§ 22. Молекулярна генетика. Подвоєння ДНК. Генетичний код. Сучасне визначення понять «ген», «генотип», «генофонд»

• До змісту відповідей

ПОМІРКУЙТЕ Й ОБГОВОРІТЬ СИТУАЦІЮ

Спадкова інформація, яку передають батьки нащадкам, має бути записана на якомусь носії — молекулі. Аби ця молекула виконувала таку функцію, вона обов’язково повинна вміти себе подвоювати. Як ви вважаєте, якою за будовою має бути молекула, щоб вона могла подвоюватися?

Така молекула повинна мати подвійну ланцюгову будову, де два ланцюги з’єднані між собою не надто міцними (водневими) зв’язками за принципом комплементарності. Це дозволяє легко розділити ланцюги, щоб кожен із них слугував готовою матрицею для точної добудови нового парного ланцюга.

ЗАВДАННЯ

1. В одному ланцюзі молекули ДНК існує така послідовність нуклеотидів: АТТ ГЦГ ТТТ ГАТ АТА ГГГ ГЦГ АГЦ. Визначте послідовність нуклеотидів у другому ланцюзі молекули ДНК.

Розв’язання:
За принципом комплементарності нітрогенових основ у молекулі ДНК аденіну (А) завжди відповідає тимін (Т), а гуаніну (Г) — цитозин (Ц):

• А $\to$ Т, Т $\to$ А;
• Г $\to$ Ц, Ц $\to$ Г.

1-й ланцюг: АТТ-ГЦГ-ТТТ-ГАТ-АТА-ГГГ-ГЦГ-АГЦ
2-й ланцюг: ТАА-ЦГЦ-ААА-ЦТА-ТАТ-ЦЦЦ-ЦГЦ-ТЦГ

Відповідь: ТАА ГЦГ ААА ЦТА ТАТ ЦЦЦ ЦГЦ ТЦГ (або ТАА-ЦГЦ-ААА-ЦТА-ТАТ-ЦЦЦ-ЦГЦ-ТЦГ).

2. В одному ланцюзі молекули ДНК існує така послідовність нуклеотидів: ААА ТГГ АГТ ТТА ГГГ ГАТ ГГГ АГТ. Визначте послідовність нуклеотидів у другому ланцюзі молекули ДНК.

Розв’язання:
За принципом комплементарності добудовуємо парні основи (А $\leftrightarrow$ Т, Г $\leftrightarrow$ Ц):

1-й ланцюг: ААА-ТГГ-АГТ-ТТА-ГГГ-ГАТ-ГГГ-АГТ
2-й ланцюг: ТТТ-АЦЦ-ТЦА-ААТ-ЦЦЦ-ЦТА-ЦЦЦ-ТЦА

Відповідь: ТТТ АЦЦ ТЦА ААТ ЦЦЦ ЦТА ЦЦЦ ТЦА (або ТТТ-АЦЦ-ТЦА-ААТ-ЦЦЦ-ЦТА-ЦЦЦ-ТЦА).

3. Визначте кількість цитозинових нуклеотидів у молекулі ДНК, якщо аденілові нуклеотиди становлять 24 % від загальної кількості нуклеотидів. А 26 % Б 24 % В 48 % Г 52 %

Дано:
Вміст аденіну (А) = 24 %

Розв’язання:

1. За правилом Чаргаффа кількість аденіну дорівнює кількості тиміну:
   $\text{Т} = \text{А} = 24\text{ \%}$.
2. Разом аденін і тимін складають:
   $24\text{ \%} + 24\text{ \%} = 48\text{ \%}$.
3. На частку гуаніну й цитозину припадає:
   $100\text{ \%} - 48\text{ \%} = 52\text{ \%}$.
4. Оскільки кількість гуаніну дорівнює кількості цитозину ($\text{Г} = \text{Ц}$):
   $\text{Ц} = 52\text{ \%} : 2 = 26\text{ \%}$.

Відповідь: А (26 %).

4. Один із ланцюгів молекули ДНК має склад: Т Ц Г А А Г Т Т А Ц Т А. Скільки водневих зв’язків утворюють два ланцюги цієї молекули між собою? А 28 Б 31 В 32 Г 26

Дано:
Ланцюг ДНК: Т Ц Г А А Г Т Т А Ц Т А

Розв’язання:

1. Між парою А–Т утворюється 2 водневі зв’язки, а між парою Г–Ц — 3 водневі зв’язки.
2. Рахуємо кількість нуклеотидів А і Т у ланцюзі:
   Т — 4, А — 4. Усього пар А–Т = 8.
   Водневих зв’язків між ними: $8 \times 2 = 16$.
3. Рахуємо кількість нуклеотидів Г і Ц у ланцюзі:
   Ц — 2, Г — 2. Усього пар Г–Ц = 4.
   Водневих зв’язків між ними: $4 \times 3 = 12$.
4. Загальна кількість водневих зв’язків:
   $16 + 12 = 28$.

Відповідь: А (28).

ПОДІЛІТЬСЯ СВОЇМИ ДУМКАМИ

Спираючись на розуміння будови молекули ДНК, запропонуйте теоретичні принципи її самоподвоєння. Намалюйте схеми, які показують, як одна молекула ДНК може перетворитися на дві. Візьміть до уваги принцип комплементарності нітрогенових основ.

Теоретичні принципи самоподвоєння ДНК:

1. Матричний синтез: вихідні ланцюги розплітаються, і кожен із них слугує матрицею (шаблоном) для побудови нового ланцюга.
2. Комплементарність: новий ланцюг добудовується суворо за правилом спарювання основ — навпроти аденіну (А) завжди стає тимін (Т), а навпроти гуаніну (Г) — цитозин (Ц).
3. Напівконсервативність: у кожній із двох новоутворених подвійних спіралей один ланцюг є вихідним («материнським»), а другий — щойно синтезованим («дочірнім»).

РОБОТА В ПАРІ

Користуючись таблицею генетичного коду для ДНК, визначте триплети, які кодують амінокислоти аланін (Ала), лейцин (Лей) і метіонін (Мет). Які властивості генетичного коду ви побачили?

Триплети за таблицею:

• Аланін (Ала): ГЦТ, ГЦЦ, ГЦА, ГЦГ.
• Лейцин (Лей): ТТА, ТТГ, ЦТТ, ЦТЦ, ЦТА, ЦТГ.
• Метіонін (Мет): АТГ (також є старт-кодоном).

Побачені властивості генетичного коду:

1. Триплетність — кожна амінокислота кодується трійкою нуклеотидів.
2. Виродженість — одна амінокислота може кодуватися кількома різними триплетами (наприклад, лейцин кодується 6 триплетами, а аланін — 4).
3. Однозначність (специфічність) — конкретний триплет кодує лише одну визначену амінокислоту.
4. Наявність розділових сигналів — триплет АТГ водночас кодує метіонін і слугує старт-кодоном для початку трансляції.

ЗАВДАННЯ

Запропоновано дві ділянки ДНК: а) ААА ТГГ АГТ ТТА ГГГ ГАТ ГГГ АГТ (позначення кириличними літерами), б) ATG-GTT-TTC-AGA-TAA (позначення латинськими літерами). Визначте, які пептиди (короткі білки) на ній утворяться (напишіть амінокислотні послідовності, використовуючи генетичний код, старт- і стоп-кодони).

а) Ділянка ДНК: ААА ТГГ АГТ ТТА ГГГ ГАТ ГГГ АГТ
Визначаємо кодовані амінокислоти за таблицею генетичного коду:

• ААА — лізин (Ліз);
• ТГГ — триптофан (Трп);
• АГТ — серин (Сер);
• ТТА — лейцин (Лей);
• ГГГ — гліцин (Глі);
• ГАТ — аспарагінова кислота (Асп);
• ГГГ — гліцин (Глі);
• АГТ — серин (Сер).

Утворений пептид: Ліз – Трп – Сер – Лей – Глі – Асп – Глі – Сер (якщо трансляція йде безпосередньо з даного фрагмента без старт-кодону).

б) Ділянка ДНК: ATG-GTT-TTC-AGA-TAA
Визначаємо амінокислоти з урахуванням старт- і стоп-кодонів:

• ATG — метіонін (Мет), слугує старт-кодоном і розпочинає синтез білка;
• GTT — валін (Вал);
• TTC — фенілаланін (Фен);
• AGA — аргінін (Арг);
• TAA — стоп-кодон, який зупиняє синтез пептиду і не кодує амінокислоту.

Утворений пептид: Мет – Вал – Фен – Арг.

ЗАПИТАННЯ І ЗАВДАННЯ

1 Молекула ДНК складається з 500 нуклеотидів. Скільки аденінів (А) буде в ній, якщо цитозинів (C) — 120? (Пам’ятайте правило Чаргаффа: A=T, C≡G.)

Дано:
Всього нуклеотидів = $500$
$C = 120$
$A = ?$

Розв’язання:

1. За правилом Чаргаффа кількість цитозину дорівнює кількості гуаніну ($C = G$), отже:
   $G = 120$.
2. Разом цитозин і гуанін складають:
   $120 + 120 = 240$ нуклеотидів.
3. На частку аденіну і тиміну припадає:
   $500 - 240 = 260$ нуклеотидів.
4. Оскільки за правилом Чаргаффа кількість аденіну дорівнює кількості тиміну ($A = T$):
   $A = 260 : 2 = 130$.

Відповідь: 130 аденінових нуклеотидів (А).

2. Запропоновано ланцюг ДНК: ATG-CGA-TTC-GGA. Запишіть комплементарний ланцюг, який утвориться під час реплікації.

За принципом комплементарності навпроти А стає Т, навпроти Т — А, навпроти Г — Ц, навпроти Ц — Г:

Вихідний ланцюг: ATG-CGA-TTC-GGA
Комплементарний ланцюг: TAC-GCT-AAG-CCT