§ 25. Генетичний код і його реалізація. Біосинтез білка

• До змісту відповідей

БІОЛОГІЧНИЙ ДЕТЕКТИВ

Запропонуй дизайн такого експерименту. Які молекули містили мічені атоми — амінокислоти, РНК чи ДНК? Де мічені атоми виявляли через деякий час?

Для проведення такого експерименту в бесклітинну систему, що містить рибосоми та всі необхідні речовини для біосинтезу, додають штучно створену мРНК, яка складається лише з одного типу нуклеотидів — урацилу (полі-У, тобто послідовність УУУУУУ…). Також до системи додають суміш з амінокислот, у якій амінокислота фенілаланін містить радіоактивні мічені атоми. Через деякий час із реакційної суміші виділяють новосинтезований білковий ланцюг. У цьому експерименті мічені атоми містили амінокислоти. Через деякий час ці мічені атоми виявляли у складі утвореного білка (поліфенілаланіну), що підтвердило 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. Якщо кодувати амінокислоту одним нуклеотидом, можна зашифрувати лише 4 амінокислоти. Якщо кодувати двома нуклеотидами, отримаємо 16 можливих комбінацій, чого замало для кодування 20 амінокислот. Послідовність із трьох нуклеотидів утворює 64 можливі комбінації, що повністю забезпечує кодування всіх 20 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) Оскільки кожну амінокислоту кодує один триплет із трьох нуклеотидів, то для кодування 300 амінокислот у мРНК потрібно 900 нуклеотидів (або 903 нуклеотиди з урахуванням одного стоп-кодону).
б) Оскільки молекула ДНК складається з двох комплементарних ланцюгів, кодуюча частина гена містить удвічі більше нуклеотидів, ніж мРНК, тобто 1800 нуклеотидів (або 1806 нуклеотидів у двох ланцюгах із 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 нуклеотидів у ДНК і мРНК) із «мовою» білків (послідовністю амінокислот у білковій молекулі). Це відбувається під час процесу трансляції на рибосомах, де кодон мРНК розпізнається відповідним антикодоном тРНК, яка приносить необхідну амінокислоту.

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

Генетичний код має такі основні властивості:

• Триплетність: кожну амінокислоту кодує послідовність із трьох нуклеотидів (кодон).
• Універсальність: генетичний код є однаковим для всіх живих організмів на Землі.
• Однозначність: один конкретний кодон кодує лише одну визначену амінокислоту.
• Виродженість (надлишковість): одна амінокислота може кодуватися кількома різними кодонами.
• Безперервність: кодони зчитуються послідовно один за одним без пробілів і перекривань.
• Дискретність: нуклеотиди одного кодону не входять до складу сусіднього кодону.
• Наявність розділових знаків: існують старт-кодон (АУГ) для початку синтезу та стоп-кодони (УАА, УАГ, УГА) для припинення синтезу 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.

За діаграмою генетичного коду:

• Старт-кодон: АУГ (кодує амінокислоту метіонін).
• Стоп-кодони: УАА, УАГ, УГА (не кодують амінокислот і зупиняють синтез білка).
• Лише одним триплетом кодуються: метіонін (АУГ) та триптофан (УГГ).
• Двома триплетами кодуються: фенілаланін (УУУ, УУЦ), тирозин (УАУ, УАЦ), цистеїн (УГУ, УГЦ), гістидин (ЦАУ, ЦАЦ), глутамін (ЦАА, ЦАГ), аспарагін (ААУ, ААЦ), лізин (ААА, ААГ), аспарагінова кислота (ГАУ, ГАЦ), глутамінова кислота (ГАА, ГАГ).
• 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 два основні етапи: транскрипція та дозрівання РНК (сплайсинг).
Транскрипція — це процес синтезу молекули РНК на матриці ДНК за участю ферменту РНК-полімерази, під час якого спадкова інформація переписується з ДНК на РНК.
Дозрівання РНК (сплайсинг) — це процес обробки новосинтезованої пре-мРНК, під час якого вирізаються некодуючі ділянки (інтрони), а кодуючі ділянки (екзони) зшиваються між собою. На цьому ж етапі до кінців молекули доєднуються захисні ділянки для запобігання її руйнуванню.

5. Опиши процес трансляції.

Трансляція — це процес синтезу білкової молекули на рибосомі згідно з інформацією, кодованою в мРНК. Процес складається з трьох послідовних етапів:

1. Ініціація: мала та велика субодиниці рибосоми об’єднуються на мРНК, розпізнають старт-кодон (АУГ), до якого приєднується перша тРНК з амінокислотою метіоніном.
2. Елонгація: рибосома рухається вздовж мРНК кодон за кодоном. Молекули тРНК за принципом комплементарності між їхніми антикодонами та кодонами мРНК доставляють відповідні амінокислоти. Між амінокислотами утворюються пептидні зв’язки, і поліпептидний ланцюг подовжується.
3. Термінація: рибосома доходить до одного зі стоп-кодонів (УАА, УАГ, УГА). Синтез зупиняється, сформована молекула білка вивільняється та згортається у просторову структуру, а рибосома розпадається на субодиниці.

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 (де нітрогеновій основі А відповідає У, Т відповідає А, Г відповідає Ц, а Ц відповідає Г):

• Для кодону ДНК ГЦА комплементарним кодоном мРНК є ЦГУ. За діаграмою генетичного коду кодон ЦГУ кодує амінокислоту аргінін (Арг).
• Для кодону ДНК ЦАТ комплементарним кодоном мРНК є ГУА. За діаграмою генетичного коду кодон ГУА кодує амінокислоту валін (Вал).

СКЛАДАЄМО БІОЛОГІЧНІ ПАЗЛИ (РЕФЛЕКСІЯ)

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

• Генетичний код є триплетним, оскільки кожна амінокислота кодується послідовністю з трьох нуклеотидів.
• У процесi біосинтезу білка існує лише один старт-кодон (АУГ) для початку трансляції та три стоп-кодони для її завершення.
• Синтез РНК та її дозрівання відбуваються в ядрі клітини, а безпосередній синтез білкової молекули здійснюється в цитоплазмі на рибосомах.

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 інформація, зашифрована в молекулах ДНК у ядрі клітини, перетворюється на складні білкові молекули під час транскрипції та трансляції.

3. З якими перешкодами ти зіткнувся/зіткнулася під час опанування параграфа? Як ти подолав/подолала труднощі?
Спочатку було складно зрозуміти принцип зчитування колової діаграми генетичного коду, але завдяки покроковій інструкції в підручнику та тренуванню на прикладах кодонів мРНК я швидко розібрався з цим правилом.

4. Де і як ти зможеш використати знання і набутий досвід?
Отримані знання допоможуть мені краще розуміти біологічні механізми виникнення генетичних мутацій, успадкування ознак, а також принцип дії антибіотиків, які блокують біосинтез білків у шкідливих бактерій.