Пояснення до завдання

МЕТОДИКА ПРОВЕДЕННЯ ЗАНЯТТЯ

БУДОВА ГЕНІВ ПРО- ТА ЕУКАРІОТІВ

МОЛЕКУЛЯРНІ ОСНОВИ СПАДКОВОСТІ.

Мета заняття: вивчити будову й функції нуклеїнових кислот, генів та основні принципи та властивості генетичного коду.

Обладнання: таблиці, модель ДНК, підбірка задач з молекулярної генетики.

Технологічна карта заняття:

- підготовчий етап (контроль початкового рівня підготовки) 10 хв;

- основний етап (самостійна навчально-дослідницька робота) 50 хв;

- заключний етап (контроль кінцевого рівня підготовки;

підведення підсумків заняття) 30 хв.

Розглянути теоретичні питання:

1. Характеристика нуклеїнових кислот: будова, просторова

організація, видова специфічність, роль у зберіганні

та перенесенні спадкової інформації. 10 ІІ

2. Реплікація, самокорекція і репарація ДНК. 20 ІІ

3. Ген як одиниця генетичної функції. Сучасна

концепція гена. 10 ІІ

4. Організація генів еукаріотів у хромосомах. Гени

структурні, регуляторні, тРНК, рРНК. 15 ІІ

5. Молекулярна організація генів еукаріотів. 20 ІІ

6. Функціональні характеристики гена. Мобільні

генетичні елементи. 15 ІІ

7. Генетичний код, його основні принципи і властивості. 30 ІІ

Нуклеїнові кислоти (від лат. nucleus – ядро) – природні, високо-молекулярні органічні сполуки, що забезпечують зберігання та передачу спадкової (генетичної) інформації в живих організмах. Вперше описані в 1869 році швейцарським біохіміком Ф.Мішером при вивченні хімічної природи клітинних ядер. У природі існують нуклеїнові кислоти двох типів, що відрізняються за складом, будовою та функціями: дезоксирибонуклеїнова (ДНК) і рибонуклеїнова (РНК). В еукаріотичних клітинах основна частина ДНК зосереджена в ядрі (хромосомах) і лише невелика її кількість міститься в мітохондріях і пластидах. РНК міститься в ядрі (ядерці), а також у цитоплазмі, рибосомах, мітохондріях, хлоропластах. Молекули нуклеїнових кислот – довгі ланцюги (рис.22), що складаються з багатьох тисяч нуклеотидів. До складу нуклеотидів молекули ДНК входять азотисті основи: аденін (А), гуанін (Г), тимін (Т), цитозин (Ц); вуглевод дезоксирибоза і залишок фосфорної кислоти. До складу нуклеотидів молекули РНК входять три азотисті основи, такі ж, як у ДНК (А, Г, Ц), однак замість тиміну (Т) ДНК, у РНК наявна близька за будовою азотиста основа урацил (У), вуглевод рибоза і залишок фосфорної кислоти. Молекула ДНК складається із двох ланцюгів нуклеотидів. Азотисті основи сполучаються за принципом комплементарності: проти А одного ланцюга завжди знаходиться Т іншого ланцюга, а проти Г одного ланцюга – завжди Ц іншого. На відміну від ДНК, молекула РНК – менша за роз­мірами одноланцюгова спіраль. У прокаріотичних та еукаріотичних клітинах є три основні типи РНК: інформаційна, або матрична РНК (іРНК, або мРНК), транспортна РНК (тРНК), рибосомальна РНК (рРНК), які відрізняються за формою та розмірами молекул, функці­ями.

Властивості нуклеїнових кислот:

- молекула ДНК здатна до самоподвоєння (реплікація або редуплікація, або авторепродукція);

- РНК не здатна до реплікації (крім РНК так званих реовірусів);

- контроль біосинтезу специфічних білків у клітині (як структурних, так і ферментів);

- впливають на обмін речовин.

ДНК виконує такі функції: хімічна основа хромосомного генетичного матеріалу (гена); бере участь у синтезі РНК та ДНК; несе інформацію про структуру білків.

Біологічна роль ДНК полягає у зберіганні, реалізації генетичної інформації протягом життя клітини, передачі спадкової інформації від материнських до дочірних клітин, від батьків до нащадків.

РНК виконують різні функції:

- іРНК, або мРНК переносить інформацію про структуру білка від ДНК до місця синтезу білка в рибосоми;

- тРНК (рис.26) переносить амінокислоти до місця синтезу білка, в рибосоми;

- рРНК входить до складу рибосом, формуючи їх функціональний скелет.

Крім цього, розрізняють мітохондріальну та хлоропластну РНК, що входять до складу рибосом цих органоїдів.

0,34 нм

Рис. 25. Будова подвійної спіралі ДНК

(зліва – об'ємна модель; справа – площинна модель)

3,4 нм

Рис. 26. Будова молекули тРНК

Макромолекули ДНК контролюють синтез білків, що є основною речовиною клітини. Інформація від ДНК передається до так званої інформаційної РНК (іРНК). Інформаційна РНК синтезується в ядрі і переходить у рибосоми – органоїди клітини, розміщені, в основному, на мембрані ендоплазматичної сітки. У рибосомах іРНК вступає у взаємозв'язок із рибосомальною РНК і служить матрицею, на якій синтезується білок. Виявляється, що ця інформація, яка спочатку записана у вигляді послідовності нуклеотидів у молекулі ДНК, записана у вигляді специфічної послідовності нуклеотидів в інформаційній РНК і переводиться в специфічну послідовність амінокислот у молекулі білка.

У 1909 р. В. Іоганнсен запропонував назвати складові спадковості генами (від грец. γένος – нащадок, народження). Цей термін у генетиці набув визнання і став загальноприйнятим. Проте В. Іоганнсен не пов’язував розташування генів у хромосомах клітинного ядра. Докорінних змін уявлення про ген набули в результаті робіт Т. Моргана і його учнів. Поняття гена в хромосомній теорії спадковості отримало матеріальне підґрунття. Перш за все було доведено зв’язок генів з хромосомами. Потім встановлено, що гени розташовані в хромосомах лінійно, утворюючи групи зчеплення. Між генами, які знаходяться в одній парі гомологічних хромосом, завдяки кросинговеру може відбуватися рекомбінація. Частота рекомбінацій є функцією відстані між генами.

У хромосомній теорії спадковості ген уявлявся як елементарна одиниця спадковості, мутації і рекомбінації.

Проте пізнішими дослідами (М.П. Дубінін, О.С. Серебровський та ін.) було доведено, що ген не можна розглядати як корпускулу, неподільну частку спадкового матеріалу. Ген у дійсності має більш складну будову. Уявлення про складну будову гена викладено в центровій теорії гена.

Весь ген (базиген) складається з окремих ділянок – центрів, названих трансгенами, а явище отримало назву ступінчастого алелізму. Між трансгенами одного гена існують такі ж алельні відносини, як і між функціонально різними генами. Явище ступінчастого алелізму і створення центрової теорії гена похитнуло усталене уявлення про неподільність гена як одиниці функції, мутації і рекомбінації. Зазнало сумніву й уявлення, що ген функціонально неподільна одиниця, і неможливість його поділу шляхом кросинговеру.

Подальше вивчення структури і функції гена показало, що ген є ділянкою хро­мосоми і контролює розвиток конкретної ознаки. Він має певну довжину, складається з окремих різних за функцією одиниць, які можуть розділятися кросинговером і самостійно мутувати. За пропозицією американського фізика і генетика С. Бензера в 1957р. були введені три нові поняття гена: рекон, мутон і цистрон.

Одиниця рекомбінації генів – рекон. С. Бензер довів, що ген складається з великої кількості дуже дрібних, здатних до рекомбінації одиниць. Допускається, що кросинговер може відбуватися між двома сусідніми нуклеотидами і тоді величину рекона слід визнати рівною одному нуклеотиду. Отже, найменший, здатний до рекомбінації структурний елемент гена, довжина якого вже не поділяється кросинговером може вважатися за одиницю рекомбінації. Бензер назвав її реконом. Вважають, що рекон складається з однієї або кількох пар мононуклеотидів.

Одиниця мутаці генів – мутон. Найменша ділянка молекули ДНК, зміна якої спричиняє генні або точкові мутації, отримала назву мутон. Спочатку вважалося, що мутон – це група, яка складається з п’яти нуклеотидів. Пізніше було доведено, що мутон відповідає одному нуклеотиду. У ряді робіт пропонується замінити термін мутон на одиницю мутації – сайт (site). Вважають, що сайт складається не з одного, а з декількох нуклеотидів.

Одиниця функції генів – цистрон – найменша функціональна одиниця, далі неподільна на доповнюючі одна одну ділянки. Складне функціональне поєднання кількох генів, що бере участь у передаванні спадкової інформації про будову певної білкової молекули.

Згідно із сучасним уявленням ген – універсальна структурна одиниця живої матерії, яка, завдяки закодованій у ній інформації, забезпечує єдність і різноманіт­ність існуючих форм живого, контролює клітинний обмін (метаболізм), спадковість, еволюцію. Тобто, ген є структурою (певною ділянкою молекули ДНК), яка кодує яку-небудь окрему ознаку клітини. За хімічною природою ген – це ділянка молекули ДНК, на кожному ланцюгу якої у певній послідовності розміщені три нуклеотидні кодони – “кодові слова”, що визначають порядок розміщення амінокислотних залишків при синтезі поліпептидного ланцюга. Кожний ген займає на хромосомі певне місце – локус. Сукупність генів формує генотип. Генотип вірусів містить десятки генів, у бактерій їх сотні, у вищих організмів десятки і сотні тисяч. Всі гени бактерій, як правило, знаходяться в одній хромосомі й об’єднані у функціональні блоки, що контролюють усі ланки метаболізму в бактеріальних клітинах.

В еукаріот, крім ядерних генів, є також нехромосомні гени, які локалізуються в клітинних органелах (мітохондріях, пластидах) і контролюють синтез білків, що забезпечує їх функціонування. Залежно від функцій розрізняють структурні гени (цистрони) та регуляторні (ген-регулятор, ген-оператор). На структурних генах здійснюється синтез (транскрипція) інформаційних (матричних) РНК (мРНК), у послідовності нуклеотидів яких (триплетів) закодована первинна структура поліпептидних ланцюгів (послідовність розміщення амінокислотних залишків). Якщо білок має олігомерну структуру (два і більше поліпептидних ланцюгів), синтез окремих поліпептидних ланок здійснюється на кількох цистронах, які можуть бути розміщені поряд, або знаходяться на різних ділянках геному. Гени-оператори і гени-регулятори разом із групою структурних генів (цистронів) утворюють узгоджено діючі блоки – оперони, які є одиницею транскрипції.

Впродовж перших 40 років XX сторіччя біологи не мали уяви про те, що ДНК хромосом несе генетичну інформацію. Оскільки білки є основними матеріальними структурами живого, то вважалася і домінуюча роль їх в успадкуванні ознак, що вони специфічні компоненти в спадковій структурі хромосом.

Більшість дотримувалося погляду, що спадковість організму визначається білковим компонентом хромосом. А ДНК, зважаючи на просту будову і хімічний склад, не може контролювати такого складного процесу. На початку 30-х років російський генетик М.К. Кольцов дійшов висновку, що хромосома – це гігантська біологічна молекула, яка має здатність до самоподвоєння, і всі ознаки й властивості організмів зумовлені будовою білка і взаємозв’язком його молекул.

Проте поглиблене дослідження ДНК дозволило переглянути усталене уявлення щодо ролі білка в спадковості. Було доведено, що ДНК визначає генетичну специфіку організмів. Виняткове значення ДНК і РНК стало зрозумілим після встановлення незаперечного факту, що нуклеїнові кислоти є обов’язковим компонентом у процесах синтезу специфічних білків, зокрема ферментів у клітині. Експериментальними дослідженнями було показано, що ДНК властива всім хромосомам рослин, тварин, людини та є основою явища спадковості. Тільки нуклеїнові кислоти визначають специфіку будови білків.

Водночас зауважимо, що обов’язковим компонентом процесу відтворення генетичної інформації є білки. Якщо зберігання спадкової інформації і окремі стани її передачі в спрощених системах може здійснюватися без білків, то відтворення неможливе без ензимів. Не можна протиставляти функції білків і нуклеїнових кислот. Усі форми живої матерії, всі процеси відтворення і функціонування нуклеїнових кислот нерозривно пов’язані з білками.

Гіпотеза про прямі зв’язки між генами і ферментами була запропонована на початку XX ст. (1909 р.), проте тільки в 1940 р. постулат “один ген – один фермент” отримав загальне схвалення. Тепер ближче до істини теза “один ген – один поліпептидний ланцюг”, коли білок складається більше ніж з одного поліпептидного ланцюга, кожний із них синтезується окремо, і лише потім вони об’єднуються в готовий продукт.

У середині 50-х років XX століття була висунута матрична теорія синтезу білка. Згідно з нею – це складний багатоступінчастий процес. У ньому беруть участь ДНК, різні види РНК і різноманітні ферменти. Тільки інформаційна РНК відіграє роль матриці в цьому процесі. Кількість утворених на ДНК молекул іРНК визначається числом генів, що контролюють у даного організму синтез специфічних білків.

Кожний білок синтезується на своїй матриці і для нього потрібна своя особлива іРНК. Одна молекула іРНК транскрибує послідовність нуклеотидів з відрізка ДНК, рівного одному гену, і переносить цю інформацію на послідовність розміщення амінокислот у поліпептидному ланцюгу одного білка. Інформаційна РНК, проникнувши з ядра в цитоплазму і прикріпившись до рибосом, починає діяти щодо білків як матриця.

Одним із важливих досягнень у генетиці в 60-х роках було відкриття генетичного коду.

Генетичний код – це система запису інформації про послідовність розташування амінокислот у білках згідно з розміщенням нуклеотидів у ДНК та іРНК. Ф.Крік із співавторами довели, що ділянка молекули ДНК складається з трьох нуклеотидів і отримала назву триплету або кодону (F. Crick et al., 1961).

Експериментально встановлено, що код триплетний, тобто три нуклеотиди кодують одну амінокислоту. Розшифровані кодони для всіх амінокислот. Код не перекривається, – кожна пара нуклеотидних основ відповідає тільки одному кодону. Код характеризується ще одною властивістю, – він вироджений. Що це означає? Із чотирьох різних нуклеотидів можливі 64 різні варіанти поєднання, а для кодування 20 амінокислот достатньо 20 триплетних кодонів. Звідси, очевидно, є кодони – синоніми, це інші 44 кодони. Отже, одну амінокислоту кодує декілька триплетів. Наприклад, амінокислоті аргініну можуть відповідати триплети ЦГУ, ЦГЦ, ЦГА, ЦГГ та ін. Виняток становлять дві амінокислоти: триптофан і метіонін, які кодуються тільки одним триплетом кожна.

Отже, генетичний код триплетний, неперервний, вироджений, кодони нічим не відділені один від одного. Він зчитується з певної ділянки в межах гена в одному напрямку.

При зчитуванні інформації з молекули ДНК неможливе використання азотистої основи одного триплету в комбінації з основами іншого триплету.

Визначають також три кодони (УAA, УAГ, УГA), які позначають як “нонсенси” або “беззмістовні”. Вони не кодують жодної амінокислоти. Це точки термінації трансляції (закінчення синтезу білка). З них розпочинається кодування нової молекули білка.

Властивості генетичного коду:

1. Код триплетний – кожна з 20 амінокислот зашифрована послідовністю розташування трьох нуклеотидів.

2. Код вироджений (надлишковий) – кожна амінокислота шифрується більш ніж одним кодоном (від 2 до 6). Виняток становлять метіонін, кодується тільки триплетом АУГ, і триптофан – УГГ.

3. Код специфічний – кожний кодон шифрує тільки одну амінокислоту.

4. Код універсальний – один триплет однаково ефективно кодує одну і ту ж амінокислоту у всіх живих організмів: від вірусів до людини.

5. Код ніколи не перекривається – кожний нуклеотид входить лише в один триплет. Кодони (триплети) транслюються – передаються у вигляді інформації триплету іРНК – завжди цілком.

6. Код беззмістовний (безперервність) – між триплетами немає розділових знаків, тобто код має лінійний безперервний порядок зчитування.

7. Триплети УАА, УАГ і УГА визначають припинення синтезу одного поліпептидного ланцюга, оскільки не кодують жодної амінокислоти (термінуючі кодони). Вони розташовані наприкінці кожного гена.

8. Колінеарність – послідовність нуклеотидів у молекулі іРНК точно відповідає амінокислотній послідовності в поліпептидному ланцюгу.

9. Односпрямованість – зчитування інформації в процесі транскрипції і трансляції відбувається лише в напрямку 5΄-3´-кінець.

Таблиця 1

Генетичний код (іРНК)

Перша буква (5'-кінець)	Друга буква	Третя буква (3'-кінець)
У	Ц	A	Г
У	Фен Фен Лей Лей	Сер Сер Сер Сер	Тир Тир Non1 Non2	Цис Цис Non3 Трп	У Ц A Г
Ц	Лей Лей Лей Лей	Про Про Про Про	Гіс Гіс Глн Глн	Арг Арг Арг Арг	У Ц A Г
A	Іле Іле Іле Мет	Тре Тре Тре Тре	Асн Асн Ліз Ліз	Сер Сер Арг Арг	У Ц A Г
Г	Вал Вал Вал Вал	Ала Ала Ала Ала	Асп Асп Глу Глу	Глі Глі Глі Глі	У Ц A Г

Примітка: Триплети УAA, УAГ, УГA не кодують амінокислот.

Самостійна навчально-дослідницька робота:

1. Скласти таблицю “Порівняльна характеристика ДНК та РНК“ (за зразком).

2. Розв’язати декілька ситуаційних задач з молекулярної генетики на кодування амінокислот і визначення нуклеотидного складу ДНК чи РНК.

Набути практичних навичок:

1. Уміти користуватися таблицею генетичного коду (іРНК).

2. Уміти визначити нуклеотидний склад ДНК та РНК (за умовою ситуаційної задачі).

Питання до самоконтролю:

1. Що таке принцип комплементарності в будові ДНК?

2. Які азотисті основи, пентози є у складі ДНК та РНК?

3. Назвіть нуклеотиди у складі ДНК та РНК?

4. Які є правила Чаргаффа?

5. Що таке темнова і світлова репарація ДНК?

6. Яку (приблизно) кількість генів має організм людини?

7. На які фрагменти можна розділити ДНК за способами організації її нуклеотидів?

8. Яка функція регуляторних генів?

9. Що таке кластери генів?

10. В чому полягає специфічність дії гена?

11. Чим відрізняються між собою за рівнем активності конститутивні та неконститутивні гени?

12. Які функції виконують мобільні генетичні елементи?

13. Що називають генетичним кодом?

14. Що таке триплет (або кодон)?

15. Чому генетичний код називають виродженим?

16. Що свідчить про специфічність генетичного коду?

17. Які кодони називають беззмістовними („нонсенс-кодонами”)?

Дата добавления: 2017-02-01