Когда мы решаем задачи на синтез белка (задание №27 на ЕГЭ по биологии), то первое, с чем мы сталкиваемся, это использование основных принципов, которые лежат в основе процесса синтеза белка и вообще реализации генетической информации.
Здесь еще будет уместно вспомнить о центральной догме молекулярной биологии:
Информация передается от нуклеиновых кислот к белку, но не в обратном направлении
На каждом из этапов, упомянутых в центральной догме (редупликация, транскрипция и трансляция), на этапе матричного синтеза выполняются два принципа: антипараллельность и комплементарность.
Принцип антипараллельности
Чтобы понять, в чем заключается принцип антипараллельности, нам следует вспомнить то, что собой представляет молекула ДНК.
Принцип антипараллельности гласит:
5ʹ-концу в одной цепи соответствует 3ʹ-конец другой цепи
На практике этим правилом пользоваться очень просто: если наша исходная молекула ДНК (или РНК) начинается с 3'-конца, то комплементарная ей цепь будет начинаться с 5'-конца, и наоборот. Просто обращайте на это внимание, когда будете решать задачи.
1. Например, на молекуле ДНК:
5'-ATГЦ...
В этом случае на комплементарной ей цепи ДНК будет следующее:
3'-ТАЦГ...
2. Если исходную цепь ДНК представить как
3'-ТАЦГ...,
то на иРНК будет следующее:
5'-АУГЦ...
Принцип комплементарности
Когда мы с вами рассматривали структуру нуклеиновых кислот и белков, мы уже упоминали о том, что каждая нуклеиновая кислота определенным образом ориентирована в пространстве. В молекуле ДНК имеются две цепочки, которые комплементарны друг другу. Это означает, что в двух цепях, расположенных друг напротив друга, стоят нуклеотиды, которые отличаются азотистыми основаниями. В молекуле ДНК всегда напротив аденина (А) становится тимин (Т) (они соединяются друг с другом за счет двойной водородной связи), а напротив гуанина (Г) - цитозин (Ц), которые, в свою очередь, связаны тройной водородной связью.
Давайте рассмотрим принцип комплементарности на конкретных примерах. Редупликация (удвоение) ДНК идет по полуконсервативному принципу. Это означает, что при удвоении двойная спираль ДНК раскручивается, и на каждой из этих цепочек (которая выступает в качестве матрицы) идет синтез недостающей цепи. Нуклеотиды как раз подбираются на основании принципа комплементарности, то есть там, где на матричной цепи имеется тимин, напротив него будет вставать аденин (и наоборот), а напротив гуанина – цитозин.
Тем же самым принципом комплементарности мы пользуемся, когда в качестве матрицы при транскрипции выступает матричная (или транскрибируемая) цепь ДНК, а на ней синтезируется иРНК.
Следует только помнить о том, что любая молекула РНК имеет некоторые отличия от ДНК. Одно из них – это отсутствие нуклеотидов, которые несут азотистое основание тимин (Т). Вместо него у РНК имеется азотистое основание урацил (У), которое в полном смысле слова подменяет собой тимин. То есть урацил (У) комплементарен аденину (А) и связывается с ним двойной водородной связью.
Давайте рассмотрим теперь ситуацию, когда у нас есть двойная спираль ДНК (см. ниже)
5'-АТААГЦТТГЦТ-3'
3'-ТАТТЦГААЦГА-5'
Когда происходит удвоение ДНК, то каждая из этих цепочек остается "старой" (на схеме отмечена красным цветом), и на ее матрице синтезируется "недостающая" ("новая" цепь).
Теперь давайте рассмотрим, как будет выглядеть процесс транскрипции, когда на матрице молекулы ДНК синтезируется молекула иРНК. Если взять этот же фрагмент молекулы ДНК, то в ней нижняя цепь (от 3'- к 5'-концу) будет матричной (транскрибируемой). В этом случае на ней синтезируется иРНК, как показано на схеме ниже:
Обоими этими правилами мы пользуемся всякий раз, когда у нас происходит синтез на матрице нуклеиновой кислоты (ДНК или РНК) другой нуклеиновой кислоты (ДНК или РНК), или когда в ходе трансляции соответствующим кодонам иРНК подбираются антикодоны тРНК. Но об этом мы поговорим в последующих статьях.