Принцип комплементарности - основа, суть и роль правила в биологии

Описание спирали

Воспроизведение молекулы ДНК основано на следующем — цепочку можно использовать в качестве матрицы для сборки новой молекулы. В результате деления происходит самопроизведение либо репликация. Сущность процесса заключается в получении каждой дочерней клеткой копии материнского ДНК. Главная роль соединения — передача наследственной информации.

Сама молекула состоит из следующих форм РНК:

• информационные либо матричные;
• транспортные;
• рибосомные.

Они, в отличие от ДНК, обладают следующими признаками: нет азотистого основания тимина, вместо него используется урацил. Отсутствует сахар, но есть рибоза. Определение структуры односпиральных белков зависит от набора и порядка расположения аминокислот в пептидных цепочках. Подобная информация зашифрована при помощи генетического кода (ГК).

Он представлен в виде единой системы записи наследственной информации. Подобная последовательность нуклеотидов в ДНК определяет цепочку аминокислот в белке. Структурная единица ГК представлена в виде кодирующего тринуклеотида. Пара кодов должна соответствовать последовательности аминокислот белка.

Так как существует 4 разных нуклеотида, суммарное количество кодов равняется 64. Информация о некоторых аминокислотах может удерживаться только в 61 аминокислоте. Остальные 3 стоп-кода указывают на остановку трансляции полипептидной цепи.

Свойства и катаболизм

В старших классах на биологии изучаются свойства ГК. Один код может образовать только одну аминокислоту. Чтобы записать мРНК, «запятые» не используются. При шифровке должно соблюдаться следующее условие — одна аминокислота кодируется различными кодами. Примеры других свойств молекул:

• Кроме вирусов, у каждого нуклеотида один кодон.
• ГК одинаков для всех организмов.
• Триплеты в ДНК идут в последовательности, аналогичной для аминокислот в белке.

Чтобы разобраться, в чем заключается принцип комплементарности, необходимо рассмотреть некоторые процессы: всасывание и переваривание нуклеиновых кислот (НК), катаболизм (энергетический обмен). Учёные доказали, что организм способен переварить до 1 гр НК в сутки. Процесс переваривания осуществляется в тонком кишечнике. Предварительно НК под воздействием ферментов превращаются в мононуклеотиды.

В тонком кишечнике от веществ отщепляется фосфорная кислота. Образуются нуклеозиды. Некоторая часть распадается на углеводы и азотистые основания. Удерживать НК — задача печени. Процесс энергетического обмена, диссимиляции либо катаболизма заключается в распаде сложных компонентов на более простые. Наблюдается окисление любого вещества. Явление сопровождается освобождением энергии в виде молекулы АТФ с теплом.

В клетках обмен РНК протекает интенсивнее, чем обмен ДНК. На последнем этапе процесса НК расщепляются на следующие компоненты:

• углеводы;
• азотистые основания (АС);
• фосфорная кислота.

Пуриновые АС при катаболизме теряют аминогруппу, окисляясь, превращаясь в мочевую кислоту. Пиримидиновые АС подвергаются глубокому расщеплению до воды, углекислого газа и аммиака. Углеводы переходят в глюкозу. Фосфорная кислота не подвергается распаду. Она принимает участие в реакциях фосфорилирования и фосфолиза либо при избытке выделяется из организма с уриной.

Закон взаимодополнения

Термином «комплементарность» в биологии обозначают взаимное соответствие молекул биополимеров, которые обеспечивают связь между комплементарными (пространственно взаимодополняющими) частями молекул вследствие любых супрамолекулярных взаимодействий (водородных, гидрофобных). Правило комплементарности ДНК и РНК заключается в следующем — водородная связь и двойная спираль образуются только тогда, когда более крупное основание А в одной цепи имеет в качестве партнёра во второй цепи меньшее по параметрам пиримидиновое основание Т, а Г связан с Ц. Такой закон можно записать следующим образом:

1. …-Г-Ц-Г-А-А-Т-Ц-Ц-Т-А-…
2. …-Ц-Г-Ц-Т-Т- А-Г-Г-А-Т-…

Подобная закономерность часто отображается в виде таблицы. Соответствие А Т и Г Ц — правило комплементарности, а цепи — комплементарными. С учётом закона содержание А в ДНК всегда совпадает с количеством Т, а объём Г равен числу Ц. Две цепи ДНК могут отличаться химически, но они несут одну информацию, так как по правилу Уотсона и Крика следует, что одна цепочка задаёт другую.

Структура РНК считается менее упорядоченной, чем ДНК. Чаще это простая молекула, только некоторые вирусы состоят из двух цепей. Последняя структура считается более гибкой, чем ДНК. Определённые участки в молекуле РНК взаимно комплементарны, а при изгибании они спариваются. Таким способом образуются двухцепочечные структуры. Подобной характеристикой обладают транспортные РНК.

Функции и возобновление

Принцип комплементарности лежит в основе взаимодействия, удвоения либо репликации молекул ДНК. По нему образуется дочерняя цепочка. При последующем делении материнской клетки каждая дочерняя получает по 1 копии молекулы ДНК. Она идентична структуре матери. Процесс обеспечивает тонкую передачу генетической информации между поколениями.

От правильности репликации зависит точность соответствия комплементарных пар оснований. Другие характеристики явления:

• матричность — однозначное определение последовательности синтезируемой цепочки;
• полуконсервативность — структура, образованная при репликации, считается вновь синтезированной, а другая — материнской;
• направленность — идёт от пятого конца новой цепи к третьему;
• полунепрерывность — постоянный синтез одной молекулы и набор фрагментов второй цепи.

Репликация протекает в несколько этапов. Предварительно расплетаются молекулы с помощью фермента хеликазы. Образуются матрицы, на которых будет осуществляться синтез новых линий. На следующем этапе происходит фиксация новых нуклеотидов по принципу комплементарности. Новые клетки расходятся, скручиваясь в спираль. За одну секунду происходит репликация 750 нуклеотидов.

Главная функция молекулы заключается в хранении и передаче следующему поколению наследственной информации, записанной в ней. За счёт принципа комплементарности репликация создаёт точную копию первичной молекулы. Таким способом образуются новые клетки, идентичные материнским.

Значение принципа

Взаимодополняемость считается важным процессом при формировании белков. Без него невозможен синтез дочерних клеток. Явление играет важную роль в делении молекул, так как каждый новый организм получает по одной одинаковой копии ДНК. За счёт комплементарности обеспечивается передача генетической информации от поколения к поколению.

Изучив принцип, можно понять механизм образования мутаций, способы их предупреждения. Из закона вытекает следующее следствие: репликация дезоксирибонуклеиновой кислоты — важное событие в делении клеток и синтезе белка. На основе принципа комплементарности работает практическая медицина ДНК-технологий.

Закон позволил подробно изучить механизм развития заболеваний, которые передаются наследственным путём, проанализировав их патогенез.

Области генетики и медицины, в которых успешно применяется закон:

• Создание вакцин для борьбы с разными типами гепатита.
• Разработка человеческого инсулина.
• Восстановление нормальной свёртываемости крови у пациентов, страдающих от гемофилии (хроническая кровоточивость).
• Открытие возможности ввода в человеческий организм полноценных генов, их фрагментов с целью корригирования некоторых нарушений обмена веществ.
• Проведение терапии разных форм иммунодефицита у детей.
• Разработка эффективных методов терапии больных муковисцидозом (системное заболевание, связанное с мутацией генов), фенилкетонурией (врождённое нарушение метаболизма), тяжёлыми наследственными патологиями.
• Исследование генов.

Перспективы комплементарности

За счёт современного развития генетики и медицины взаимодополняемость получает широкое применение в разных исследованиях. Принцип способствовал установлению и внедрению в лечебную практику теории функционирования живого организма, его саморегуляцию, взаимоотношение функциональных систем.

Комплементарность позволяет применять некоторые методики лечения, направленные на устранение внутренних патологических процессов с использованием компенсаторных возможностей. Процесс изучения нуклеотидов предоставляет шанс внедрять в главные терапевтические методы самые последние достижения генной инженерии. Подобная возможность позволяет побороть тяжёлые наследственные патологии, обеспечив пациентам полноценную жизнь.

При проведении исследований учёные выявили некоторые интересные факты. В геноме существует более трёх миллиардов нуклеотидов, но только около одного процента участвует в кодировке белков. Всего у человека найдено свыше 20 000 генов, при этом каждый из них хранится в соответствующей клетке. Около 4/5 генома переписывается на РНК. В ДНК сосредоточено несколько дополнительных участков, которые контролируют кодировку и синтез белка.