Загальна біологія. Збірник задач

Молекулярні основи спадковості

Розв’язання задач, поданих у цьому розділі, вимагає ґрунтовного засвоєння матеріалу про будову й функції клітини, неклітинні та клітинні форми життя, структуру й функції компонентів клітини, клітину як відкриту систему, зміни клітини в часі.

Одним з найважливіших розділів біології є молекулярна біологія, що досліджує закономірності спадковості організмів на молекулярному рівні. Вивчення цих закономірностей дає можливість зрозуміти, яким чином реалізується взаємодія в системі «ген — фермент — ознака». Результати досліджень з молекулярної генетики свідчать про те, що ген — це ділянка молекули ДНК (дезоксирибонуклеїнової кислоти) або РНК (рибонуклеїнової кислоти), яка кодує і передає генетичну інформацію. Ген визначає лише первинну структуру білка. Від специфіки первинної структури залежить конформація білка (вторинна, третинна, четвертинна структури). Білки-ферменти, каталізуючи певні реакції, забезпечують вияв ознаки.

Згідно із тривимірною моделлю структури ДНК Уотсона — Кріка, молекула ДНК складається з двох полінуклеотидних ланцюгів, які утворюють спіраль відносно однієї і тієї ж осі. Полінуклеотидні ланцюги — це полімерні молекули, мономерами яких є нуклеотиди. Кожний нуклеотид складається із трьох частин: азотистої основи, моносахариду пентози і залишку фосфатної кислоти. Якщо до складу нуклеотиду входить рибоза, то це рибонуклеотид, якщо дезоксирибоза — дезоксирибонуклеотид. Азотисті основи в ДНК і РНК бувають двох типів: пуринові — аденін (А) і гуанін (Г); піримідинові — цитозин (Ц), тимін (Т) і урацил (У). До складу ДНК входять А, Г, Т, Ц; до складу РНК — А, Г, У, Ц. Напрям ланцюгів взаємно протилежний. У полінуклеотидному ланцюзі нуклеотиди з’єднані між собою фосфодіефірними містками: фосфат-йон — пентоза — фосфат-йон — пентоза...

Важлива ознака ДНК — здатність до самовідтворення, в основі якого лежить комплементарність. Комплементарність — відповідність основ у протилежних ланцюгах ДНК. Наприклад, якщо в першому ланцюгу на певному місці стоїть нуклеотид А, то у другому, тобто протилежному, на тому ж місці — нуклеотид Т, і навпаки. За такої умови між основами утворюються два специфічні водневі зв’язки. Аналогічно нуклеотид Г комплементарний до нуклеотида Ц (три зв’язки)

Американський біохімік Е. Чаргафф (родом із Чернівців) у 1950 році встановив, що в молекулі ДНК кількість аденіну дорівнює кількості тиміну, а кількість гуаніну — кількості цитозину: А = Т і Г = Ц — правило Чаргаффа. Звідси роблять висновок, що А + Г = Т + Ц, тобто (А + Т) + (Г + Ц) = 100 %.

Залежно від того, до якої групи тварин або рослин належить вид, він має нуклеотидний склад ДНК, виражений коефіцієнтом'специфічності (k):

У тварин А + Т > Г + Ц. Наприклад, у хребетних k = 1,5. У рослин спостерігають зворотне явище: А + Т < Г + Ц. У людини k = 1.

Розміщення нуклеотидів в одному ланцюгу ДНК і між нуклеотидами двох ланцюгів таке, що місця з’єднання пари нуклеотидів знаходяться одне від одного на відстані 0,34 нм. На один виток спіралі припадає 10 пар нуклеотидів, а крок спіралі становить 3,4 нм. Діаметр подвійної спіралі дорівнює приблизно 20 нм. Відносна молекулярна маса одного нуклеотида дорівнює 345, а маса амінокислоти — 100.

Розрізняють три типи рибонуклеїнових кислот (РНК): інформаційна, або матрична (iРНК), транспортна (тРНК) та рибосомальна (рРНК).

iРНК — копія (транскрипт) відповідної ділянки ДНК. Вона служить матрицею для синтезу білкової молекули. Кожні три послідовні основи нуклеотидів iРНК називають кодоном, який кодує одну амінокислоту. Кодон iРНК комплементарний кодогену (кодону) ДНК. Генетичний код 20-ти основних амінокислот наведено в «Додатку 2».

тРНК транспортує «свою» амінокислоту до зростаючого ланцюга поліпептиду і розпізнає відповідний кодон в iРНК. Оскільки для кожної амінокислоти є відповідна тРНК, то розпізнавання кодонів iРНК відбувається за допомогою антикодонів молекули тРНК. Антикодон — це три послідовних основи на антикодовій петлі тРНК, які комплементарні основам кодона iРНК:

тРНК: 3' ... — А — А — Г — ... 5' — антикодон;

iРНК: 5' ... — У — У — Ц — ... 3' — кодон.

рРНК утворюють каркас, до якого приєднуються молекули білків рибосом. Вона специфічно пов’язується з комплементарними ділянками iРНК і тРНК і бере участь у процесі трансляції (зчитування інформації).

Транскрипція — процес перенесення генетичної інформації від ДНК до РНК. При цьому всі види РНК синтезуються відповідно до послідовності основ ДНК, яка для РНК є матрицею. Транскрибується тільки один так званий «+ланцюг» ДНК. Синтез РНК — складний процес, який включає стадії ініціації (початок синтезу РНК), елонгації (нарощування ланцюга РНК) і термінації (кінець синтезу РНК). У результаті синтезу утворюється молекула-попередник — гетерогенна ядерна РНК. Для утворення зрілої iРНК вона підлягає посттранскрипційному процесу — процесу дозрівання, під час якого відбувається модифікація по 5'-му і 3'-му положеннях ланцюга, сплайсинг (вилучення відповідних ділянок гена) і зшивання ділянок, скопійованих з екзонів ДНК. Так відбувається утворення зрілої iРНК.

Послідовність розміщення нуклеотидів у ДНК та iРНК визначає послідовність включення амінокислот у поліпептидний ланцюг. Ця відповідність лінійної будови обох хімічних систем (ДНК та iРНК) називається генетичним кодом. Код триплетний, тобто одній амінокислоті відповідають три нуклеотиди. Оскільки до складу ДНК входить 4 азотистих основи, а до складу білка — 20 амінокислот, то триплетний код утворює 4 • 4 • 4 = 64 різних кодони. Наприклад, у послідовності АААЦАЦГАГТГТАТЦГТА перші три основи ААА кодують амінокислоту 1, далі: ЦАЦ — 2, ГАГ — 3, ГГТ — 4, АТЦ — 5, ГТА — 6.

Генетичний код має такі характеристики:

  • а) триплетність — одну амінокислоту кодують три нуклеотиди, розміщені поруч (триплет в iРНК називають кодоном);
  • б) виродженість — кожну амінокислоту (крім метіоніну і триптофану) кодує більше, ніж один триплет;
  • в) колінеарність — послідовність триплетів нуклеотидів точно відповідає послідовності амінокислотних залишків у поліпептиді;
  • г) неперехресність — два розміщені поруч триплети (шість нуклеотидів) кодують лише дві амінокислоти;
  • ґ) універсальність — для неклітинних і клітинних форм життя.

Триплет АУГ в iРНК є стартовим кодоном, а кодони УАГ, УАА та УГА — кодонами-термінаторами (означають кінець синтезу поліпептиду). Тривалість синтезу однієї білкової молекули залежить від кількості амінокислот у її складі. У молекулі білка попередня амінокислота приєднується до наступної протягом 0,2 секунди (один «крок» рибосоми).

Трансляція — процес декодування iРНК, у результаті якого інформація з «мови» послідовності нуклеотидів iРНК перекладається на «мову» амінокислотної послідовності білків. Декодування здійснюється шляхом комплементарного зв’язку антикодона тРНК з кодоном iРНК. При цьому амінокислота, яку принесла із собою тРНК, шляхом пептидного зв’язку приєднується до поліпептидного ланцюга, що синтезується. Отже, схема послідовності передачі спадкової інформації з ДНК на білок така:

Щоб визначити амінокислоту, кодовану тим чи іншим кодономі iРНК, слід скористатися «Додатком 2»: першу літеру кодона знаходимо в стовпчику зліва, наступну — в одному із чотирьох центральних стовпчиків таблиці, а останню — у стовпчику справа. Провівши уявні лінії від кожної зі згаданих літер, знаходимо на їх перетині комірку, де поряд із шуканим кодоном є скорочений запис амінокислоти, яку він кодує. З наведених 64 кодонів 61 відповідає тій або іншій амінокислоті, а решта — сигнали термінації, їх ще називають нонсенс-кодонами, тому що вони не визначають ніякої амінокислоти. Якщо амінокислота кодується більше, ніж одним кодоном, то код вироджений. Як правило, у кодонів, які визначають одну й ту ж амінокислоту, перші дві азотисті основи (перші дві літери коду) однакові, а третя може бути іншою. Наприклад, ЦЦУ, ЦЦЦ, ЦЦА і ЦЦГ кодують пролін (під час розв’язування задач слід надавати перевагу першому кодону).

Для прикладу наведено розв’язання типової задачі. Відносну молекулярну масу низькомолекулярних білків обчислимо за даними амінокислотного складу. У цьому разі вибирають ту амінокислоту, вміст якої в білку мінімальний. За даними елементарного та амінокислотного складу спочатку обчислюють мінімальну відносну молекулярну масу за формулою:

де Mr — мінімальна відносна молекулярна маса білка;

Аr — відносна атомна або молекулярна маса компонентів;

w — масова частка компонента (%).

У будові молекули білка може бути один або кілька атомів металічного елемента (Fe, Zn, Сu тощо). Знаючи кількість атомів металічного елемента або амінокислотних залишків у молекулі, можна обчислити дійсну відносну молекулярну масу даного білка, помноживши мінімальну відносну молекулярну масу білка на кількість компонентів (амінокислот).