§ 22. Роль різних типів молекул РНК у кодуванні та реалізації спадкової інформації. Генетичний код

Пригадайте, які є типи молекул нуклеїнових кислот. У чому полягає принцип комплементарності? Яка будова молекул білків? Які білки називають стандартними? Яка будова генів еукаріотів? Яка будова та функції ендоплазматичної сітки, рибосом, мітохондрій і пластид?

Ви вже знаєте, що різні типи молекул нуклеїнових кислот відіграють певну роль у процесах кодування, зберігання й реалізації спадкового матеріалу. Провідна роль у цих процесах належить молекулам ДНК, які здатні до самоподвоєння. Цей процес забезпечує точну передачу спадкової інформації від материнської клітини дочірнім.

Мал. 22.1. Процес реплікації молекули ДНК: за участю ферменту розшиваються водневі зв’язки між нуклеотидами материнської молекули ДНК і на кожному її ланцюзі за принципом комплементарності добудовується дочірній (знайдіть їх на малюнку): 1 - хромосома; 2 - ферменти розплітають подвійну спіраль материнської молекули ДНК; 3 - вільні нуклеотиди; 4 - специфічний фермент ДНК-полімера, який бере участь в утворенні дочірніх молекул ДНК; 5 - ланцюг материнської молекули ДНК слугує матрицею для синтезу нового; 6 - дочірній ланцюг; 7 - реплікаційна вилка

Процес самоподвоєння молекул ДНК, або реплікація, ґрунтується на принципі комплементарності: послідовність нуклеотидів у новоствореному ланцюзі молекули ДНК визначається розташуванням комплементарних нуклеотидів в одному з ланцюгів материнської. Під час реплікації два ланцюги материнської молекули ДНК за участю відповідних ферментів розплітаються, і кожен з них стає матрицею для синтезу нового ланцюга. Спеціальний фермент забезпечує послідовне приєднання нуклеотидів до ланцюга, що синтезується. Цей фермент каталізує також реакцію утворення ковалентного зв’язку між сусідніми нуклеотидами (мал. 22.1).

Цікаво знати

Крім ядра, у мітохондріях і пластидах еукаріотичних клітин відбувається реплікація відповідно мітохондріальної та хлоропластної ДНК. Подвоєння молекул ДНК передує поділу цих органел.

Тип нуклеотиду, що приєднується (А, Т, Г або Ц), визначається послідовністю нуклеотидів того ланцюга молекули ДНК, який слугує матрицею: приєднаний нуклеотид має бути комплементарним нуклеотиду, розташованому у відповідній точці матричного ланцюга. У результаті утворюються дві дочірні ідентичні молекули ДНК, кожна з яких є точною копією материнської (мал. 22.1).

Усі види молекул РНК (як-от мРНК, тРНК, рРНК) синтезуються також за принципом комплементарності на молекулах ДНК (мал. 22.2).

Мал. 22.2. Синтез молекули мРНК (1) на одному з ланцюгів молекули ДНК (2). Ці процеси забезпечує специфічний фермент РНК-полімераза (3). Другий ланцюг ДНК (4) у цей час залишається неактивним

Отже, в біологічних системах певні біохімічні реакції мають особливості, коли одна молекула слугує основою - матрицею - для синтезу іншої. Так, молекула ДНК слугує матрицею для синтезу різних типів молекул РНК, молекула мРНК - білкових молекул. Такі біохімічні процеси називають реакціями матричного синтезу. Вони нагадують промислові методи, коли з однієї форми-матриці отримують багато деталей. Наприклад, за допомогою однієї матриці можна надрукувати багато банкнот або відкарбувати багато монет. Так само і під час реакцій матричного синтезу нові молекули утворюються згідно з планом будови молекули-матриці: мономери молекули, що синтезується, розміщуються в точній відповідності до розташування мономерів у молекулі-матриці.

Реакції матричного синтезу є основою однієї з головних властивостей біологічних систем — здатності до самовідтворення.

Важливою властивістю молекул ДНК є їхня здатність до відновлення - репарації. Під час репарації ДНК виправляються пошкодження та помилки. Наприклад, помилки в послідовності нуклеотидів новосинтезованого ланцюга ДНК можуть виникати (з певною невисокою частотою) під час реплікації, коли нуклеотид виявляється некомплементарним нуклеотиду матриці. Молекули ДНК можуть пошкоджуватися під впливом різноманітних хімічних сполук (як деяких власних молекул клітини, так і таких, що потрапили ззовні), радіації, ультрафіолетового опромінення тощо. У таких випадках ферменти системи репарації зазвичай вирізають невеличку ділянку ланцюга з пошкодженим або помилковим нуклеотидом, після чого особливий фермент ДНК-полімераза вбудовує нормальний фрагмент, використовуючи інший ланцюг як матрицю (мал. 22.3).

Генетичний код та його властивості. В організмах синтезується величезна кількість молекул різноманітних білків. Інформація про структуру кожного з них має зберігатись у спадковому матеріалі в клітинах. Єдина для всіх організмів система кодування спадкової інформації - генетичний код - зберігається у клітині у вигляді певної послідовності нуклеотидів молекул нуклеїнових кислот. Саме ця послідовність нуклеотидів і визначає порядок розташування амінокислотних залишків у поліпептидному ланцюзі під час його синтезу.

Мал. 22.3. Процес репарації (виправлення) молекули ДНК: білки (1) розпізнають кінці пошкодженої молекули ДНК (2) і з’єднують їх; 3 - відновлений фрагмент молекули ДНК

Учені виявили, що кожна амінокислота в поліпептидному ланцюзі кодується певного послідовністю з трьох нуклеотидів - так званим триплетом. Чотири різні нуклеотиди ДНК або РНК можуть утворювати 64 комбінації (4³ = 64). Тобто існує 64 різних триплети. Оскільки відомо лише 20 стандартних амінокислот, то можна припустити, що одна амінокислота може кодуватися кількома різними триплетами (таблиця 2). Встановлено, що більшість стандартних амінокислот (18 з 20) кодується кількома триплетами (від двох до шести) і лише дві з них - одним.

Таблиця 2

ГЕНЕТИЧНИЙ КОД

Примітка. У таблиці наведено (не для запам’ятовування) назви амінокислот, закодовані триплетами мРНК: аланіну (АЛА), аргініну (АРГ), аспарагіну (АСН), аспарагінової кислоти (АСП), валіну (ВАЛ), гістидину (ГІС), гліцину (ГЛІ), глютаміну (ГЛН), глютамінової кислоти (ГЛУ), ізолейцину (ІЛЕ), лейцину (ЛЕЙ), лізину (ЛІЗ), метіоніну (MET), проліну (ПРО), серину (СЕР), тирозину (ТИР), треоніну (ТРЕ), триптофану (ТРИ), фенілаланіну (ФЕН) та цистеїну (ЦИС), АУГ (кодує MET) - стартовий триплет.

Те, що одна амінокислота може кодуватись кількома триплетами, має важливе біологічне значення, оскільки підвищує надійність генетичного коду. Отже, випадкова заміна залишку однієї азотистої основи в певному триплеті на інший не завжди супроводжуватиметься змінами в первинній структурі білка. У таблиці 2 знайдемо триплети, які кодують амінокислоту лейцин (ЛЕЙ). Припустімо, що в певній молекулі цю амінокислоту кодує триплет ЦУУ. Унаслідок змін у цьому триплеті останній нуклеотид (У) може замінюватися на інший, наприклад на А. Але триплет, що утворився - ЦУА, все одно кодуватиме амінокислоту лейцин.

За допомогою таблиці 2 можна визначити, яку саме амінокислоту кодує певний триплет. Перший нуклеотид у триплеті беруть з лівого вертикального стовпчика, другий - з верхнього горизонтального і третій - з правого вертикального. У місці перетину ліній міститься інформація про амінокислоту, яку слід визначити. Нагадуємо, що в таблиці 2 наведено триплети мРНК, а не ДНК.

Ще одна властивість генетичного коду полягає в тому, що кожний триплет кодує лише одну певну амінокислоту. Тобто генетичний код однозначний. Крім того, генетичний код універсальний - єдиний для всіх організмів: від бактерій до людини.

Генетичний код не перекривається, генетична інформація у прокаріотів та еукаріотів зазвичай може зчитуватися лише в один спосіб. Послідовність нуклеотидів починає зчитуватися з певної точки в одному напрямку, що визначає порядок зчитування триплетів усього ланцюга нуклеотидів. Ця властивість забезпечує точне відтворення білкових молекул в особин різних поколінь. Початок процесу синтезу білкової молекули визначає триплет АУГ, тому його називають стартовим. Генетична інформація зчитується послідовно - крок за кроком, при цьому кожен крок відповідає одному триплету (мал. 22.4). У генетичному коді є також три триплети (УАА, УАГ, УГА), кожний з яких сигналізує про припинення синтезу поліпептидного ланцюга, їх називають стоп-кодонами.

Мал. 22.4. Зчитування генетичної інформації

Аналізуючи таблицю 2, ви звернули увагу на те, що триплети УАА, УАГ, УГА не кодують жодної амінокислоти, на відміну від триплету АУГ.

Ключові терміни та поняття: реплікація, реакції матричного синтезу, репарація молекул ДНК, генетичний код, триплет.

Перевірте здобуті знання

1. Яка роль ДНК у кодуванні генетичної інформації? 2. Як відбувається реплікація молекул ДНК? 3. Як відбувається репарація молекул ДНК? 4. Що таке генетичний код і які його властивості? 5. Яке біологічне значення того факту, що більшість амінокислот, які входять до складу білків, закодовані не одним, а декількома триплетами? 6. Що таке реакції матричного синтезу? Яке біологічне значення реакцій цього типу?

Поміркуйте. Яке значення для існування організмів має здатність ДНК до репарації?

Зміст