Матеріальні основи спадковості. Будова і самоподвоєння ДНК

            Одна з фундаментальних властивостей живих організмів – спадковість, тобто здатність передавати свої ознаки й особливості розвитку потомкам. Ця здатність зумовлена передаванням із покоління в покоління генетичної інформації. Матеріальним носієм цієї інформації є молекули дезоксирибонуклеїнової кислоти ( ДНК).

            ДНК – це біополімер, мономером  якого є нуклеотид. Нуклеотид ДНК складається з трьох чатисн: азотистої основи, дезоксирибози, та залишку фосфорної кислоти. Є чотири основні  види азотистих основ: аденів ( А), гуанін ( Г), тимін ( Т), цитозин ( Ц). Назва нуклеотиду залежить від азотистої основи:

Азотиста основа       Назва нуклеотиду

Аденін                           аденіловий

Гуанін                            гуаніловий

Тимін                             тимідиловий

Цитозин                         цитидиловий

Згідно з моделлю Уотсона –Кріка ( 1953) молекула ДНК складається з двох полінуклеотид них ланцюгів, закручених у спіраль відносно один одного ( подвійна спіраль). Азотисті основи різних ланцюгів з’єднуються за допомогою водневих зв’язків  певним чино, а саме: аденін із  тиміном, гуанін з цитозином. Принцип вибіркової взаємодії нуклеотидів називається принципом компліментарності. Розмір кожної комплементарної пари вздовж осі спіралі дорівнює 0, 34 нм.

          Передавання спадкової інформації від одного покоління іншому забезпечується здатністю ДНК до самоподвоєння  ( реплікації). У спрощеному вигляді реплікація ДНК відбувається таким чином:

1)      за допомогою певного фермента водневі зв’язки між ланцюгами ДНК розриваються;

2)      фермент  ДНК – полімераза ( у відповідності з принципом компліментарності) на кожному материнському ланцюгу синтезує дочірні ланцюги;

3)      материнський і дочірний полінуклеотид ні ланцюги взаємно спіралізуються .

   Спосіб реплікації ДНК називається напівконсервативним , тому що в кожній новій молекулі один ланцюг – материнський, а другий – дочірній.

Приклад задачі

Задача 1. Один із ланцюгів ДНК має таку будову:

   АТГ – АЦЦ- АГТ – ЦАЦ – АТЦ

Яка послідовність нуклеотидів у другому ланцюзі цієї молекули ДНК?

Розв’язання . Послідовність нуклеотидів у другому ланцюзі ДНК визначається у відповідності з принципом компліментарності:

ТАЦ – ТГГ – ТЦА – ГТГ – ТАГ  

                                       

Біосинтез білка

Генетична інформація реалізується через синтез певних білок, характерних  для даного організму .

     Ділянку молекули ДНК , яка містить інформацію про первинну структуру певного білка, називають геном. У межах гена є ділянки, які несуть інформацію про білок – екзони , й неінформативні ділянки – інтрони. Спадкова інформація зашифрована молекулах нуклеїнових кислот за допомогою генетичного коду. Сутність коду полягає в тому, що послідовність амінокислот у білку визначається послідовністю нуклеотидів у ДНК  або і РНК. Оскільки в рибосомах  поліпептидний ланцюг синтезується у відповідності зі структурою і РНК, то під генетичним кодом, як правило розуміють код і РНК.

    Генетичний код є триплетним, тобто кожна амінокислота кодується трійкою ( триплетом) нуклеотидів. У коді є 64 триплети ( кодони), але три з них ( УГА, УАГ, УАА) не відповідають  жодній амінокислоті. Їх називають нонсенс – кодонами; це сигнали про закінчення синтезу поліпептидного ланцюга. Генетичний код є виродженим, тому що всі амінокислоти, крім метіоніну і триптофану , кодуються більше ніж одним триплетом. Як правило, в кодонах , що визначають одну  й ту саму амінокислоту, перші два нуклеотиди однакові, а на третьому місці – різні. Наприклад, амінокислоті гліцину відповідають кодони ГГУ, ГГЦ, ГГА, ГГГ. При розв’язуванні задач звичайно називають перший кодон, який стоїть у генетичному коді.

     В ході синтезу білка відбуваються такі процеси, як транскрипція, активація амінокислот , трансляція.

Приклади задач.

Задача № 1

Ділянка молекули ДНК  має таку будову:

АЦЦ АТА ГТЦ ЦАА ГГА

Визначте послідовність амінокислот  в поліпептидному ланцюгу.

Розв’язання . Спочатку визначаємо структуру іРНК:

УГГ УАУ ЦАГ ГУУ ЦЦУ

За допомогою генетичного  коду встановлюємо будову відповідного поліпептидного ланцюга:

Триптофан – тирозин – глутамін – валін -  пролін .

Задача № 2

Ділянка поліпептидного ланцюга має таку будову: аланін – лізин –  валін – серин .

Визначте послідовність нуклеотидів у ділянці ДНК , яка кодує цю частину ланцюга.

Розв’язання. Спочатку визначаємо відповідну  ділянку і РНК. В генетичному коді певній амінокислоті відповідає кілька триплетів і РНК. При розв’язанні задач, як правило, наводиться перший триплет.

Білок : аланін – лізин – валін – серин

іРНК: ГЦУ – ААА – ГУУ – УЦУ

ДНК: ЦНА – ТТТ – ЦАА – АГА

Задача № 3

Скільки нуклеотидів входить до складу  гена ( обидва ланцюги ДНК), який містить інформацію про білок інсулін із 51 амінокислоти?

Розв’язання. Одна амінокислота кодується трійкою нуклеотидів. Ділянка одного ланцюга ДНК, що містить інформацію про білок із 51 амінокислоти, складається з 51 ▪ 3 = 153 нуклеотидів. Оскільки до гена входять два ланцюги ДНК, то кількість нуклеотидів у ньому – 306.

Задача № 4

До складу білка входить 400 амінокислот. Визначте, яку довжину має ген, що кодує.

Розв’язання :  відповідна ділянка одного ланцюга ДНК складається з 400 .3 = 1200 нуклеотидів, а ген – із 1200 пар нуклеотидів. Довжина однієї пари нуклеотидів 0.34 нм, звідси довжина даного гена: 1200х 0.34 нм = 408 нм.