69_39_Genetikapdf

41

ТЕМА 5. НУКЛЕЇНОВІ КИСЛОТИ

5.1. Докази генетичної ролі нуклеїнових кислот

Досить довгий час вважалось, що основним носієм спадковості є білок хромосоми. Але при подальших дослідженнях були отримані переконливі докази, що носії спадковості – це нуклеїнові кислоти, а не білок.

Про важливу роль нуклеїнових кислот у передачі спадкової інформації говорять наступні три категорії фактів:

·трансформація бактерій;

·розмноження бактеріофагів;

·створення гібридних вірусів.

Трансформація - це спосіб перенесення генетичної інформації, при якому ізольована із однієї клітини ДНК проникає у іншу і вбудовується у її . геном

Трансформацію бактерій вперше було здійснено на пневмококових бактеріях, що

викликають запалення легень. Серед цього виду

бактерій

є

капсульні

безкапсульні форми. Із капсульних бактерій була виділена

у

чистому

вигляді

ДНК,

яку

ввели

у

поживне

середовище

з

безкапсульними

фо

пневмококових

бактерій.

В

результаті

цього безкапсульні

форми

бактерій

перетворились на капсульні. Викликане таким чином перетворення однієї форми

бактерій у іншу виявилось спадковим. В подальшому трансформація

була

проведена на багатьох видах інших бактерій. Вона є доказом важливої ролі ДНК у

передачі спадкової інформації.

Бактеріофаги –

це

віруси, які

розмножуються

у бактеріях. Бактеріофаг

складається із зовнішньої білкової оболонки і

спірально

закрученої нитк

нуклеїнової кислоти. При розмноженні він прикріплюється до бактерії, які

шприцом, вводить у неї свою ДНК. При цьому білкова оболонка фага залишається

зовні і не потрапляє до бактерії. ДНК бактеріофага розмножується шляхом

самовідтворення.

Навколо

новоутворених

ниток

ДНК

утворюється

білкова

оболонка,

яка

властива

даному

виду

.фагаТким

чином,

ДНК

визначає

властивості новоутворених бактеріофагів. А білок залишається зовні бактерії і

ніякої участі в утворенні бактеріофагів не приймає. Це також доказує, що носієм

спадковості є ДНК, а не білок.

Вірус – це частка, яка складається із нуклеїнової кислоти(ДНК або РНК) і

білка і розмножується всередині клітини-хазяїна. Білок вірусу можна видалити, а

нуклеїнову кислоту з’єднати із білковою оболонкою іншого вірусу. Наприклад, у

ряді

досліджень

нуклеїнову

нитку

вірусу хвороби

подорожника

з’єднували

з

білком вірусу тютюнової мозаїки. Таким чином отримували своєрідні вірусигібриди. Виявилось, що такий гібридний вірус володіє властивостями того виду, від якого взята нуклеїнова кислота, а не білок.

Таким чином дослідження по трансформації бактерій, розмноженню бактеріофагів та отриманню гібридних вірусів доводять роль нуклеїнових кислот у передачі спадкової інформації.

42

5.2. Нуклеїнові кислоти та їх функції

Нуклеїнові кислоти – це біополімери, що складаються із залишків фосфорної кислоти, цукрів і азотистих основ (пуринів і піримідинів). Вони мають фундаментальне біологічне значення, оскільки містять у закодованому вигляді всю генетичну інформацію будь-якого живого організму – від людини до бактерій та вірусів, що передається від одного покоління до іншого. Існує два типи нуклеїнових кислот: дезоксирибонуклеїнова кислота (ДНК) і рибонуклеїнова кислота (РНК).

ДНК була відкрита Іоганном Фрідріхом Мішером 1869у році. Спочатку нова речовина отримала назву нуклєїн, а пізніше, коли Мішер визначив, що ця речовина володіє кислотними властивостями, речовина отримала назву нуклеїнова кислота. Біологічна функція нововідкритої речовини була неясна, і довгий час вважалося, що ДНК – це запас фосфору в організмі. Більш того, навіть на початку ХХ століття багато біологів вважали, що ДНК не має ніякого відношення до передачі інформації, оскільки будова молекули, на їх думку, була дуже одноманітною і не могла містити закодовану інформацію.

ДНК – один із двох типів природних нуклеїнових кислот, який забезпечує зберігання, передачу з покоління в покоління і реалізацію генетичної програми розвитку і функціонування живих організмів. Основна роль ДНК в клітинах– довготривале зберігання інформації про структуру РНК і білків.

Уклітинах еукаріотів(наприклад, тварин, рослин або грибів) ДНК

знаходиться в ядрі клітини в складі хромосом, а також в деяких клітинних органелах (мітохондріях і пластидах). У клітинах прокаріотів (бактерій і архей) кільцева або лінійна молекула ,ДНКтак званий нуклеоїд, знаходиться в цитоплазмі і прикріплена зсередини до клітинної мембрани. У них і у нижчих еукаріот (наприклад дріжджів) зустрічаються також невеликі автономні кільцеві молекули ДНК, так звані плазміди. Крім того, одноабо дволанцюгові молекули ДНК можуть утворювати геном ДНК-вірусів.

Біологічна роль ДНК:

·ДНК є носієм генетичної інформації, записаної у вигляді нуклеотидної послідовності за допомогою генетичного коду;

·з молекулами ДНК пов’язані дві основоположні властивості живих організмів – спадковість і мінливість;

·у ході процесу, що називається реплікацією ДНК, утворюються дві копії початкового ланцюга, які успадковуються дочірніми клітинами при поділі. Клітини, що утворилися таким чином, будуть генетично ідентичними;

·	генетична	інформація,		потрібна	для	життєдіяльності		клітини,
	зчитується	при	експресії		. генівУ	більшості	випадків	вона
	використовується		для	біосинтезу білків у процесах транскрипці
	(синтезу молекул РНК на матриці ДНК) і трансляції (синтезу білків на
	матриці РНК).

43

РНК (рибонуклеїнова кислота) – клас нуклеїнових кислот, лінійних полімерів нуклеотидів, до складу яких входить залишок фосфорної кислоти, рибоза (на відміну від ДНК, що містить дезоксирибозу) і азотисті основи – аденін, цитозин, гуанін і урацил (на відміну від ДНК, що містить замість урацилу тимін). РНК містяться головним чином в цитоплазмі клітин. Ці молекули синтезуються в клітинах усіх організмів. Основні функції РНК в клітинних організмах–

шаблон для трансляції генетичної інформації в білки та доставка відповідних амінокислот до рибосом. Молекула РНК звичайно представлена одним ланцюгом (у деяких вірусів - двома).

5.3. Структура ДНК і РНК

До 50-х років ХХ століття точна будова ДНК, як і спосіб передачі спадкової інформації, залишалися невідомими. Хоч і було виявлено, що ДНК складається з кількох ланцюгів, які у свою чергу складаються з нуклеотидів. Але ніхто не знав точно, скільки цих ланцюгів і як вони сполучені.

Структура молекули ДНК була розшифрована Дж. Уотсоном, Ф. Лементом і М. Уилкінсом у 1953 р. Мономерами ДНК є нуклеотиди, до складу кожного з них входять:

·п’ятивуглецевий цукор - дезоксирибоза;

·залишок фосфорної кислоти;

·одна з чотирьох азотистих основ (аденін, тимін, гуанін чи цитозин).

На початку 50-x років XX століття .Э Чаргафф відкрив явище комплементарності азотистих основ у молекулі ДНК(правило Чаргаффа), він показав, що кількість аденіну завжди дорівнює кількості тиміну, а кількість гуаніну - кількості цитозину. Строга відповідність (взаємодоповнення) нуклеотидів один одному в парних ланцюжках ДНК(A-T, Г-Ц,) називається

комплементарністю.

Нуклеотиди ДНК з’єднуються в ланцюжок шляхом утворення ковалентних (фосфо-диефірних) зв’язків між дезоксирибозою одного і залишком фосфорної кислоти іншого нуклеотиду. Азотисті основи приєднуються до дезоксирибози та

утворюють бічні радикали. Між азотистими						основами	ланцюжків ДНК
утворюються водневі зв’язки: два - між аденіном (А) і тиміном (Т), три - між
гуаніном (Г) і		цитозином (Ц). ДНК складається				з двох ланцюгів(рис.		5.3),
орієнтованих		азотистими		основами	один	проти .	Приодного	цьому
полінуклеотидні		ланцюги ДНК		антипаралельні, тобто навпроти 3'-кінця одного
ланцюга	знаходиться 5'-кінець			другого і навпаки. Вторинна структура				ДНК
представляє собою правосторонньо закручену спіраль, яка отримала назву -В
форми ДНК (рис. 5.2).
ДНК	може		існувати	у	кількох	можливих	конфо. Зармаціяхаз
ідентифіковані та описані наступні: A-ДНК, B-ДНК, C-ДНК, D-ДНК, E-ДНК, H-
ДНК, L-ДНК, P-ДНК і Z-ДНК. Проте, тільки A-, B- і Z- форми ДНК
спостерігаються в природних біологічних системах. Конформація, яку приймає
ДНК, залежить		від	послідовності нуклеотидів у			ДНК, величини	та напрямку

44

суперскрученості, хімічної модифікації основ і концентрації хімічних речовин у розчині, перш за все концентрації іонів металів і поліамінів(табл. 5.1). Із всіх конформацій, B-форма ДНК (правозакручена спіраль) притаманна більшості клітин.

Рис. 5.1. Схематичне зображення первинної структури фрагмента дволанцюгової молекули ДНК (А – аденін, Г – гуанін, Т – тимін, Ц – цитозин).

Рис. 5.2. Модель вторинної структури ДНК

									45
							Таблиця 5.1
	Властивості різних конформацій ДНК
Властивості					Конформація ДНК
				A	B		C		Z
Напрям закручування			Направо		Направо		Направо		Наліво
Відстань між сусідніми парами основ, нм				0,23	0,34		0,3		0,38
Число пар основ у одному витку спіралі				10,7	10,0		9,3		12,0
Діаметр спіралі, нм				2,3	2,0		1,9		1,8
Кут нахилу основ до осі спіралі, градуси				+19	–1,2		–6		–9
РНК, як і ДНК – це полінуклеотид, тобто клас нуклеїнових кислот, лінійних
полімерів нуклеотидів. Структура нуклеотидів РНК подібна до									ДНК, але є
наступні відмінності:
· замість	дезоксирибози	до		складу		нуклеотидів			РНК		вх

п’ятивуглецевий цукор - рибоза;

·замість азотистої основи тиміну - урацил.

·молекула РНК звичайно представлена одним ланцюжком(у деяких

вірусів - двома).
У клітинах	існують три	типиРНК: інформаційна, транспортна і
рибосомальна.
Відмінності у	хімічному	складі,	також у структурній організації і
клітинній локалізації ДНК і РНК наведено у таблиці 5.2.
			Таблиця 5.2
	Відмінності між ДНК і РНК

	ДНК	РНК
	Азотисті основи
	Аденін, гуанін, цитозин, тимін	Аденін, гуанін, цитозин, урацил
	Вуглеводи
	Дезоксирибоза	Рибоза
	Структура молекули (кількість ланцюгів)
	Дволанцюгова спіраль	Одноланцюгова
	Клітинна локалізація
	Основна частина у ядрі, невелика
	кількість ДНК – у мітохондріях і	Є у всіх частинах клітини
	хлоропластах
	Функції
	Збереження, відтворення і	Приймає участь у синтезі білка
	передача спадкової інформації

5.4.Види РНК в клітині та їх функції

Уклітинах існує три типи РНК: інформаційна, транспортна і рибосомальна.

46

Інформаційна РНК (іPHK) – це копія ділянки ДНК, що містить інформацію про первинну структуру певного поліпептиду. Даний тип РНК синтезується за допомогою ферменту РНК-полімерази. ІнформаційнаІІ РНК переносить генетичну інформацію від ДНК до місця синтезу білка(рибосоми). Інформаційна РНК складає5 % усієї клітинної РНК. У еукаріотичних клітинах іРНК стабілізована за допомогою специфічних білків, що робить можливим біосинтез білка у тому випадку, коли ядро клітини неактивне.

Транспортна РНК (тPHK) – невеличкий ланцюжок із 73 – 93 нуклеотидів, який переносить амінокислоти з цитоплазми до рибосоми(рис. 5.3). Транспортна РНК має термінальний сайт для прикріплення амінокислоти. Також тРНК містить ділянку з трьох нуклеотидних ,основвідому як антикодон, що може прикріплятися до трьох комплементарних основ(кодон) інформаційної РНК. Кожен вид тРНК ковалентно зв’язаний лише з однією амінокислотою і кожній амінокислоті відповідає своя тРНК. Але через те, що генетичний код містить кілька кодонів, які кодують ту ж саму амінокислоту, молекули тРНК, що несуть

різні антикодони, можуть	нести	ту ж саму амінокислоту. Транспортна РНК
складає 10 % клітинної	РНК і	синтезується за допомогою ферменту - РНК
полімерази ІІІ.

Рис. 5.3. Схема будови транспортної РНК:

А – вторинна структура, Б – третинна структура; 1 - водневі зв’язки, 2 - антикодон, 3 - місце прикріплення амінокислоти

Рибосомальна		РНК (pPHK)	входить до		складу	рибосоми(50 – 60 %
загальної	маси) і	складає 85 %	усієї	клітинної РНК. Рибосомальна				РНК
синтезується за допомогою ферменту РНК-полімерази. МайжеІ вся								рРНК
знаходиться у виді магнієвої солі. Після				видалення		іонів магнію		рибосома
дисоціює	на дві	субодиниці– велику і		малу.	Кожна	субодиниця	має одну

молекулу РНК: велика субодиниця складається з 2500 – 4000, мала – з 1500 – 2000

47

нуклеотидних залишків. Рибосомальна PHK забезпечує визначене просторове взаємне розташування іPHK і тPHK.

В межах однієї молекули (транспортнаРНК, рибосомальна) є комплементарні ділянки, між якими утворюються водневі зв’язки. В результаті цього в одній молекулі РНК чергуються дволанцюгові і одноланцюгові структури

(рис. 5.4).

Рис. 5.4. Схематичне зображення полімерної ділянки молекули РНК

5.5. Реплікація ДНК
Реплікація молекул ДНК відбувається в синтетичний	період інтерфази.
Кожна з двох ланцюгів«материнської» молекули служить	матрицею для
«дочірньої» (рис. 5.5).

Рис. 5.5. Схема реплікації молекули ДНК: (1 – відстаючий ланцюг; 2 –

лікуючий ланцюг; 3 – ДНК-полімераза-І; 4 – ДНК-лігаза; 5 – РНК праймер; 6 – ДНК-праймаза; 7 – фрагмент Оказакі; 8 – ДНК-полімераза-ІІ; 9 – ДНК-хеліказа; 10 – стабілізуючі білки; 11 – топоізомераза)

Після реплікації молекула ДНК містить один«материнський» ланцюжок, а другий - «дочірній» (напівконсервативний спосіб). Для матричного синтезу нової молекули ДНК необхідно, щоб стара молекула деспіралізувалася і витягнулася.

48

Реплікація починається у декількох місцях молекули ДНК. Ділянка молекули ДНК від точки початку однієї реплікації до точки початку іншої називається репліконом. «Бактеріальна хромосома» містить один реплікон, а еукаріотична - містить багато репліконів.

Початок реплікації активується праймерами (затравками), що складаються з 100—200 пар нуклеотидів. Фермент ДНК-хеліказа розкручує і розділяє материнську спіраль ДНК на2 нитки, на яких за принципом компліментарності при участі ферменту ДНК-полімерази збираються«дочірні» ланцюги ДНК. Фермент ДНК-топоізомераза скручує«дочірні» молекули ДНК. У кожному репліконі ДНК-полімераза може рухатися уздовж«материнської» нитки тільки у одному напрямку (5/ => 3/). На лідуючій нитці по мірі розкручування реплікона поступово і безперервно нарощується«дочірній» ланцюг. На відстаючій нитці дочірній ланцюг синтезується також у напрямку(5/ => 3/), але окремими фрагментами (фрагменти Оказакі) по мірі розкручування реплікона. Таким чином, приєднання комплементарних нуклеотидів«дочірніх» ниток йде в протилежних напрямках (антипаралельно). Реплікація у всіх репліконах йде одночасно. Фрагменти Оказакі і частини «дочірніх» ниток, синтезовані на різних репліконах, зшиваються в єдину нитку ферментом . лігазоюРеплікація характеризується напівконсервативністю, антипаралельністю і фрагментованістю (фрагменти Оказакі). Цілий геном клітини реплікується один раз за період часу, що відповідає одному мітотичному циклу.

5.6. Стійкість і репарація генетичного матеріалу

Стійкість генетичного матеріалу забезпечується:

·диплоїдним набором хромосом;

·подвійною спіраллю ДНК;

·виродженістю (надмірністю) генетичного коду;

·повтором деяких генів;

·репарацією порушень структури ДНК.

Репарація генетичного матеріалу - це внутрішньоклітинний процес, що
забезпечує	відновлення ушкодженої				структури		молекули . ДНКПорушення
структури	молекули		ДНК	можуть	бути	викликані		ушкодженнями азотистих
основ, розривом однієї чи двох ниток молекули, зшивками ниток ДНК, зшивками
«ДНК-гістон».
Вперше можливість репарації молекули ДНК була встановлена у1948 р. А.
Кельнером,	який		описав	один	зі	способів		репарації- світлову		чи
фотореактивацію. Було встановлено, що при ультрафіолетовому опроміненні
фагів, бактерій		і	найпростіших		спостерігається			різке	зниження	їх
життєдіяльності. Однак їхнє виживання значно збільшується, якщо на них
додатково впливати видимим світлом. Виявилося, що під дією ультрафіолету у
молекулі ДНК утворюються димери(хімічні зв’язки між двома піримідиновими
основами	одного		ланцюжка, частіше		Т-),Т	що	перешкоджає		зчитуванню

інформації. Видиме світло активує ферменти, що руйнують димери.

49

Темнова (ексцизиційна) репарація була вивчена А. Герреном у 50-ті роки ХХ ст.. Вона полягає в знаходженні і видаленні ушкодженої ділянки нитки ДНК шляхом її «вирізання», синтезі і вставці нового фрагмента за участю чотирьох груп ферментів. Темнова репарація протікає у 4 стадії:

1)Ендонуклеаза «впізнає» ушкоджену ділянку і поруч з нею розриває нитку ДНК.

2)Екзонуклеаза «вирізує» ушкоджену ділянку.

3)ДНК-полімераза за принципом комплементарності синтезує фрагмент ДНК на місці зруйнованого.

4)Лігаза «зшиває» кінці ресинтезированної ділянки з основною ниткою

ДНК. Принципово		доведена	можливість	репарації		молекули	ДНК
ушкодженні	обох її ниток. При цьому інформація може бути					отримана з	і-РНК
(фермент	ревертаза).	Порушення	процесів	репарації		приводить	до	ряд
захворювань. У хворих пігментною ксеродермою під					дією	сонячного	світла
з’являються	ластовинки (веснянки), розширення				капілярів, зроговіння
епидермиса, поразка очей, розвиток злоякісних пухлин шкіри.

Запитання для самоперевірки:

1.Які факти підтверджують значення нуклеїнових кислот як основних носіїв спадковості?

2.Що таке нуклеїнові кислоти?

3.Ким була відкрита ДНК?

4.Чому довгий час важалось, що основна роль ДНК–це запас фосфору в організмі?

5.Яка біологічна роль ДНК?

6.Ким і коли була розшифрована структура молекули ДНК? Яка будова ДНК?

7.Які конформації ДНК вам відомі?

8.Охарактеризуйте правило комплементарності азотистих основ.

9.Які відмінності у структурі нуклеотидів РНК та ДНК?

10.Які типи РНК існують у клітині?

11.Які функції виконують інформаційна, транспортна і рибосомальна РНК?

12. Чи	є	можливим	формування	дволанцюгових	структур	у
одноланцюгової РНК? Відповідь обґрунтуйте.

13.Які основні етапи реплікації ДНК?

14.Що таке реплікон?

15. Чому	відстаючий	ланцюг	ДНК	синтезується	фрагментовано. Як
називаються ці фрагменти?

16.Де закодована інформація про первинну структуру білкової молекули?

17.Чим забезпечується стійкість генетичного матеріалу?

18.Що таке репарація генетичного матеріалу?

19.Які є способи репарації ДНК?

20.Охарактеризуйте темнову репарацію генетичного матеріалу.

50

ТЕМА 6. ГЕНЕТИЧНИЙ КОД

6.1.Відкриття генетичного коду

Звідкриттям генетичної ролі ДНК була закладена основа концепції про ,те що успадковується генетична інформація. Критичне значення при цьому має той факт, що структура ДНК не залежить від послідовності пар основ. Таким чином, послідовність основ у полінуклеотидному ланцюгу має важливе значення для кодування послідовності амінокислот у білку.

Кожний білок складається з постійного числа певних амінокислот. Сума

каталітичних і структурних активностей різних білків клітини визначає фенотип. Звичайно, крім послідовностей, що кодують білки, у ДНК знаходяться специфічні області, які розпізнаються регуляторними білковими молекулами. Функція цих областей залежить від послідовності певних нуклеотидів і н опосередкована генетичним кодом. Генетична інформація організму складається з генів, які експресуються у вигляді білків і з ділян, щок функціонують як регуляторні зони.

Згідно із загальноприйнятою у молекулярній біології догмою, кожна соматична клітина організму містить однаковий набір хромосом, отже, має однакову генетичну інформацію. Однак не вся ця інформація експресується у

кожній клітині, тобто		генетичний		матеріал	можна розглядати	як	сховище
генетичної	інформації.	У	кожній	клітині	експресується	тільки	части

генетичного матеріалу, інша ж інформація зберігає мовчання.

Відповідність між послідовністю гена і послідовністю білка встановлюється за допомогою генетичного коду. Система запису генетичної інформації у ДНК (іРНК) у вигляді визначеної послідовності нуклеотидів називаєтьсягенетичним

кодом.
У 1961 р. М. Ніренберг і Дж. Маттеі (лауреати Нобелівської премії) штучно
синтезували	полірибонуклеотиди, що	складались	лише	із	урац
(поліуридинова	кислота), які визначали	синтез білка, у	якому	кожною
амінокислотою був фенілаланін. Так був встановлений перший триплет іРНК–
УУУ, що кодував амінокислоту фенілаланін.
Ця нова методика була використана Очоа(лауреат Нобелівської премії) та
його співробітниками. Вони визначили триплети для усіх20 амінокислот. Було
встановлено, що одна амінокислота кодується декількома триплетами. У цьому
виражається виродженість коду. Наприклад, аланін кодується триплетами ГЦУ,
ГГЦ, ГЦА, ГЦГ. У мітохондріях ряду організмів триплети АГГ і АГА кодують не

амінокислоту аргінін, а є стоп-кодонами. У той же час стоп-кодон УГА у

мітохондріях кодує амінокислоту триптофан.
До 1966 р. був		вивчений 61 триплет		із 64. На даний час встановлено, що
генетичний	код	універсальний(чи		майже	універсальний). Так	полі-У
(полірибонуклеотид),		що	складається	із	урацилів, стимулює	включення

феніліаланіну у безклітинні екстракти із самих різних організмів– від бактерій до