleotids (0,34 nm) kennen, bestimmen wir die Anzahl der Basenpaare, die in den DNA-Molekülen des menschlichen Gameten enthalten sind: (10 2 x 10 7): 0,34 = 3 x 10 9 Paare.

Antwort: 3x109 Paare.

Studieren Sie den Absatz des Lehrbuchs und die im Unterricht gemachten Notizen (Inhalt, Molekulargewicht von Nukleinsäuren, Nukleotidstruktur, Chargaff-Regel, Prinzip der Komplementarität, Bildung eines doppelsträngigen DNA-Moleküls) und lösen Sie Probleme nach dem Text von der Paragraph.

Ausstattung: Tabellen zur allgemeinen Biologie; Nukleotidstrukturschema; Modell der DNA-Struktur; Diagramme und Zeichnungen, die die Struktur der RNA sowie die Prozesse der Replikation und Transkription veranschaulichen.

Kartenarbeit

Karte 1. Geben Sie die grundlegenden Unterschiede in der Struktur des DNA-Moleküls von den Molekülen anderer Biopolymere (Proteine, Kohlenhydrate) an.

Karte 2. Worauf basiert die enorme Informationskapazität der DNA? Beispielsweise enthält die DNA von Säugetieren 4–6 Milliarden Informationsbits, was einer Bibliothek von 1,5–2.000 Bänden entspricht. Wie spiegelt sich diese Funktion in der Struktur wider?

Karte 3. Beim Erhitzen denaturiert DNA wie Proteine. Was passiert Ihrer Meinung nach mit der Doppelhelix?

Karte 4. Füllen Sie die Lücken im Text aus: „Zwei Stränge des DNA-Moleküls liegen einander gegenüber …“ Die Ketten sind miteinander verbunden..., und gegenüber dem Adenin enthaltenden Nukleotid gibt es immer ein Nukleotid, das... enthält, und gegenüber dem Cytosin enthaltenden - enthaltenden... Dieses Prinzip wird das Prinzip ... genannt. Die Reihenfolge... im Molekül... für jeden Organismus... bestimmt die Reihenfolge... in... . DNA ist also... . DNA ist hauptsächlich in ... Zellen in Eukaryoten und in ... Zellen in Prokaryoten lokalisiert.

1. Nukleinsäuren, ihr Gehalt in lebender Materie, Molekulargewicht.
2. NC – nichtperiodische Polymere. Die Struktur des Nukleotids, Arten von Nukleotiden.
3. Verbindung von Nukleotiden in einer Kette.
4. Bildung eines doppelsträngigen DNA-Moleküls.
5. Chargaff-Regeln. Die Essenz des Prinzips der Komplementarität.

Überprüfung der Richtigkeit der Lösung der im Lehrbuch angegebenen Probleme.

Proteine ​​bilden die Grundlage des Lebens. Ihre Funktionen in der Zelle sind sehr vielfältig. Allerdings können sich Proteine ​​nicht vermehren. Und alle Informationen über die Struktur von Proteinen sind in Genen (DNA) enthalten.

Bei höheren Organismen werden Proteine ​​im Zytoplasma der Zelle synthetisiert und die DNA ist hinter der Hülle des Zellkerns verborgen. Daher kann DNA nicht direkt als Vorlage für die Proteinsynthese dienen. Diese Rolle übernimmt eine andere Nukleinsäure – die RNA.

Das RNA-Molekül ist ein unverzweigtes Polynukleotid mit Tertiärstruktur. Es besteht aus einer Polynukleotidkette, und obwohl die darin enthaltenen komplementären Nukleotide auch in der Lage sind, untereinander Wasserstoffbrückenbindungen zu bilden, treten diese Bindungen zwischen den Nukleotiden einer Kette auf. RNA-Ketten sind viel kürzer als DNA-Ketten. Ist der DNA-Gehalt in einer Zelle relativ konstant, schwankt der RNA-Gehalt stark. Die größte Menge an RNA in Zellen wird während der Proteinsynthese beobachtet.

RNA spielt eine wichtige Rolle bei der Übertragung und Umsetzung von Erbinformationen. Entsprechend der Funktion und den Strukturmerkmalen werden mehrere Klassen zellulärer RNA unterschieden.

Es gibt drei Hauptklassen zellulärer RNA.

1. Informational (mRNA) oder Matrix (mRNA). Seine Moleküle sind hinsichtlich Größe, Molekulargewicht (von 0,05 x 10 6 bis 4 x 10 6) und Stabilität am vielfältigsten. Sie machen etwa 2 % der gesamten RNA-Menge in der Zelle aus. Alle mRNAs sind Träger genetischer Informationen vom Zellkern über das Zytoplasma bis zum Ort der Proteinsynthese. Sie dienen als Matrix (Arbeitszeichnung) für die Synthese eines Proteinmoleküls, da sie die Aminosäuresequenz (Primärstruktur) eines Proteinmoleküls bestimmen.

2. Ribosomale RNA (rRNA). Sie machen 80–85 % des gesamten RNA-Gehalts in der Zelle aus. Ribosomale RNA besteht aus 3–5.000 Nukleotiden. Es wird in den Nukleolen des Zellkerns synthetisiert. Im Komplex mit ribosomalen Proteinen bildet rRNA Ribosomen – Organellen, auf denen Proteinmoleküle zusammengesetzt sind. Die Hauptbedeutung von rRNA besteht darin, dass sie für die anfängliche Bindung von mRNA und Ribosom sorgt und das aktive Zentrum des Ribosoms bildet, in dem während der Synthese der Polypeptidkette Peptidbindungen zwischen Aminosäuren gebildet werden.

3. RNAs übertragen(T RNA). tRNA-Moleküle enthalten normalerweise 75–86 Nukleotide. Das Molekulargewicht von tRNA-Molekülen beträgt etwa 25.000. tRNA-Moleküle spielen die Rolle von Vermittlern in der Proteinbiosynthese – sie liefern Aminosäuren an den Ort der Proteinsynthese, also an Ribosomen. Die Zelle enthält mehr als 30 Arten von tRNA. Jeder tRNA-Typ hat seine eigene einzigartige Nukleotidsequenz. Alle Moleküle verfügen jedoch über mehrere intramolekulare komplementäre Regionen, aufgrund derer alle tRNAs eine Tertiärstruktur aufweisen, die in ihrer Form einem Kleeblatt ähnelt.

Ausfüllen der Tabelle durch Studierende mit anschließender Verifizierung.

Eine der einzigartigen Eigenschaften des DNA-Moleküls ist seine Fähigkeit zur Selbstreplikation – also zur Reproduktion exakter Kopien des ursprünglichen Moleküls. Dadurch erfolgt die Übertragung von Erbinformationen von der Mutterzelle auf die Tochterzellen während der Teilung. Der Prozess der Selbstreplikation eines DNA-Moleküls wird genannt Replikation (Reduplikation).

Die Replikation ist ein komplexer Prozess, an dem Enzyme beteiligt sind (DNA-Polymerasen). Für die Replikation muss die DNA-Doppelhelix zunächst aufgedreht werden. Auch hierfür sorgen spezielle Enzyme – Helikasen Aufbrechen von Wasserstoffbrückenbindungen zwischen Basen. Aber ungedrehte Bereiche reagieren sehr empfindlich auf schädliche Faktoren. Um sie so kurz wie möglich in einem ungeschützten Zustand zu halten, erfolgt die Synthese an beiden Ketten gleichzeitig.

Aber in der mütterlichen DNA sind die beiden Ketten der Doppelhelix antiparallel – gegenüber dem 3'-Ende des einen Strangs liegt das 5'-Ende des anderen, und das DNA-Polymerase-Enzym kann sich nur in eine Richtung „bewegen“ – von der 3"-Ende bis zum 5"-Ende der Vorlagenkette. Daher wird die Replikation einer Hälfte des Ausgangsmoleküls, beginnend mit einem 3'-Nukleotid, nach dem Aufdrehen der Doppelhelix eingeschaltet und gilt als kontinuierlich. Die Replikation der zweiten Molekülhälfte beginnt etwas später und nicht am Anfang (dort, wo sich das 5'-Nukleotid befindet, das die Reaktion verhindert), sondern in einiger Entfernung davon. Gleichzeitig bewegt sich die DNA-Polymerase in die entgegengesetzte Richtung und synthetisiert ein relativ kurzes Fragment. Die Struktur, die in diesem Moment erscheint, wird aufgerufen Replikationsgabel. Wenn die Doppelhelix aufgedreht wird, verschiebt sich die Replikationsgabel: Auf dem zweiten Strang beginnt die Synthese des nächsten Segments und geht zum Anfang des vorherigen, bereits synthetisierten Fragments. Dann werden diese einzelnen Fragmente auf der zweiten Matrixkette (sie werden genannt Fragmente von Okazaki) werden durch das Enzym DNA-Ligase zu einer einzigen Kette vernetzt.

Diagramm der Struktur der DNA-Replikationsgabel

Bei der Replikation wird die Energie von ATP-Molekülen nicht verbraucht, da für die Synthese von Tochterketten während der Replikation keine Desoxyribonukleotide verwendet werden (sie enthalten einen Phosphorsäurerest), sondern Desoxyribonukleosidtriphosphate(enthalten drei Reste Phosphorsäure). Wenn Desoxyribonukleosidtriphosphate in die Polynukleotidkette einbezogen werden, werden zwei endständige Phosphate abgespalten und die freigesetzte Energie wird zur Bildung einer Esterbindung zwischen Nukleotiden verwendet.

Durch die Replikation entstehen zwei doppelte „Tochter“-Helices, von denen jede eine der Hälften der ursprünglichen „mütterlichen“ DNA unverändert bewahrt (konserviert). Die zweiten Ketten von „Tochter“-Molekülen werden aus Nukleotiden neu synthetisiert. Es hat den Namen bekommen halbkonservative DNA.

Das Ablesen von RNA aus einer DNA-Vorlage nennt man Transkription(von lat. Transkription- Umschreiben). Dies geschieht durch ein spezielles Enzym – die RNA-Polymerase. In eukaryotischen Zellen wurden drei verschiedene RNA-Polymerasen gefunden, die verschiedene RNA-Klassen synthetisieren.

Auch die Transkription ist ein Beispiel für eine Templatsynthesereaktion. Die RNA-Kette ist der DNA-Kette sehr ähnlich: Sie besteht ebenfalls aus Nukleotiden (Ribonukleotiden, den Desoxyribonukleotiden sehr ähnlich). RNA wird gemäß dem Komplementaritätsprinzip aus der DNA-Region gelesen, in der sie kodiert ist: Uracil-RNA steht in der DNA im Gegensatz zu Adenin, Cytosin im Gegensatz zu Guanin, Adenin im Gegensatz zu Thymin und Guanin im Gegensatz zu Cytosin.

Innerhalb eines bestimmten Gens dient nur ein Strang zweier komplementärer DNA-Stränge als Matrize für die RNA-Synthese. Diese Schaltung wird als Arbeitsschaltung bezeichnet.

In Übereinstimmung mit anerkannten Konventionen ist der Anfang des Gens links in den Diagrammen dargestellt. Der nicht arbeitende (nicht kodierende) Strang des DNA-Moleküls hat in diesem Fall ein 5-Zoll-Ende, während der arbeitende (kodierende) Strang das Gegenteil hat. Das RNA-Polymerase-Enzym bindet daran Promoter(eine spezifische Sequenz von DNA-Nukleotiden, die das Enzym aufgrund chemischer Affinität „erkennt“ und die sich am 3"-Ende des entsprechenden Abschnitts der Matrizen-DNA-Kette befindet). Erst durch die Bindung an den Promotor kann die RNA-Polymerase starten RNA-Synthese aus freien Ribonukleosidtriphosphaten, die in der Zelle vorhanden sind. Die Energie für die RNA-Synthese ist in den makroenergetischen Bindungen von Ribonukleosidtriphosphaten enthalten.

Verallgemeinern von Gesprächen beim Erlernen neuer Materialien. Die Lösung des Problems.

Aufgabe. Das DNA-Molekül besteht aus zwei Ketten – der Hauptkette, auf der mRNA synthetisiert wird, und der komplementären. Notieren Sie die Reihenfolge der Nukleotide in der synthetisierten mRNA, wenn die Reihenfolge der Nukleotide im Haupt-(Arbeits-)DNA-Strang wie folgt ist: C-G-C-T-G-A-T-A-G.

Mithilfe des Komplementaritätsprinzips bestimmen wir die Reihenfolge der Nukleotide in der mRNA, die entlang der Arbeits-DNA-Kette synthetisiert wird: G-C-G-A-C-U-A-U-C.

Antwort: G-Ts-G-A-Ts-U-A-U-Ts

Studieren Sie den Lehrbuchabschnitt (RNA, ihre Hauptklassen und Funktionen, Unterschiede zwischen DNA und RNA, Replikation und Transkription).

Ausrüstung: allgemeine Biologietabellen, Nukleotidstrukturdiagramm, DNA-Strukturmodell, Diagramme und Zeichnungen, die die Struktur von RNA, Replikations- und Transkriptionsprozesse veranschaulichen.

1. RNA und ihre Bedeutung in der Zelle.
2. Klassen zellulärer RNA und ihre Funktionen ( drei Studenten).
3. Replikation, ihr Mechanismus und ihre Bedeutung.
4. Transkription, ihr Mechanismus und ihre Bedeutung.

Der Lehrer liest die Thesen unter den Nummern vor, die Schüler notieren im Heft die Nummern derjenigen Thesen, die inhaltlich zu ihrer Version passen.

Option 1 – DNA; Option 2 – RNA.

1. Einzelsträngiges Molekül.
2. Doppelsträngiges Molekül.
3. Enthält Adenin, Uracil, Guanin, Cytosin.
4. Enthält Adenin, Thymin, Guanin, Cytosin.
5. Ribose ist ein Teil von Nukleotiden.
6. Nukleotide enthalten Desoxyribose.
7. Enthalten im Zellkern, Chloroplasten, Mitochondrien, Zentriolen, Ribosomen, Zytoplasma.
8. Enthalten im Zellkern, Chloroplasten, Mitochondrien.
9. Beteiligt sich an der Speicherung, Reproduktion und Übermittlung erblicher Informationen.
10. Beteiligt sich an der Übertragung erblicher Informationen.

Option 1 - 2; 4; 6; 8; 9;

Option 2 - 1; 3; 5; 7; 10.

Probleme lösen

Aufgabe 1. Die chemische Analyse zeigte, dass 28 % der Gesamtzahl der Nukleotide dieser mRNA Adenin, 6 % Guanin und 40 % Uracil sind. Wie sollte die Nukleotidzusammensetzung des entsprechenden Abschnitts der doppelsträngigen DNA sein, deren Informationen von dieser mRNA „umgeschrieben“ werden?

1. Da wir wissen, dass die Kette des RNA-Moleküls und die Arbeitskette des DNA-Moleküls zueinander komplementär sind, bestimmen wir den Gehalt an Nukleotiden (in %) in der Arbeitskette der DNA:

in der mRNA-Kette G = 6 %, was bedeutet, dass in der funktionierenden DNA-Kette C = 6 % ist;

in der mRNA-Kette A = 28 %, was bedeutet, dass in der funktionierenden DNA-Kette T = 28 %;

in der mRNA-Kette Y = 40 %, was bedeutet, dass in der funktionierenden DNA-Kette A = 40 %;

2. Bestimmen Sie den Gehalt der mRNA-Kette (in %) an Cytosin.

Bestimmen Sie den Anteil von Cytosin in der mRNA-Kette: 100 % – 74 % = 26 % (C);

Wenn in der mRNA-Kette C=26 %, dann ist in der Arbeits-DNA-Kette G=26 %.

Antwort: C=6 %; T=28 %; A=40 %; G=26 %

Aufgabe 2. Auf einem Fragment einer DNA-Kette befinden sich die Nukleotide in der Reihenfolge: A-A-G-T-C-T-A-A-C-G-T-A-T. Zeichnen Sie ein Diagramm der Struktur eines doppelsträngigen DNA-Moleküls. Wie lang ist dieses DNA-Fragment? Wie viele (in %) Nukleotide enthält dieser DNA-Strang?

1. Durch das Prinzip der Komplementarität wird der zweite Strang eines bestimmten DNA-Moleküls aufgebaut: T-T-C-A-G-A-T-T-G-C-A-T-A.

2. Wenn wir die Länge eines Nukleotids (0,34 nm) kennen, bestimmen wir die Länge dieses DNA-Fragments (in der DNA entspricht die Länge einer Kette der Länge des gesamten Moleküls): 13x0,34 = 4,42 nm.

3. Berechnen Sie den Prozentsatz der Nukleotide in dieser DNA-Kette:

13 Nukleotide – 100 %
5 A - x%, x \u003d 38% (A).
2 G - x%, x \u003d 15,5% (G).
4 T – x %, x=31 % (T).
2 C - x %, x = 15,5 % (C).

Antwort: T-T-C-A-G-A-T-T-G-C-A-T-A; 4,42 nm; A=38; T=31 %; G=15,5 %; C=15,5 %.

Variante 1

1. Fragmente einer Kette des DNA-Moleküls sind angegeben: C-A-A-A-T-T-G-G-A-C-G-G-G. Bestimmen Sie den Gehalt (in %) jedes Nukleotidtyps und die Länge dieses Fragments des DNA-Moleküls.

2. Im DNA-Molekül wurden 880 Guanylnukleotide gefunden, die 22 % der Gesamtzahl der Nukleotide dieser DNA ausmachen? Bestimmen Sie, wie viele weitere Nukleotide (einzeln) in diesem DNA-Molekül enthalten sind. Wie lang ist diese DNA?

Option 2

1. Fragmente einer Kette des DNA-Moleküls sind angegeben: A-G-C-C-G-G-G-A-A-T-T-A. Bestimmen Sie den Gehalt (in %) jedes Nukleotidtyps und die Länge dieses Fragments des DNA-Moleküls.

2. Im DNA-Molekül wurden 250 Thymidylnukleotide gefunden, die 22,5 % der Gesamtzahl der Nukleotide dieser DNA ausmachen. Bestimmen Sie, wie viele weitere Nukleotide (einzeln) in diesem DNA-Molekül enthalten sind. Wie lang ist diese DNA?

Wiederholen Sie das Material zu den Hauptklassen organischer Substanzen, die in lebender Materie vorkommen.

Fortsetzung folgt

Schwache Bindungen, dargestellt als gepunktete Kreuzlinien, verbinden DNA-Stränge miteinander. Die Abbildung zeigt, dass das Rückgrat der DNA-Kette aus abwechselnden Resten von Phosphorsäure und Desoxyribose besteht, an die seitlich Purin- und Pyrimidinbasen gebunden sind. Schwache Wasserstoffbrückenbindungen (gestrichelte Linien) zwischen Purin- und Pyrimidinbasen verbinden zwei DNA-Stränge miteinander. Hierbei gilt es folgendes zu beachten.

1. Jedes Molekül der Purinbase von Adenin auf einem DNA-Strang bindet immer an ein Molekül der Pyrimidinbase von Thymin auf dem anderen Strang.
2. Jedes Molekül der Purinbase von Guanin bindet immer an ein Molekül der Pyrimidinbase von Cytosin.

Wasserstoffbrücken sehr schwach, so dass zwei DNA-Stränge leicht voneinander getrennt werden können, was während der Funktion der DNA in einer Zelle viele Male wiederholt wird.

Die Bedeutung der DNA liegt darin, dass es über den sogenannten genetischen Code die Synthese verschiedener zellulärer Proteine ​​bestimmt. Wenn zwei DNA-Stränge auseinanderlaufen, zeigen die Purin- und Pyrimidinbasen in die gleiche Richtung. Es sind diese Seitengruppierungen, die die Grundlage des genetischen Codes bilden.

Genetischer Code ist eine Folge von Tripletts stickstoffhaltiger Basen, wobei jedes Triplett aus drei aufeinanderfolgenden stickstoffhaltigen Basen besteht, die ein Codon bilden. Die Reihenfolge der Tripletts stickstoffhaltiger Basen bestimmt letztendlich die Reihenfolge der Aminosäuren im Proteinmolekül, das in der Zelle synthetisiert wird. Die Sequenz dieser drei Tripletts ist dafür verantwortlich, dass nacheinander drei Aminosäuren an das synthetisierte Proteinmolekül gebunden werden: Prolin, Serin und Glutaminsäure.

DNA befindet sich im Zellkern und die meisten zellulären Reaktionen finden im Zytoplasma statt. Daher muss es einen Mechanismus geben, mit dem Gene diese Reaktionen steuern können. Dieser Mechanismus besteht darin, dass im Zellkern auf Basis der DNA eine weitere Nukleinsäure, die RNA, synthetisiert wird, die ebenfalls zum Träger des genetischen Codes wird. Dieser Vorgang wird Transkription genannt. Durch die Poren der Kernmembran wird die neu synthetisierte RNA vom Kern in das Zytoplasma übertragen, wo auf Basis dieser RNA die Proteinsynthese stattfindet.

Für die RNA-Synthese Es ist notwendig, dass sich die beiden DNA-Stränge für einige Zeit trennen und nur einer dieser Stränge als Matrize für die RNA-Synthese verwendet wird. Basierend auf jedem DNA-Triplett wird ein komplementäres RNA-Triplett (Codon) gebildet, dessen Sequenz wiederum die Reihenfolge der Aminosäuren im im Zytoplasma synthetisierten Proteinmolekül bestimmt.

Grundlegende Strukturelemente der DNA. Die grundlegenden Strukturelemente von RNA und DNA sind bis auf zwei Ausnahmen nahezu gleich: Erstens enthält RNA anstelle von Desoxyribose einen ähnlichen Zucker – Ribose, der ein zusätzliches Hydroxylion enthält; zweitens enthält die RNA anstelle von Thymin ein anderes Pyrimidin – Uracil.

Bildung von RNA-Nukleotiden. Die Bildung von RNA-Nukleotiden aus ihren Strukturelementen erfolgt genauso wie die Bildung von DNA-Nukleotiden. Die Zusammensetzung der RNA umfasst außerdem 4 Nukleotide mit 4 stickstoffhaltigen Basen: Adenin, Guanin, Cytosin und Uracil. Wir betonen noch einmal, dass RNA anstelle von Thymin Uracil enthält und die übrigen stickstoffhaltigen Basen in RNA und DNA gleich sind.

Aktivierung von RNA-Nukleotiden. In der nächsten Stufe der RNA-Synthese werden ihre Nukleotide unter der Wirkung des RNA-Polymerase-Enzyms aktiviert. Dieser Prozess besteht darin, an jedes Nukleotid zwei zusätzliche Phosphatgruppen anzuhängen, um ein Triphosphat zu bilden. Zwei Phosphate werden durch die Bildung makroerger Phosphatbindungen unter Nutzung der Energie von ATP an ein Nukleotid gebunden.
Als Ergebnis der Aktivierung jeweils Nukleotid sammelt eine große Menge an Energie, die für die Bindung an die wachsende RNA-Kette erforderlich ist.