§ 4.2. ГЕН. ГЕНЕТИЧНИЙ КОД. ЕКСПРЕСІЯ ГЕНІВ

• Назад до змісту

НАВЧАЛЬНЕ ЗАВДАННЯ

Як організована спадкова інформація на генному рівні? Опис з використанням схеми «Три кольори». ГЕН.

Р Формулює визначення поняття «ГЕН»:
Ген — це ділянка ДНК, що містить інформацію про первинну структуру молекули білка або РНК і визначає можливість розвитку певної ознаки.

В Визначає сутність змістових елементів:

• Основні функції: зберігання спадкової інформації, контроль і керування метаболізмом клітини, самоподвоєння для передачі наступним поколінням, репарація ДНК, забезпечення спадкової мінливості та керування індивідуальним розвитком.
• Властивості: специфічність (унікальний порядок нуклеотидів для певного продукту), цілісність (неподільність одиниці, зміна якої веде до зміни продукту) та дискретність (наявність окремих функціональних елементів і кодонів).
• Різноманітність: за розташуванням — ядерні та цитоплазматичні; за значенням — структурні та регуляторні; за характером інформації — білок-кодувальні та РНК-кодувальні; за активністю — конститутивні та неконститутивні.

К Конструює схему:

С Описує особливості гена з формулюванням висновку:
Ген є неподільною функціональною одиницею спадковості, яка за допомогою суворо визначеної послідовності нуклеотидів програмує синтез молекули РНК або білка та визначає розвиток ознак живого організму.

РОЗВИВАЛЬНЕ ЗАВДАННЯ

Як генетична інформація записана на ДНК чи РНК? Практична вправа. Розв’язування вправ: «Властивості генетичного коду».

Р Усвідомлює пізнавальну ситуацію для РОЗВ’ЯЗАННЯ ПРОБЛЕМИ:
Генетичний код є системою запису інформації про послідовність амінокислот у білках за допомогою триплетів нуклеотидів ДНК та іРНК. Розв’язування задач базується на принципі комплементарності та фундаментальних властивостях коду.

В Формулює мету:
Навчитися застосовувати знання про властивості генетичного коду (триплетність, однозначність, колінеарність) та таблицю генетичного коду для визначення нуклеотидних і амінокислотних послідовностей, довжини та маси молекул.

К Виконує вправи:

Вправа 1. За допомогою таблиці генетичного коду визначаю:

• а) амінокислоту, яка кодується триплетом ААА:
  За таблицею генетичного коду іРНК кодон ААА кодує амінокислоту Лізин (Ліз).
• б) триплети, які кодують амінокислоту лейцин (ЛЕЙ):
  Амінокислоту лейцин кодують 6 триплетів: УУА, УУГ, ЦУУ, ЦУЦ, ЦУА, ЦУГ.

Вправа 2. Один з ланцюгів фрагмента ДНК має таку послідовність нуклеотидів:
АГТ АЦЦ ГАТ ЦЦТ ЦГА ТТТ АЦГ.

• За принципом комплементарності ($А \rightarrow У$, $Т \rightarrow А$, $Г \rightarrow Ц$, $Ц \rightarrow Г$) визначаємо ланцюг мРНК:
  мРНК: УЦА УГГ ЦУА ГГА ГЦУ ААА УГЦ
• За таблицею генетичного коду встановлюємо амінокислотний склад:
  УЦА — Сер (серин)
  УГГ — Три (триптофан)
  ЦУА — Лей (лейцин)
  ГГА — Глі (гліцин)
  ГЦУ — Ала (аланін)
  ААА — Ліз (лізин)
  УГЦ — Цис (цистеїн)
• Відповідь: Сер — Три — Лей — Глі — Ала — Ліз — Цис.

Вправа 4. Фрагмент ланцюга мРНК складається з послідовно розташованих кодонів: АУГ УУГ УУЦ УГГ УАА.

• За принципом комплементарності визначаємо антикодони тРНК:
  до АУГ — УАЦ
  до УУГ — ААЦ
  до УУЦ — ААГ
  до УГГ — АЦЦ
  до УАА — відсутній, оскільки УАА є стоп-кодоном (нонсенс-кодоном), для якого немає молекул тРНК.

Вправа 5. Відносна молекулярна маса білка — $50\,000$. Визначаю довжину і масу гена, що кодує цей білок.

• Середня маса однієї амінокислоти дорівнює $110\text{ Да}$. Кількість амінокислот у складі білка:
  $N_{\text{ак}} = \dfrac{50\,000\text{ Да}}{110\text{ Да}} \approx 455\text{ амінокислот}$
• Кожну амінокислоту кодує триплет із $3$ нуклеотидів, тому в одному кодувальному ланцюзі:
  $N_{\text{нукл(1)}} = 455 \cdot 3 = 1365\text{ нуклеотидів}$
• Оскільки ген складається з двох ланцюгів ДНК, загальна кількість нуклеотидів гена:
  $N_{\text{ген}} = 1365 \cdot 2 = 2730\text{ нуклеотидів}$
• Довжина гена визначається довжиною одного ланцюга (довжина одного нуклеотиду становить $0{,}34\text{ нм}$):
  $l = 1365 \cdot 0{,}34\text{ нм} = 464{,}1\text{ нм}$
• Молекулярна маса гена (середня маса одного нуклеотиду дорівнює $345\text{ Да}$):
  $M_r = 2730 \cdot 345\text{ Да} = 941\,850\text{ Да}$
• Відповідь: довжина гена становить $464{,}1\text{ нм}$, молекулярна маса гена — $941\,850\text{ Да}$.

Вправа 6. Молекулярна маса одного з ланцюгів ДНК $119\,025\text{ а.о.м.}$ Визначаю кількість мономерів білка та його відносну молекулярну масу.

• Кількість нуклеотидів у даному ланцюзі ДНК:
  $N_{\text{нукл}} = \dfrac{119\,025\text{ Да}}{345\text{ Да}} = 345\text{ нуклеотидів}$
• Кількість мономерів (амінокислот) закодованого білка:
  $N_{\text{ак}} = \dfrac{345}{3} = 115\text{ амінокислот}$
• Відносна молекулярна маса білка:
  $M_r(\text{білка}) = 115 \cdot 110\text{ Да} = 12\,650\text{ Да}$
• Відповідь: кількість мономерів білка — $115$ амінокислот, його відносна молекулярна маса — $12\,650\text{ Да}$.

С Формулює очікувані результати: для РОЗВ’ЯЗАННЯ ПРОБЛЕМИ щодо властивостей генетичного коду:
Успішно засвоєно механізм перекладу генетичної інформації з мови нуклеотидів ДНК/РНК на мову амінокислот поліпептиду завдяки таким властивостям, як триплетність, колінеарність, однозначність та комплементарність.

ЦІННІСНЕ ЗАВДАННЯ

«Самоорганізація – процес упорядкованості у відкритій системі за участю її складових компонентів» (Г. Хакен). Де відбуваються і які молекули є учасниками експресії генів? Вправа для сприймання. Експресія генів та самоорганізація живого.

Р Визначає поняття «ЕКСПРЕСІЯ ГЕНІВ»:
Експресія генів — це процеси використання спадкової інформації генів для синтезу функціональних продуктів: молекул РНК та білків.

В Називає основні процеси експресії генів:

• Транскрипція (синтез первинного транскрипту РНК на матриці ДНК у ядрі або нуклеоїді).
• Процесинг зі сплайсингом (дозрівання іРНК, вирізання неінформативних ділянок та зшивання екзонів).
• Експорт мРНК (транспорт зрілої молекули з ядра до цитоплазми через ядерні пори).
• Трансляція (біосинтез поліпептидного ланцюга на рибосомах за участю тРНК, ферментів та АТФ).
• Післятрансляційна модифікація (формування нативної просторової конформації білка в ендоплазматичній сітці та апараті Гольджі).

К Конструює інфографіку:

С Виявляє ставлення на рівні сприймання та висловлює міркування про зв’язок експресії генів з САМООРГАНІЗАЦІЄЮ у живій природі:
Експресія генів є молекулярною основою самоорганізації живої матерії. Завдяки скоординованій взаємодії нуклеїнових кислот, ферментів та енергії клітина автономно створює впорядковані білкові структури, оперативно реагує на зміни середовища та підтримує стан динамічної стабільності.

САМОРОЗВИТОК

САМОНАВЧАННЯ

Регуляційне завдання. Евристичний метод «Гірлянда асоціацій».

• Етап 1. Визначення синонімів до слова-подразника «ГЕН»:
  Одиниця спадковості, матриця, носій інформації, код, інструкція.
• Етап 2. Генерація асоціацій до дібраних слів:
  Інструкція — архітектурне креслення, будівельний план; матриця — відбиток печатки, виробничий штамп; код — ключ шифрування, цифровий файл; носій інформації — флеш-накопичувач, книга рецептів.
• Етап 3. Пошук рішень і нових поглядів на об’єкт:
  Аналіз асоціативного ланцюжка показує, що ген працює подібно до захищеного цифрового файлу: інформація надійно заархівована в ядрі, зчитується суворо копіями (іРНК) і втілюється у тривимірний «продукт» (білок) за модульним принципом, що забезпечує довговічність і високу точність відновлення клітинних структур.

САМООЦІНЮВАННЯ

Розпізнавальне завдання. Тест. ГЕН. ГЕНЕТИЧНИЙ КОД. ЕКСПРЕСІЯ ГЕНІВ

I. ГЕН

1. Де у вигляді генів закодована уся спадкова інформація організмів?

• А на ДНК, що утворює хромосоми ✅
• Б на РНК в складі рибосом

2. Як закодована уся спадкова інформація організмів?

• А через послідовність амінокислот
• Б у вигляді нуклеотидної послідовності ✅

3. Де у вигляді генів закодована уся спадкова інформація віруса тютюнової мозаїки?

• А на РНК капсиду
• Б на РНК серцевини ✅

II. ГЕНЕТИЧНИЙ КОД

1. Називаю властивість генетичного коду, сутність якої у кодуванні однієї амінокислоти послідовністю з 3 нуклеотидів:

• А колінеарність
• Б триплетність ✅

2. Вибираю назву ділянок, які не несуть генетичної інформації і лише відокремлюють одні гени від інших:

• А спейсери ✅
• Б нонсенс-кодони

3. Вибираю варіант, у якому називається старт-кодон мРНК:

• А ТАЦ
• Б АУГ ✅

III. ЕКСПРЕСІЯ ГЕНІВ

1. Основою експресії генів є реакції…

• А матричного синтезу ✅
• Б гідролізу

2. Результатом транскрипції є утворення…

• А РНК ✅
• Б ДНК

3. Вирізання неінформативних ділянок пре-мРНК відбувається під час …

• А сплайсінгу ✅
• Б процесингу

Таблиця самооцінювання знань («РОЗПІЗНАЮ»):