§ 45. Сучасні біотехнології

• До змісту відповідей

БІОЛОГІЧНИЙ ДЕТЕКТИВ

Білки є чудовими каталізаторами і беруть участь в утворенні всіх інших груп органічних речовин у клітинах. А які органічні сполуки каталізують утворення самих білків?

Утворення білків каталізують рибозими — спеціальні молекули рибонуклеїнової кислоти (зокрема, молекули рРНК у складі субодиниць рибосоми), які формують пептидні зв’язки між амінокислотами. Також у процесі синтезу білка беруть участь білкові ферменти, які приєднують амінокислоти до тРНК та забезпечують транскрипцію матричної РНК.

ТРЕНУЙСЯ ДУМАТИ

1. В організмі людини утворюється близько 60 кг АТФ (мал. 10.1) щодоби! Проте в організмі людини в будь-який конкретний момент усього близько 200 грам АТФ. Як таке можливо?

Молекули АТФ не накопичуються про запас і мають дуже малий період існування — менше однієї хвилини. Вони миттєво розщеплюються для забезпечення енергією всіх життєвих процесів і відразу ж синтезуються знову з АДФ та неорганічного фосфату під час клітинного дихання. Завдяки такому безперервному колообігу одна й та сама молекула АТФ відновлюється і розпадається тисячі разів на добу.

2. Аналіз нуклеотидного складу виявив такий уміст нуклеотидів в молекулі РНК: 30 % нуклеотидів з аденіном, 26 % — з урацилом, 14 % — з гуаніном, 40 % — з цитозином. Визнач відсотковий уміст нуклеотидів кожного виду у дволанцюговій ДНК, один із ланцюгів якої є матрицею для досліджуваної РНК. (Зауваж, що аденін в ДНК комплементарний урацилу в РНК, тимін — аденіну, цитозин — гуаніну, гуанін — цитозину.)

За принципом комплементарності визначаємо склад матричного ланцюга ДНК:
$Т_1 = А_{РНК} = 30\%$
$А_1 = У_{РНК} = 26\%$
$Ц_1 = Г_{РНК} = 14\%$
$Г_1 = Ц_{РНК} = 40\%$

Склад другого (комплементарного) ланцюга ДНК:
$А_2 = Т_1 = 30\%$
$Т_2 = А_1 = 26\%$
$Г_2 = Ц_1 = 14\%$
$Ц_2 = Г_1 = 40\%$

Для всієї дволанцюгової молекули ДНК вміст нуклеотидів становить середнє значення між двома ланцюгами:
Вміст аденіну:
$А = \frac{А_1 + А_2}{2} = \frac{26\% + 30\%}{2} = 28\%$

Вміст тиміну:
$Т = \frac{Т_1 + Т_2}{2} = \frac{30\% + 26\%}{2} = 28\%$

Вміст гуаніну:
$Г = \frac{Г_1 + Г_2}{2} = \frac{40\% + 14\%}{2} = 27\%$

Вміст цитозину:
$Ц = \frac{Ц_1 + Ц_2}{2} = \frac{14\% + 40\%}{2} = 27\%$

(Примітка: у вихідній умові сума часток дорівнює 110%; якщо пропорційно нормалізувати результат до 100%, вміст становить: $А = Т \approx 25{,}45\%$, $Г = Ц \approx 24{,}55\%$).

Відповідь: $А = 28\%$, $Т = 28\%$, $Г = 27\%$, $Ц = 27\%$.

ЗАПИТАННЯ І ЗАВДАННЯ

1. Які функції в клітинах виконують РНК?

Молекули РНК забезпечують біосинтез білків: мРНК передає інформацію про первинну структуру білка від ДНК до місця синтезу, тРНК доставляє амінокислоти до рибосом, а рРНК утворює каркас рибосом і каталізує утворення пептидних зв’язків. Малі РНК виконують регуляторні функції (контролюють дозрівання РНК і пригнічують активність певних генів), а у багатьох вірусів РНК слугує носієм спадкової інформації.

2. Яке значення для клітин мають сполуки з макроергічними зв’язками?

Сполуки з макроергічними зв’язками акумулюють хімічну енергію і переносять її туди, де вона потрібна для життєдіяльності. Під час розщеплення зв’язків між фосфатними групами в молекулі АТФ вивільняється енергія, яка забезпечує перебіг ендотермічних реакцій, підтримує активний транспорт речовин і живить рухову активність клітини.

3. В яких процесах може бути використана АТФ?

Енергія АТФ використовується для синтезу білків, вуглеводів, ліпідів та нуклеїнових кислот, а також для активного транспорту речовин через клітинну мембрану. Вона витрачається під час руху війок і джгутиків, скорочення м’язових клітин, поділу клітин і передавання нервових імпульсів.

4. Порівняй будову та період існування матричних і транспортних РНК.

Матрична РНК — це довгий одноланцюговий лінійний полімер із сотень або тисяч нуклеотидів, який існує недовго (від кількох хвилин до кількох годин) і швидко руйнується після виконання своєї функції. Транспортна РНК — відносно коротка молекула (до 100 нуклеотидів), яка має складну просторову форму з подвійними комплементарними ділянками і зберігається у клітині тривалий час (днями або тижнями), багаторазово виконуючи перенесення амінокислот.

5. Запропонуй пояснення того факту, що в живих системах РНК значно рідше, ніж ДНК використовується для збереження спадкової інформації.

ДНК має подвійну спіраль, яка забезпечує високу стійкість структури і дає змогу виправляти пошкодження за зразком комплементарного ланцюга. Молекула РНК зазвичай є одноланцюговою, містить хімічно більш реакційноздатну рибозу і значно легше піддається гідролізу та мутаціям, тому вона не підходить для довготривалого й надійного збереження спадкової інформації.

6. Матрицею для синтезу молекул РНК зазвичай є один із ланцюгів молекули ДНК. STEM-проєкт. Змоделюй синтез РНК на матриці ДНК в інтерактивній симуляції (виконай в e-ДОДАТКУ завдання 10.1).

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

Під час виконання симуляції враховуй принцип комплементарності між матричним ланцюгом ДНК і новоутвореною молекулою РНК: аденіну ДНК відповідає урацил РНК, тиміну — аденін, цитозину — гуанін, а гуаніну — цитозин. Процес приєднання нуклеотидів здійснює фермент РНК-полімераза.

СКЛАДАЄМО БІОЛОГІЧНІ ПАЗЛИ (РЕФЛЕКСІЯ)

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

• Кількість РНК у клітині в 5–10 разів перевищує вміст ДНК, а найбільшу частку серед них становить рРНК.
• За відкриття ролі мікроРНК у регуляції генів у 2024 році було присуджено Нобелівську премію з фізіології та медицини.
• Гідроліз одного моля АТФ до АДФ вивільняє близько 40 кДж енергії, а сама молекула існує в організмі менше однієї хвилини.

2. Закінчи одне з речень: Я став/стала більш обізнаним/обізнаною щодо… Мене здивувало… Я побачив/побачила зв’язок…
Мене здивувало, що за добу людський організм синтезує та розщеплює близько 60 кг АТФ, хоча одночасно в тілі міститься лише близько 200 грам цієї речовини.

3. З якими перешкодами ти зіткнувся/зіткнулася під час опанування параграфа? Як ти подолав/подолала труднощі?
Складним було обчислення відсоткового вмісту нуклеотидів у дволанцюговій ДНК на основі складу одноланцюгової РНК. Труднощі вдалося подолати завдяки послідовному запису комплементарних пар для кожного з двох ланцюгів ДНК.

4. Де і як ти зможеш використати знання і набутий досвід?
Знання про роль мРНК та малих РНК допомагають краще розуміти принцип дії сучасних ліків, терапії атеросклерозу та вакцин нового покоління.