§ 8. Структура та біологічні функції нуклеїнових кислот

• До змісту відповідей

ПОМІРКУЙТЕ Й ОБГОВОРІТЬ СИТУАЦІЮ

Яка молекула міститься в біологічних зразках, що несе спадкову інформацію про весь організм?

У біологічних зразках міститься молекула ДНК (дезоксирибонуклеїнова кислота), яка є носієм спадкової інформації про весь організм.

Як ви вважаєте, чи можливо насправді відтворити динозаврів із викопних зразків?

Відтворити динозаврів із викопних зразків неможливо, оскільки ДНК є нестійкою сполукою, яка повністю руйнується в ідеальних умовах за 1,5 мільйона років, тоді як динозаври вимерли понад 65 мільйонів років тому.

ІНДИВІДУАЛЬНА РОБОТА

Назвіть позначені цифрами компоненти нуклеотиду на малюнку 8.2.

• Коло — залишок ортофосфатної кислоти;
• П’ятикутник — моносахарид пентоза (дезоксирибоза);
• Квадрат — нітрогенова основа (гуанін).

Намалюйте структурну формулу уридилового нуклеотиду РНК за прикладом структурної формули гуанілового нуклеотиду на малюнку 8.2. Для цього замініть дезоксирибозу на рибозу, а гуанін — на урацил.

Схема уридилового нуклеотиду РНК виглядає так само за структурою, але зі зміненим складом:

• Коло — залишок фосфатної кислоти (залишається без змін).
• П’ятикутник — рибоза (замість дезоксирибози).
• Квадрат — урацил (замість гуаніну).

ВІДКРИТИЙ МІКРОФОН

Як ви вважаєте, чи можуть виконувати енергетичну функцію в клітині інші нуклеотидтрифосфати (ГТФ, ЦТФ, УТФ)? Аргументуйте свою думку.

Нуклеотидтрифосфати ГТФ, ЦТФ та УТФ можуть виконувати енергетичну функцію, оскільки вони мають у своєму складі макроергічні зв’язки між залишками ортофосфатної кислоти, аналогічні зв’язкам в АТФ. Енергія, що вивільняється при їх розщепленні, використовується клітиною для специфічних процесів: ГТФ задіяна у синтезі білка, ЦТФ — у синтезі ліпідів, а УТФ — у перетвореннях вуглеводів.

ЗАВДАННЯ

Продовжте запис послідовності нуклеотидів (нітрогенових основ) із моделі молекули РНК, користуючись колірним кодом. УГААГ…

УГААГЦАУГ.

ПОДІЛІТЬСЯ СВОЇМИ ДУМКАМИ

Як ви вважаєте, чи можливо відтворити динозаврів із викопних зразків?

Відтворити динозаврів із викопних зразків неможливо через деградацію ДНК, оскільки її період напіврозпаду становить близько 521 року, а повне руйнування молекули навіть за ідеальних умов відбувається приблизно за 1,5 мільйона років.

Яку додаткову інформацію необхідно знати, щоб аргументовано відповісти на це запитання?

Для аргументованої відповіді необхідно знати вік викопних решток, умови їхнього збереження, межі стабільності нуклеїнових кислот у часі, а також поточні технологічні можливості генної інженерії та клонування.

ПРАКТИЧНА РОБОТА

Завдання 1. Використовуючи принцип комплементарності, добудуйте другий ланцюг ДНК з наведеної нижче матриці. 1-й ланцюг ДНК: А-Т-Т-Ц-А-Г-Г-А-Ц-Г-А-Ц-Т-Ц; 2-й ланцюг ДНК: _______

1-й ланцюг ДНК: А-Т-Т-Ц-А-Г-Г-А-Ц-Г-А-Ц-Т-Ц; 2-й ланцюг ДНК: Т-А-А-Г-Т-Ц-Ц-Т-Г-Ц-Т-Г-А-Г.

Завдання 2. Порахуйте у вище зазначеному фрагменті ДНК кількість аденілових нуклеотидів в обох ланцюгах. Обчисліть їхній відсоток від загальної кількості нуклеотидів (округліть відсотки до цілого).

Дано:

• $N_{\text{ланц1}} = 14$
• $N_{\text{ланц2}} = 14$
• $n(A)_{\text{ланц1}} = 4$
• $n(A)_{\text{ланц2}} = 3$

Знайти:

• $\omega(A) - ?$

Розв’язання:

$N_{\text{заг}} = N_{\text{ланц1}} + N_{\text{ланц2}}$

$N_{\text{заг}} = 14 + 14 = 28$

$n(A)_{\text{заг}} = n(A)_{\text{ланц1}} + n(A)_{\text{ланц2}}$

$n(A)_{\text{заг}} = 4 + 3 = 7$

$\omega(A) = \dfrac{n(A)_{\text{заг}}}{N_{\text{заг}}} \cdot 100\%$

$\omega(A) = \dfrac{7}{28} \cdot 100\% = 25\%$

Відповідь: 25%.

Завдання 3. 1950 року американський біохімік Е. Чаргафф, уродженець м. Чернівці, вивів такі правила. 3.1. Уміст аденіну рівний умісту тиміну, а вміст гуаніну — кількості цитозину: А=Т, Г=Ц. 3.2. Кількість пуринів (А+Г) дорівнює кількості піримідинів (Т+Ц): А+Г=Т+Ц. 3.3. Частка ГЦ-пар у ДНК є постійною величиною для представників одного виду організмів. Використовуючи перше правило Чаргаффа, обчисліть відсотки інших нуклеотидів у цьому самому фрагменті.

Дано:

• $N(\text{А}) = 7$
• $N(\text{Т}) = 7$
• $N(\text{Г}) = 5$
• $N(\text{Ц}) = 5$
• $N(\text{заг}) = 24$

Знайти:

• $w(\text{А}), w(\text{Т}), w(\text{Г}), w(\text{Ц}) - ?$

Розв’язання:

$w(\text{нукл}) = \dfrac{N(\text{нукл})}{N(\text{заг})} \cdot 100\%$

$w(\text{А}) = w(\text{Т}) = \dfrac{7}{24} \cdot 100\% \approx 29\%$

$w(\text{Г}) = w(\text{Ц}) = \dfrac{5}{24} \cdot 100\% \approx 21\%$

Відповідь: вміст аденіну та тиміну у фрагменті становить по 29%, гуаніну та цитозину — по 21%.

Завдання 4. Обчисліть кількість водневих зв’язків між двома ланцюгами цього фрагмента ДНК.

Дано:

• $N(\text{А-Т}) = 7$
• $N(\text{Г-Ц}) = 5$

Знайти:

• $N(\text{зв'язків}) - ?$

Розв’язання:

Між аденіном і тиміном утворюються 2 водневі зв’язки, а між гуаніном і цитозином — 3 водневі зв’язки.

$N(\text{зв'язків}) = N(\text{А-Т}) \cdot 2 + N(\text{Г-Ц}) \cdot 3$

$N(\text{зв'язків}) = 7 \cdot 2 + 5 \cdot 3 = 14 + 15 = 29$

Відповідь: у даному фрагменті ДНК 29 водневих зв’язків.

Завдання 5. Зазначте в цьому самому фрагменті ДНК кількість пуринів та піримідинів (друге правило Чаргаффа); кількість залишків дезоксирибози та ортофосфатної кислоти.

У даному фрагменті ДНК кількість пуринів (А+Г) становить 12 нуклеотидів, а кількість піримідинів (Т+Ц) — 12 нуклеотидів. Оскільки кожен нуклеотид містить по одному моносахариду та одному залишку кислоти, кількість залишків дезоксирибози дорівнює 24, а кількість залишків ортофосфатної кислоти також дорівнює 24.

Завдання 6. Обчисліть масу цього фрагмента ДНК та його довжину. Зважте на те, що середня молярна маса одного нуклеотиду 330 а. о. м. (М=330 Да), а відстань між парою нуклеотидів — 0,34 нм.

Дано:

• $N = 24$
• $n(\text{пар}) = 12$
• $M_{\text{нукл}} = 330\text{ Да}$
• $l_{\text{пара}} = 0{,}34\text{ нм}$

Знайти:

• $M - ?$
• $L - ?$

Розв’язання:

$M = N \cdot M_{\text{нукл}}$

$M = 24 \cdot 330 = 7920\text{ Да}$

$L = n(\text{пар}) \cdot l_{\text{пара}}$

$L = 12 \cdot 0{,}34 = 4{,}08\text{ нм}$

Відповідь: маса фрагмента ДНК становить 7920 Да, довжина фрагмента — 4,08 нм.

Завдання 7. Використовуючи принцип комплементарності, добудуйте на наведеному ланцюзі РНК ланцюг молекули ДНК.

РНК: -У-У-Г-А-А-Ц-Г-А-У-А-Г-Ц-Ц-У-;
1-й ланцюг ДНК: А-А-Ц-Т-Т-Г-Ц-Т-А-Т-Ц-Г-Г-А;
2-й ланцюг ДНК: Т-Т-Г-А-А-Ц-Г-А-Т-А-Г-Ц-Ц-Т

ЗАПИТАННЯ І ЗАВДАННЯ

1. Запропонуйте модель ДНК, яку можна виготовити з підручних матеріалів (паперу, картону, пластиліну, зубочисток тощо). Виготовте наочну модель ДНК та презентуйте її в класі. Які елементи будови ДНК вам удалося / не вдалося відобразити у вашій моделі?

Модель ДНК можна виготовити з кольорового пластиліну та зубочисток, де пластилінові кульки різних кольорів позначатимуть чотири типи нітрогенових основ, а зубочистки — водневі зв’язки між ними. Цукрофосфатний кістяк можна створити з довгих дротів або ниток, до яких кріпляться компоненти. У такій моделі вдалося відобразити дволанцюгову спіраль, принцип комплементарності (парування певних кольорів) та правозакручену форму молекули. Не вдалося відобразити точну атомну структуру дезоксирибози та залишків фосфатної кислоти, а також різницю у кількості водневих зв’язків (два або три) між різними парами основ.

2. Інформація в ДНК записана у вигляді послідовності нуклеотидів. Кожен нуклеотид може кодувати якийсь символ. Наприклад, А — ноту до, Г — ноту ре тощо. Тобто можна закодувати всього чотири ноти. Попри це, експериментаторам / експериментаторкам удалося записати цілу пісеньку з дитячого мультика в ДНК бактерії. Запропонуйте спосіб, як їм це вдалося зробити.

Для запису пісні можна використати систему кодування, подібну до генетичного коду, де один символ позначається не одним нуклеотидом, а їх комбінацією. Використання триплетів (поєднань із трьох нуклеотидів) дозволяє створити 64 унікальні комбінації, чого достатньо для кодування всіх нот різних октав, їхньої тривалості та пауз. Також можна перевести музичний файл у двійковий код (0 та 1), а потім замінити нулі та одиниці парами нуклеотидів (наприклад, 00 = А, 01 = Т, 10 = Г, 11 = Ц).

3. Усі молекули ДНК хромосом людини містять приблизно 3,2 млрд пар основ. У ДНК кожна пара основ займає приблизно 0,34 нм довжини спіралі. Обчисліть сумарну довжину молекул ДНК ядра клітини людини. Поміркуйте, яким чином удається вмістити таку довжину ДНК в маленьке ядро клітини.

Дано:

• $N = 3{,}2 \cdot 10^9\text{ пар основ (гаплоїдний набір)}$
• $d = 0{,}34\text{ нм} = 0{,}34 \cdot 10^{-9}\text{ м}$
• $k = 2\text{ (диплоїдний набір у ядрі клітини)}$

Знайти:

• $L - ?$

Розв’язання:

$L = N \cdot d \cdot k$

$L = 3{,}2 \cdot 10^9 \cdot 0{,}34 \cdot 10^{-9} \cdot 2$

$L = 1{,}088 \cdot 2 = 2{,}176\text{ м}$

Відповідь: сумарна довжина молекул ДНК у ядрі клітини людини становить приблизно 2,18 метра.

Вмістити таку довгу молекулу в мікроскопічне ядро вдається завдяки багаторівневій компактній упаковці (надспіралізації). ДНК намотується на спеціальні білки-гістони, утворюючи нуклеосоми, які згодом згортаються у щільні волокна хроматину, що формують хромосоми.