§ 25. Генетичний код і його реалізація. Біосинтез білка

• До змісту відповідей

БІОЛОГІЧНИЙ ДЕТЕКТИВ

Після відкриття структури ДНК у 1953 році Ф. Крік, один з авторів цього відкриття, вважав, що мине чимало десятиліть, доки науковці з’ясують, як саме ДНК кодує білки. Проте уже в 1960-х роках було розшифровано генетичний код. Установити першу відповідність триплет / амінокислота вдалося, використовуючи метод мічених атомів. Так виявили, що триплет мРНК УУУ кодує фенілаланін (фен). Запропонуй дизайн такого експерименту. Які молекули містили мічені атоми — амінокислоти, РНК чи ДНК? Де мічені атоми виявляли через деякий час?

Для проведення такого експерименту у безклітинну систему з рибосомами та ферментами додають штучно синтезовану матричну РНК, що складається лише з урацилових нуклеотидів (ланцюг УУУУУУ…). Також у суміш вводять амінокислоти, серед яких радіоактивними ізотопами мітять саме фенілаланін. У цьому досліді мічені атоми містили молекули амінокислоти. Через деякий час ці мічені атоми виявили у складі новоутвореного поліпептидного ланцюга (поліфенілаланіну), що прямо довело кодування фенілаланіну триплетом УУУ.

ТРЕНУЙСЯ ДУМАТИ

1. Кожну амінокислоту в молекулі ДНК закодовано послідовністю з трьох нуклеотидів. А чому саме з трьох, а не з одного чи двох?

До складу білків входить 20 основних амінокислот, а в нуклеїнових кислотах є лише 4 типи нуклеотидів. Кодування одним нуклеотидом дає тільки 4 варіанти ($4^1 = 4$), а двома — 16 комбінацій ($4^2 = 16$), чого недостатньо для шифрування 20 амінокислот. Поєднання з трьох нуклеотидів утворює 64 різні комбінації ($4^3 = 64$), що повністю забезпечує кодування всіх амінокислот із необхідним запасом.

2. Молекула білка кишкової палички складається з трьохсот амінокислот. Визнач: а) скільки нуклеотидів у мРНК кодує цей білок; б) кількість нуклеотидів у кодуючій частині гена (молекули ДНК).

• а) Скільки нуклеотидів у мРНК кодує цей білок?
Оскільки кожну амінокислоту шифрує триплет із трьох нуклеотидів, 300 амінокислот кодують 900 нуклеотидів мРНК (або 903 нуклеотиди з урахуванням стоп-кодону).

• б) Кількість нуклеотидів у кодуючій частині гена (молекули ДНК).
Оскільки молекула ДНК складається з двох комплементарних ланцюгів, кодуюча ділянка гена містить удвічі більше нуклеотидів, ніж мРНК: 1800 нуклеотидів (або 1806 нуклеотидів з урахуванням стоп-кодону).

ЗАПИТАННЯ І ЗАВДАННЯ

1. «Мови» яких речовин пов’язує генетичний код? Яким чином це відбувається?

Генетичний код пов’язує «мову» нуклеїнових кислот (послідовність чотирьох типів нуклеотидів) із «мовою» білків (послідовність двадцяти типів амінокислот). Це переведення інформації здійснюється під час трансляції на рибосомах, де триплети мРНК розпізнаються за принципом комплементарності антикодонами тРНК, що приносять відповідні амінокислоти до білкового ланцюга.

2. Назви властивості генетичного коду і поясни кожну з них.

• Триплетність: кожну амінокислоту кодує послідовність із трьох нуклеотидів (кодон).
• Універсальність: генетичний код єдиний для переважної більшості організмів Землі.
• Однозначність: один кодон завжди шифрує лише одну певну амінокислоту.
• Виродженість (надлишковість): одна амінокислота може кодуватися кількома різними триплетами.
• Безперервність: зчитування кодонів відбувається підряд без пауз чи розділових знаків.
• Дискретність: жоден нуклеотид не належить одночасно двом сусіднім кодонам.
• Наявність стоп-кодонів: триплети УАА, УАГ, УГА не кодують амінокислот і завершують синтез білка.

3. За діаграмою генетичного коду (мал. 25.1, с. 111) відшукай стоп-кодони, старт-кодон. Наведи приклади амінокислот, які кодуються лише одним триплетом; двома, чотирма, шістьма.

• Старт-кодон: АУГ (кодує амінокислоту метіонін).
• Стоп-кодони: УАА, УАГ, УГА.
• Одним триплетом кодуються: метіонін (АУГ), триптофан (УГГ).
• Двома триплетами кодуються: фенілаланін, тирозин, цистеїн, гістидин, глутамін, аспарагін, лізин, аспарагінова кислота, глутамінова кислота.
• Чотирма триплетами кодуються: валін, аланін, пролін, треонін, гліцин.
• Шістьма триплетами кодуються: лейцин, серин, аргінін.

4. Які етапи синтезу білка відбуваються в ядрі? Поясни суть цих процесів.

У ядрі клітини відбуваються транскрипція та дозрівання РНК.
Транскрипція є синтезом молекули РНК на матриці ДНК за допомогою ферменту РНК-полімерази.
Дозрівання включає сплайсинг — вирізання некодуючих ділянок (інтронів) і зшивання кодуючих ділянок (екзонів), а також приєднання захисних комплексів на кінцях молекули мРНК для захисту від розщеплення ферментами.

5. Опиши процес трансляції.

Трансляція — це збирання білкової молекули на рибосомі за матрицею мРНК. Процес проходить такі стадії:

• Ініціація: субодиниці рибосоми збираються на мРНК біля старт-кодону АУГ, куди транспортується перша тРНК з амінокислотою метіоніном.
• Елонгація: рибосома крок за кроком пересувається на наступний триплет, відповідні тРНК доставляють потрібні амінокислоти, і між ними утворюються пептидні зв’язки.
• Термінація: досягнувши стоп-кодону (УАА, УАГ або УГА), рибосома зупиняє синтез, поліпептидний ланцюг відокремлюється і згортається, а субодиниці рибосоми розпадаються.

6. Визнач кодони мРНК, комплементарні кодонам ДНК: ГЦА і ЦАТ. Які амінокислоти кодуються цими кодонами (визнач за мал. 25.1, с. 111)?

За принципом комплементарності:

• Кодону ДНК ГЦА відповідає кодон мРНК ЦГУ, який кодує амінокислоту аргінін (Арг).
• Кодону ДНК ЦАТ відповідає кодон мРНК ГУА, який кодує амінокислоту валін (Вал).

Е-ДОДАТОК

Завдання 25.1. Особливості генетичного коду у деяких груп організмів.

Генетичний код є майже універсальним, але має поодинокі відхилення. Наприклад, у мітохондріях триплет УГА кодує триптофан замість сигналу зупинки, а триплет АУА кодує метіонін замість ізолейцину. В інфузорій стоп-кодони УАА та УАГ кодують амінокислоту глутамін.

Завдання 25.2. Візуалізація процесів біосинтезу білка (відео).

Анімаційне відео наочно демонструє механізм трансляції: утворення комплексу субодиниць рибосоми на старт-кодоні, циклічний рух рибосоми вздовж мРНК, розпізнавання кодонів антикодонами тРНК, формування пептидних зв’язків і припинення синтезу на стоп-кодоні з вивільненням білка.

Завдання 25.3. Інтерактивні симуляції транскрипції і трансляції.

⚠️ Це завдання є інтерактивним і потребує виконання безпосередньо в e-ДОДАТКУ на сайті підручника.

Завдання 25.4. Завдання для самоперевірки.

⚠️ Це завдання є інтерактивним тестом і потребує виконання безпосередньо в e-ДОДАТКУ на сайті підручника.

Завдання 25.5. Біологія англійською мовою.

⚠️ Це завдання є інтерактивним і потребує опрацювання іншомовних матеріалів безпосередньо в e-ДОДАТКУ на сайті підручника.

СКЛАДАЄМО БІОЛОГІЧНІ ПАЗЛИ (РЕФЛЕКСІЯ)

1. Назви три факти, які ти дізнався/дізналася після опанування параграфа.

• Кожна з 20 амінокислот закодована триплетом із трьох нуклеотидів, що утворює 64 можливі комбінації кодонів.
• Синтез білка завжди починається зі старт-кодону АУГ і зупиняється на одному з трьох стоп-кодонів: УАА, УАГ або УГА.
• Перед виходом мРНК із ядра відбувається сплайсинг — вирізання інтронів і зшивання екзонів.

2. Закінчи одне з речень: Я став/стала більш обізнаним/обізнаною щодо… Мене здивувало… Я побачив/побачила зв’язок…
Я став більш обізнаним щодо того, як нуклеотидний код ДНК через матричну РНК транслюється в послідовність амінокислот готового білка.

3. З якими перешкодами ти зіткнувся/зіткнулася під час опанування параграфа? Як ти подолав/подолала труднощі?
Спочатку виникли труднощі з визначенням амінокислот за коловою діаграмою генетичного коду, але рух від центрального нуклеотиду до зовнішнього сектора дозволив швидко опанувати зчитування.

4. Де і як ти зможеш використати знання і набутий досвід?
Ці знання допоможуть мені розуміти причини генних мутацій, механізми спадкових хвороб і принцип дії антибіотиків, що блокують трансляцію у хвороботворних бактерій.