Підручник Біологія 9 клас - Л.І. Остапченко - Генеза 2017

ТЕМА 4. ЗБЕРЕЖЕННЯ ТА РЕАЛІЗАЦІЯ СПАДКОВОЇ І НФОРМАЦІЇ

§21. 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 білків? Яка будова ендоплазматичної сітки та рибосом? Що таке ген, яка будова генів еукаріотів? Яка будова та властивості мітохондрій і пластид?

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.

Процес самоподвоєння молекул ДНК, або реплікація, ґрунтується на принципі комплементарності: послідовність нуклеотидів у новоствореному ланцюзі молекули ДНК визначається розташуванням комплементарних нуклеотидів у ланцюзі 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 кінця ланцюга, що синтезується. Цей фермент каталізує також реакцію утворення ковалентного зв’язку між сусідніми нуклеотидами (мал. 105).

Тип нуклеотиду (один із чотирьох: А, Т, Г або Ц), що приєднується, визначається тим ланцюгом 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. 105).

Усі види РНК (мРНК, тРНК, рРНК) синтезуються також за принципом комплементарності на молекулах ДНК (мал. 106). Ці реакції забезпечують відповідні ферменти.

Мал. 105. Процес реплікації молекули ДНК: за участю ферменту розшиваються водневі зв’язки і на кожному материнському 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; 5 - ланцюг материнської молекули ДНК слугує матрицею для синтезу нового; 6 - дочірній ланцюг; 7 - реплікаційна вилка

Мал. 106. Синтез молекули мРНК (1) на одному з ланцюгів молекули ДНК (2). Ці процеси забезпечує специфічний фермент (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 від- карбувати 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.

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 фермент ДНК-полімераза вбудовує нормальний фрагмент, використовуючи інший ланцюг як матрицю (мал. 107).

Що таке генетичний код? Які його властивості? У живих організмах утворюється величезна кількість різноманітних білків. Інформація про структуру кожного з них має зберігатись у клітинах. Єдина для всіх живих 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.

Учені виявили, що кожна амінокислота в поліпептидному ланцюзі кодується певною послідовністю з трьох нуклеотидів - так званим триплетом. Чотири різні нуклео- тиди 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 (див. таблицю 5). Встановлено, що більшість стандартних амінокислот (18 з 20) кодується

Цікаво знати

Процес реплікації напівконсер- вативний. кожна з двох утворених дочірніх молекул ДНК отримує один ланцюг від материнської молекули, другий - синтезується на ньому за принципом комплементарності з вільних нуклеотидів. Саме завдяки цьому дочірні молекули ДНК є точною копією материнської.

Цікаво знати

Крім ядра, у мітоходріях і хлоропластах еукаріотичних клітин відбувається реплікація відповідно міто- хондріальної та хлоропластної ДНК. Подвоєння молекул ДНК передує поділу цих органел.

Мал. 107. Процес репарації (виправлення) молекули ДНК: білки (1) розпізнають кінці пошкодженої молекули ДНК (2) і з’єднують їх; 3 - відновлений фрагмент молекули ДНК

Запам'ятаємо: реакції матричного синтезу є основою однієї з головних властивостей біологічних систем - здатності до самовідтворення.

кількома триплетами (від двох до шести) і лише дві з них - одним.

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 5 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 5 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. В місці перетину ліній міститься інформація про амінокислоту, яку слід визначити. Нагадуємо, що в таблиці наведено триплети мРНК, а не ДНК.

Таблиця 5

ГЕНЕТИЧНИЙ КОД

Перша основа

Друга основа

Третя основа

У

Ц

А

Г

У

ФЕН

СЕР

ТИР

ЦИС

У

ФЕН

СЕР

ТИР

ЦИС

Ц

ЛЕЙ

СЕР

Стоп-кодон

Стоп-кодон

А

ЛЕЙ

СЕР

Стоп-кодон

ТРИ

Г

Ц

ЛЕЙ

ПРО

ГІС

АРГ

У

ЛЕЙ

ПРО

ГІС

АРГ

Ц

ЛЕЙ

ПРО

ГЛН

АРГ

А

ЛЕЙ

ПРО

ГЛН

АРГ

Г

А

ІЛЕ

ТРЕ

АСН

СЕР

У

ІЛЕ

ТРЕ

АСН

СЕР

Ц

ІЛЕ

ТРЕ

ЛІЗ

АРГ

А

МЕТ

ТРЕ

ЛІЗ

АРГ

Г

Г

ВАЛ

АЛА

АСП

ГЛІ

У

ВАЛ

АЛА

АСП

ГЛІ

Ц

ВАЛ

АЛА

ГЛУ

ГЛІ

А

ВАЛ

АЛА

ГЛУ

ГЛІ

Г

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), глутаміну (ГЛН), глутамінової кислоти (ГЛУ), ізолейцину (ІЛЕ), лейцину (ЛЕЙ), лізину (ЛІЗ), метіоніну (МЕТ), проліну (ПРО), серину (СЕР), тирозину (ТИР), треоніну (ТРЕ), триптофану (ТРИ), фенілаланіну (ФЕН) та цистеїну (ЦИС), МЕТ - стартовий триплет.

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 (мал. 108). У генетичному коді є також три триплети (УАА, УАГ, УГА), кожний з яких сигналізує про припинення синтезу поліпептидного ланцюга, їх називають стоп-кодонами.

Мал. 108. Зчитування генетичної інформації

Аналізуючи таблицю 6, ви звернули увагу на те, що триплети УАА, УАГ, УГА не кодують жодної амінокислоти, на відміну від триплету АУГ.

Коротко про головне

Важливими властивостями молекул ДНК є їхня здатність до самоподвоєння (реплікації) та виправлення пошкоджень і помилок (репарації). Основні функції ДНК - це кодування, збереження спадкової інформації та передача її дочірнім клітинам під час розмноження.

Особливий тип біохімічних реакцій, коли одна молекула слугує основою (матрицею) для синтезу іншої, дістав назву «реакцій матричного синтезу».

Єдина для всіх живих організмів система збереження спадкової інформації дістала назву «генетичний код». Це певна послідовність нуклеотидів молекул нуклеїнових кислот. Вона визначає порядок розташування амінокислотних залишків у поліпептидному ланцюзі під час його синтезу. Властивості генетичного коду такі: він триплетний, універсальний, однозначний (один триплет кодує лише одну амінокислоту), більшість амінокислот кодується декількома триплетами; зчитується зазвичай лише одним способом; має послідовності нуклеотидів, які не кодують спадкову інформацію, а лише розділяють певні гени; є триплети, що дають сигнал про початок синтезу білкової молекули, а також про його припинення.

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 їхнє біологічне значення?

Поміркуйте

Яке значення для існування організмів має здатність ДНК до репарації?





Відвідайте наш новий сайт - Матеріали для Нової української школи - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити