Комплементарность азотистых оснований
В основе строения двойной спирали лежит строгое соответствие между нуклеотидами противоположных цепей. Назначение различных химических заместителей в молекулах пуринового и пиримидинового циклов сводится к тому, чтобы обеспечить максимально точное и специфическое спаривание азотистых оснований. Это взаимодействие осуществляется исключительно посредством водородных связей, которые формируются между строго определенными парами.
Фундаментальный принцип комплементарности гласит, что формирование пар происходит по неизменному правилу:
- Аденин (A) всегда связывается с Тимином (T). Для удержания этой пары пространственная конфигурация молекул позволяет образовать ровно две водородные связи.
- Гуанин (G) всегда образует пару с Цитозином (C). В этом случае химическая структура циклов обуславливает формирование трех водородных связей, что делает эту связку несколько более прочной.
Когда происходит сборка новой полинуклеотидной цепи, каждый очередной нуклеотид может встроиться в нее только в том случае, если он способен образовать правильное количество водородных связей с соответствующим нуклеотидом, расположенным на исходной (матричной) цепи.
Механизм репликации ДНК
Для того чтобы генетическая информация могла передаваться от материнской клетки к дочерним при клеточном делении, необходимо предварительное удвоение генетического материала. Этот важнейший процесс называется репликацией.
Процесс удвоения протекает в несколько последовательных этапов:
- Инициация процесса. На этой стадии происходит локальное расхождение двойной спирали ДНК. Водородные связи между комплементарными азотистыми основаниями разрываются, обнажая нуклеотидную последовательность.
- Матричный синтез. После того как цепи разошлись, каждая из двух образовавшихся одинарных полинуклеотидных цепочек начинает выполнять функцию матрицы. На основе этих матриц, строго соблюдая описанный выше принцип комплементарности, синтезируется новая полинуклеотидная цепь.
- Финальный результат. По завершении синтеза вместо одной исходной родительской молекулы образуются две абсолютно идентичные двойные спирали ДНК. Каждая из них содержит одну «старую» (матричную) и одну заново синтезированную цепь.
Экспрессия генов и процесс биосинтеза белка
Помимо обеспечения клеточного деления, ДНК необходима для текущей жизнедеятельности клетки, что выражается в процессе экспрессии генов. На одной из цепей ДНК, которая в данном случае выступает в роли матрицы, осуществляется синтез матричной РНК (мРНК). Этот процесс переписывания информации с языка ДНК на язык РНК носит название транскрипции.
Дальнейший путь молекулы мРНК — это транспорт из ядра к месту непосредственной сборки белка, в специализированные органеллы — рибосомы. Именно там происходит реализация информации, заложенной в генетическом коде. Важнейшая особенность генетического кода заключается в том, что последовательность аминокислот в будущем белке строго закодирована триплетами — группами из трех нуклеотидов.
Критическую роль в переводе информации с языка нуклеотидов на язык аминокислот играют молекулы транспортной РНК (тРНК):
- Каждая существующая аминокислота имеет свою собственную, специфическую молекулу тРНК.
- Химическое присоединение аминокислоты к соответствующей ей тРНК происходит за счет образования прочной эфирной связи.
- Этот тонкий процесс не происходит самопроизвольно; он катализируется особым, высокоспецифичным ферментом, индивидуальным для каждой отдельной аминокислоты.
Историческая справка
Все вышеописанные процессы — от хранения информации до ее реализации в виде белковых структур — составляют предмет изучения фундаментальной науки молекулярной биологии.
Как самостоятельная научная дисциплина молекулярная биология сформировалась сравнительно недавно — в середине XX века. Ее зарождение и стремительное развитие стали возможны благодаря ключевому событию в истории естествознания: успешной расшифровке пространственной структуры ДНК. Эта эпохальная работа была проделана исследователями Джеймсом Уотсоном и Фрэнсисом Криком в 1953 году, что навсегда изменило наше понимание природы живого.
Для запоминания пар оснований: «Аня — Толя» (Аденин-Тимин, 2 связи), «Галя — Цапля» (Гуанин-Цитозин, 3 связи).
Вопросы с занятий и экзамена
Сколько водородных связей образуется между гуанином и цитозином?
Между гуанином (G) и цитозином (C) в двойной спирали ДНК образуются ровно три водородные связи.
В чем заключается результат репликации?
В результате репликации исходная двойная спираль расплетается, и на базе каждой цепи достраивается новая. В итоге образуются две абсолютно одинаковые молекулы ДНК.
Какая химическая связь удерживает аминокислоту на тРНК?
Аминокислота присоединяется к своей транспортной РНК (тРНК) с помощью эфирной связи.
Кто и когда расшифровал структуру ДНК?
Пространственная структура молекулы ДНК была расшифрована учеными Дж. Уотсоном и Ф. Криком в 1953 году.
Что ещё разобрать по теме
- Механизмы инициации расхождения двойной спирали при репликации
- Особенности работы ферментов, катализирующих присоединение аминокислот к тРНК
- Структура и свойства эфирной связи в молекуле транспортной РНК
- Природа триплетного генетического кода и его вырожденность
- Строение пуриновых и пиримидиновых циклов азотистых оснований
Разберите тему целиком в курсе «Химия»
Здесь — выжимка. В курсе — всё, что спрашивают на занятии и экзамене.
- Полная методичка по теме «ДНК и синтез белка» и ещё 3 009 страниц предмета
- Задания и тесты после каждой темы — как на коллоквиуме
- AI-тьютор ответит на вопрос по теме в любое время
- 90 видеоуроков по предмету
Другие темы раздела «Глава 18. Важнейшие классы биоорганических соединений»
Материал подготовлен преподавателями Школы Сеченова по учебной программе медицинских вузов. Носит образовательный характер.