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

ТЕМА 1. XІМІЧНИЙ СКЛАД КЛІТИНИ

§7. БУДОВА, ВЛАСТИВОСТІ ТА ФУНКЦІЇ ДНК

Пригадайте, у яких структурах клітини зберігається спадкова інформація. Що таке мономери, біополімери? Які організми належать до еукаріотів і прокаріотів? Які процеси називають денатурацією, ренатурацією та деструкцією?

Будова ДНК. Молекули ДНК у клітинах еукаріотів містяться в ядрі, пластидах і м ітохондріях, у клітинах прокаріотів - в особливих ділянках цитоплазми. Розшифрування структури ДНК має свою історію. 1950 року американський учений Ервін Чаргафф (1950-2002) та його колеги виявили певні закономірності кількісного вмісту азотистих основ у молекулі ДНК:

по-перше, кількість нуклеотидів, що містять аденін, у будь-якій молекулі ДНК дорівнює числу нуклеотидів, що містять тимін (А = Т), а число нуклеотидів з гуаніном - числу нуклеотидів із цитозином (Г = Ц);

по-друге, сума нуклеотидів з аденіном і гуаніном дорівнює сумі нуклеотидів з тиміном і цитозином (А + Г = Т + Ц).

Мал. 26. Мішер Йоганн Фрідріх (1844-1895)

Цікаво знати

Мішер Йоганн Фрідріх - швейцарський біолог (мал. 26), 1869 року відкрив ДНК, виділивши її з ядер лейкоцитів. Тому спочатку цю нову сполуку він назвав нуклеїн (від лат. nucleus — ядро), але згодом, коли були встановлені кислотні властивості ДНК, стали застосовувати назву «нуклеїнова кислота». Й. Ф. Мішер встановив і хімічний склад ДНК. Згодом молекули ДНК виявили і в інших органелах клітини (мітохондріях і пластидах).

Мал. 27. 1. Джеймс Дьюї Уотсон (народ. 1928 р.) - американський біолог, лауреат Нобелівської премії в галузі фізіології і медицини 1962 р. (разом з Ф. Кріком та М. Уїлкінсом) за відкриття структури молекули ДНК. 2. Френсіс Гаррі Комптон Крік (1916-2004) - британський біолог, лауреат Нобелівської премії в галузі фізіології і медицини 1962 р. за відкриття структури молекули ДНК. 3. Розалінда Франклін (1920-1958) - англійська вчена, відома своїми дослідженнями в галузі вивчення структури молекул ДНК. 4. Моріс Г’ю Фредерік Уїлкінс (1916-2004) - англійський фізик і молекулярний біолог, лауреат Нобелівської премії в галузі фізіології і медицини 1962 р. Разом з Р. Франклін застосовував методи рентгенографії при дослідженні структури молекул ДНК

Комплементарність (від лат. комплементум - доповнення) - просторова відповідність між молекулами або їхніми частинами, що уможливлює взаємодію між ними та утворення хімічних зв'язків.

Це відкриття сприяло встановленню 1953 р. Джеймсом Уотсоном та Френсісом Кріком (мал. 27) просторової структури ДНК (мал. 28). Молекула ДНК складається з двох ланцюгів нуклеотидів, які сполучаються між собою за допомогою водневих зв’язків. Ці зв’язки виникають між двома нуклеотидами, які ніби доповнюють один одного за розмірами, при цьому розміри А і Г дещо більші, ніж Т і Ц. Тому залишок аденіну (А) нуклеотиду одного ланцюга молекули ДНК завжди сполучається із залишком тиміну (Т) нуклеотиду іншого ланцюга (між ними виникає два водневих зв’язки), а гуаніну (Г) - із цитозином (Ц) (між ними виникає три водневих зв’язки).

Чітка відповідність нуклеотидів у двох ланцюгах ДНК має назву комплементарність. Взаємодіючи між собою, два ланцюги нуклеотидів молекули ДНК формують закручену праворуч спіраль діаметром приблизно 2 нм (1 нм (нанометр) дорівнює 1 ∙ 10-6 мм). Відстань між сусідніми комплементарними парами азотистих основ становить 0,34 нм, а крок спіралі дорівнює 3,4 нм і містить близько десяти пар основ. Так виникає вторинна структура молекули ДНК, тоді як первинна - це певна послідовність залишків нуклеотидів, розташованих у вигляді ланцюга.

Молекули ДНК у клітині становлять компактні структури. Наприклад, довжина ДНК найбільшої хромосоми людини становить близько 10 см, але вона скручена таким чином, що вміщується у хромосомі завдовжки 5 мкм. Це відбувається завдяки тому, що дволанцюгова спіраль ДНК зазнає подальшого просторового ущільнення, формуючи третинну структуру - суперспіраль. Така будова характерна для ДНК хромосом еукаріотів і зумовлена взаємодією між ДНК та ядерними білками. Зокрема, комплекси ДНК з білками входять до складу структур ядра клітини - хромосом. У ядерній зоні клітин прокаріотів молекула ДНК має кільцеву будову та з білками не сполучається.

Властивості ДНК. Так само як і молекули білків, молекули ДНК здатні до денатурації та ренатурації. За певних умов (дія кислот, лугів, високої температури тощо) водневі зв’язки між комплементарними азотистими основами різних ланцюгів молекули ДНК розриваються. При цьому молекула ДНК повністю або частково розпадається на окремі ланцюги, і, відповідно, втрачає свою біологічну активність. Після припинення дії негативних чинників структура молекули може відновлюватись завдяки поновленню водневих зв’язків між комплементарними нуклеотидами.

Мал. 28. Молекула ДНК: 1 - схема будови; 2 - просторова модель. Зверніть увагу, обидва ланцюги ДНК закручені навколо спільної осі, а також один навколо одного

Цікаво знати

У 1952 р. Дж. УОТСОН та Ф. Крік, використовуючи правила Е. Чаргаффа та рентгенограми Розалінди Франклін і Моріса Уїлкінса, побудували просторову модель молекули ДНК. Дж. Уотсон відомий також тим, що з 1989 по 1992 р. був організатором і керівником проекту «Геном людини», завдяки якому було розшифровано послідовність нуклеотидів молекул ДНК людини. Дж. Уотсон став першою людиною у світі, чий геном був повністю розшифрований.

Мал. 29. Процес реплікації - самоподвоєння молекули ДНК: за участі ферменту розшиваються водневі зв’язки (1) і на кожному ланцюзі материнської молекули за принципом комплементарності добудовується дочірній (2)

Важлива властивість молекул ДНК - їхня здатність до самоподвоєння. Це явище називають реплікацією. Воно ґрунтується на принципі комплементарності: послідовність нуклеотидів у новоствореному ланцюзі визначається їхнім розташуванням у ланцюзі материнської молекули ДНК. При цьому материнська молекула ДНК слугує матрицею.

Реплікація ДНК - напівконсервативний процес, тобто дві дочірні молекули ДНК містять по одному ланцюгу, успадкованому від материнської молекули, і по одному, - синтезованому заново (мал. 29). Завдяки цьому дочірні молекули ДНК є копією материнської. Це явище забезпечує точну передачу спадкової інформації від материнської молекули ДНК дочірнім.

Функції ДНК. Основні функції ДНК - це кодування, збереження спадкової інформації та її передача дочірнім клітинам під час розмноження. Зокрема, окремі ланцюги молекули ДНК слугують матрицею для синтезу різних типів молекул РНК (мал. 30). Цей процес називають транскрипцією.

Одиницею спадковості всіх організмів є ген - ділянка молекули ДНК (у деяких вірусів - РНК). Ген містить спадкову інформацію про структуру певного білка або нуклеїнової кислоти (докладніше організацію спадкового матеріалу різних груп організмів ми розглянемо у § 20).

Функціонально ген - цілісна одиниця спадковості, бо будь-які порушення його будови змінюють закодовану в ньому інформацію або призводять до її втрати. Гени поділяють на структурні, які кодують структуру білків і рибонуклеїнових кислот, та регуляторні, що слугують місцем приєднання ферментів та інших біологічно активних речовин. Регуляторні гени впливають на активність структурних і беруть участь у процесах подвоєння ДНК та переписування спадкової інформації на молекули РНК.

Сукупність усієї генетичної інформації, закодованої в генах певної клітини або цілісного організму, має назву генотип. Це цілісна інтегрована система, де окремі гени взаємодіють між собою.

Кількість генів у різних організмів значно коливається. Найпростіший організований спадковий матеріал вірусів, у якому від одного до кількох сотень структурних генів. Спадковий матеріал прокаріотів має складнішу будову і включає як структурні, так і регуляторні гени. Спадковий матеріал еукаріотів ще складніший: кількість ДНК у їхньому ядрі більша, а отже, більша й кількість структурних і регуляторних генів.

Дослідження спадкового матеріалу різноманітних організмів показало, що кількість ДНК у їхньому ядрі перевищує потрібну для кодування всіх структурних генів у 8-10 разів. Причини цього явища різні. По-перше, ДНК містить чимало послідовностей, кожна з яких повторюється до сотень тисяч разів. По-друге, значна частина ДНК взагалі не несе генетичної інформації. По-третє, є велика кількість регуляторних генів. Було доведено, що ген складається з окремих блоків (частин). Одні з них копіюються в мРНК і несуть інформацію про структуру певних сполук, а інші - ні.

Мал. 30. Транскрипція - синтез молекули РНК (1) на одному з ланцюгів молекули ДНК (2). Ці процеси забезпечує специфічний фермент (3)

Інформація про амінокислотну послідовність у складі білка, закодована за певними правилами у вигляді послідовності нуклеотидів нуклеїнової кислоти, має назву генетичний код.

Коротко про головне

Молекула ДНК складається з двох ланцюгів нуклеотидів, які сполучаються між собою за допомогою водневих зв'язків. Чітка відповідність нуклеотидів у ланцюгах ДНК, між якими виникають водневі зв'язки, має назву «комплементарність».

Молекули ДНК здатні до денатурації та ренатурації, а також деструкції. Вони також здатні до самоподвоєння (реплікації).

Основні функції ДНК - це кодування, збереження спадкової інформації та її передача дочірнім клітинам під час розмноження.

Сукупність генетичної інформації, закодованої в генах певної клітини або цілісного організму, має назву «генотип».

Гени поділяють на структурні, які кодують структуру білків і рибонуклеїнових кислот, та регуляторні, що слугують місцем приєднання ферментів та інших біологічно активних речовин.

Активізуйте свої знання

Як окремі клітини, так і цілісні організми належать до відкритих біологічних систем. Це означає, що їхнє існування можливе лише завдяки постійному надходженню з навколишнього середовища поживних речовин разом із запасеною в них енергією, їхнім перетворенням з виділенням енергії та виведенню назовні продуктів життєдіяльності. Значна частина енергії, що виділяється, слугує для підтримання теплового балансу організмів. Сукупність згаданих процесів має назву обмін речовин, або метаболізм.

Цікаво знати

Раніше вважали, що гени займають лише чітко визначене положення у складі молекули нуклеїнової кислоти. Але у 60-х роках XX сторіччя було виявлено явище, яке вражає уяву: переміщення фрагментів ДНК з однієї ділянки до іншої. Якщо такий фрагмент опиняється у кодуючій послідовності нуклеотидів іншого гена, то цей ген втрачає свою функцію. Отже, існують генетичні програми, які зумовлюють перебудову окремих ділянок молекули ДНК.

Ключові терміни та поняття:

реплікація, транскрипція, ген, гени структурні та регуляторні, генотип.

Перевірте здобуті знання

1. Які особливості будови ДНК? 2. Що спільного і відмінного в будові молекул ДНК і РНК? 3. Яка просторова структура молекули ДНК? 4. У чому полягають функції ДНК у клітині? 5. Що таке ген і генотип? 6. Які є типи генів?

Поміркуйте

Які зв'язки будуть насамперед руйнуватись унаслідок дії на молекулу ДНК різних чинників: між сусідніми нуклеотидами, що входять до складу одного ланцюга, або між комплементарними нуклеотидами різних ланцюгів? Відповідь обґрунтуйте.



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