§ 9 ДНК

• До змісту відповідей

БІОЛОГІЧНИЙ ДЕТЕКТИВ

Поміркуй, як кожна клітина може передати інформацію двом дочірнім клітинам, ті — наступним, і так нескінченно… Завдяки яким правилам чи законам цей потік інформації невпинно передається новим поколінням? Чи можуть траплятися помилки в цьому нескінченному інформаційному потоці?

Клітина передає спадкову інформацію двом дочірнім клітинам через реплікацію — подвоєння молекули ДНК, під час якого на кожному з материнських ланцюгів синтезується новий дочірній ланцюг. Цей потік інформації передається завдяки принципу комплементарності (аденін сполучається з тиміном, а гуанін — із цитозином) та правилам Чаргаффа. У цьому процесі можуть виникати помилки через вплив факторів середовища або збої під час копіювання, проте більшість із них виправляють системи репарації ДНК, а залишені порушення перетворюються на мутації.

ТРЕНУЙСЯ ДУМАТИ

1. За нагрівання до 80 °C ДНК денатурує, тобто розділяється на два окремі ланцюги. Цей процес називають плавленням. Дослідники працюють із двома молекулами ДНК, що мають однакову кількість нуклеотидів — по 1000 пар, але в одній парі Г/Ц складають 20%, а в іншій — 80% (мал. 9.1). Яка з ДНК плавитиметься за вищої температури? Обґрунтуй свою відповідь.

За вищої температури плавитиметься молекула ДНК, у якій пари Г/Ц складають 80%. Між гуаніном і цитозином виникають три водневі зв’язки, тоді як між аденіном і тиміном — лише два. Молекула з більшим умістом пар Г/Ц утримується міцніше завдяки більшій кількості водневих зв’язків, тому для її розділення потрібна вища температура.

2. Сучасна криміналістика отримала ефективний інструмент для ідентифікації людини та підтвердження або спростування її участі у злочині. Мізерних кількостей біологічного матеріалу (краплини крові, слини, лусочки шкіри тощо) достатньо, щоб виділити ДНК і проаналізувати її належність. Потім із виділеної ДНК отримують численні копії за допомогою полімеразної ланцюгової реакції (ПЛР). Як працює ця реакція і чому її назва схожа на назву ядерної ланцюгової реакції, яка відбувається під час вибуху атомної бомби?

Полімеразна ланцюгова реакція базується на повторенні циклів нагрівання та охолодження розчину ДНК. Під час нагрівання ланцюги розходяться, а під час охолодження фермент ДНК-полімераза добудовує до кожного ланцюга новий комплементарний, і це щоразу подвоює кількість молекул ДНК. Назва подібна до ядерної реакції через ланцюговий характер і лавиноподібне наростання: новоутворені копії молекул у кожному наступному циклі самі стають основами для синтезу чергових копій.

ЗАПИТАННЯ І ЗАВДАННЯ

1. Як було відкрито структуру ДНК? Для відповіді скористайся відео в e-ДОДАТКУ (завдання 9.1).

Структуру ДНК встановили у 1953 році Джеймс Вотсон і Френсіс Крік, коли створили модель подвійної спіралі. Вони спиралися на правила Ервіна Чаргаффа щодо однакового співвідношення пар основ і рентгенограми кристалів ДНК, які отримали Розалінд Франклін і Моріс Вілкінс. Цьому передувало відкриття нуклеїнових кислот Фрідріхом Мішером у 1869 році та експерименти Освальда Евері з колегами у 1944 році, які довели роль ДНК як носія спадковості.

Переглянь англомовне відео про історію відкриття структури ДНК.

Яку інформацію Ватсон і Крік мали на старті досліджень?

На старті було відомо кілька ключових речей:

1. Гени розташовані всередині хромосом ядра клітини, а самі хромосоми складаються з білків та нуклеїнової кислоти (ДНК).
2. Експерименти Освальда Евері довели, що генетичну інформацію переносить саме ДНК, а не білок.
3. ДНК складається з цукру (пентози), залишків фосфату та чотирьох видів нітрогеновмісних основ.
4. Для вивчення форми молекули підходить метод рентгенівської кристалографії, а загальна структура молекули, найімовірніше, має форму спіралі.

Яку роль у відкритті структури ДНК зіграла Розалінда Франклін та фото ДНК, зроблене нею?

Зроблене нею «Фото 51» стало вирішальним доказом, оскільки за дифракційною картиною Вотсон одразу визначив, що ДНК є саме подвійною спіраллю. Її звіт про симетрію молекули допоміг Кріку збагнути, що два ланцюги молекули спрямовані у протилежні боки (антипаралельні), а цукрово-фосфатний остов має бути розташований ззовні, а не всередині.

Як було використано правило Чаргаффа?

Дані Ервіна Чаргаффа про рівність кількості основ (аденіну стільки ж, скільки тиміну, а гуаніну стільки ж, скільки цитозину) підказали принцип взаємного поєднання. Вотсон зіставив основи парами «А — Т» і «G — C», що пояснило однакову ширину спіралі по всій довжині та принцип копіювання ланцюгів за правилом комплементарності.

Яке упередження заважало розкрити секрети структури ДНК? Як використання картонних моделей допомогло його позбутися?

Вчені вважали, що генетично важливі основи обов’язково мають стирчати назовні, а цукрово-фосфатний скелет бути всередині, бо інакше основи здавалися «прихованими». Вирізані з картону форми азотистих основ допомогли Вотсону вручну рухати деталі й побачити, що саме всередині спіралі пари «А — Т» та «G — C» ідеально з’єднуються водневими зв’язками, утворюючи симетричні сходинки однакового розміру.

Чому розкриття структури ДНК вважається одним з найважливіших в історії біології?

Ця модель пояснила два головних механізми життя: точне збереження й копіювання спадкової інформації через розплітання ланцюгів, а також появу мутацій через зміну послідовності основ, що є основою біологічної еволюції.

2. Чому ланцюги подвійної спіралі ДНК називають антипаралельними?

Їх називають антипаралельними, тому що вони спрямовані у протилежні боки: напроти 5′-кінця одного ланцюга завжди лежить 3′-кінець другого ланцюга. Нуклеотиди в одному ланцюзі орієнтовані у напрямку від 5′ до 3′, а в комплементарному йому ланцюзі — від 3′ до 5′.

3. Як відбувається реплікація ДНК, і які ферменти в цьому беруть участь? Яке її значення для клітин, організмів і збереження життя загалом?

Реплікація здійснюється напівконсервативним способом: подвійна спіраль розплітається, і на кожному материнському ланцюзі за правилом комплементарності вибудовується новий дочірній.

У цьому процесі беруть участь такі ферменти:

• Топоізомераза — розкручує спіраль ДНК.
• Геліказа — розриває водневі зв’язки між основами та роз’єднує ланцюги.
• ДНК-полімераза — послідовно приєднує комплементарні нуклеотиди до матричного ланцюга у напрямку від 5′-кінця до 3′-кінця та синтезує новий ланцюг.

Значення реплікації полягає в точному копіюванні спадкових даних. Завдяки цьому інформація без спотворень переходить до нових клітин під час поділу, що забезпечує ріст, загоєння тканин і спадковість усіх організмів на Землі.

4. Один ланцюг штучно синтезованої молекули ДНК має таку послідовність нуклеотидів: ГГТ АГГ ТЦТ ГГТ ААТ. Запиши послідовність нуклеотидів у комплементарному ланцюзі. Визнач кількість водневих зв’язків, що утворюються між нітрогеновмісними основами обох ланцюгів та кількість фосфодіефірних зв’язків між нуклеотидами.

1. Комплементарний ланцюг ДНК будуємо за правилом пар А-Т і Г-Ц:

• Вихідний ланцюг: ГГТ АГГ ТЦТ ГГТ ААТ
• Комплементарний ланцюг: ЦЦА ТЦЦ АГА ЦЦА ТТА

2. Кількість водневих зв’язків між основами двох ланцюгів:

• Кількість пар А-Т (по 2 водневі зв’язки): 8 пар.
• Кількість пар Г-Ц (по 3 водневі зв’язки): 7 пар.
• Загальна кількість водневих зв’язків: $(8 \cdot 2) + (7 \cdot 3) = 16 + 21 = 37$.

3. Кількість фосфодіефірних зв’язків:

• В одному ланцюзі з 15 нуклеотидів утворюється 14 фосфодіефірних зв’язків ($15 - 1 = 14$).
• У двох лінійних ланцюгах молекули разом утворюється $14 + 14 = 28$ зв’язків.

5. STEM-проєкт. Об’єднайтесь у групи і змоделюйте подвійну спіраль молекули ДНК (виконайте в e-ДОДАТКУ завдання 9.2).

МОДЕЛЮВАННЯ ПОДВІЙНОЇ СПІРАЛІ ДНК

1. Комплементарні пари основ

Які дві пари комплементарних основ у ДНК?

Аденін з’єднується з тиміном (A – T), а гуанін — із цитозином (G – C).

2. Вимірювання діаметра спіралі

Чи є діаметр приблизно постійним? Поясніть.

Так, діаметр однаковий уздовж усієї спіралі, тому що кожна сходинка складається рівно з трьох кілець: велика основа з двома кільцями завжди з’єднується з маленькою основою з одним кільцем.

3. Структура азотистих основ

Як правила комплементарності впливають на діаметр подвійної спіралі?

Вони утримують ширину незмінною, бо широкі пурини (A, G) завжди стоять у парі з вузькими піримідинами (T, C), даючи разом суму в 3 кільця на будь-якій ділянці.

4. Гіпотетична схема «подібний до подібного»

Якщо б аденін поєднувався з аденіном, цитозин з цитозином і так далі, чи мала б ДНК постійний діаметр? Поясніть.

Ні, тоді діаметр постійно змінювався б: пари великих основ (A – A, G – G) роздували б молекулу до 4 кілець, а пари малих (T – T, C – C) звужували б її до 2 кілець.

5. Антипаралельність ланцюгів

Використайте свою модель, щоб показати, що два ланцюги ДНК рухаються у протилежних напрямках.

На кожному з кінців моделі один ланцюг закінчується вільною фосфатною групою (5’-кінець), а сусідній ланцюг навпроти — залишком дезоксирибози (3’-кінець).

6. Відтворення моделей

Якщо змішати окремі нитки різних моделей, чи можна знову зібрати оригінальні подвійні спіралі? Поясніть.

Так, нитки легко знайдуть свої пари завдяки точному співвідношенню основ, адже аденін завжди притягує лише тимін, а гуанін — цитозин.

Якщо двоє учнів копіюють модель, кожен бере один ланцюг, чи вдасться створити ідентичні копії? Як це моделює реплікацію ДНК в клітинах?

Так, вийдуть дві абсолютно однакові подвійні спіралі. Це відтворює напівконсервативну реплікацію, коли кожна стара нитка слугує готовим шаблоном для добудови нового ланцюга за принципом комплементарності.

7. Сильні та слабкі сторони моделі

Три характеристики ДНК, які добре відображені моделлю:

1. Подвійна спіральна форма та антипаралельність ланцюгів.

2. Комплементарне спарювання основ та збереження однакової ширини.

3. Розташування цукрово-фосфатного скелета ззовні, а основ — усередині.

Три обмеження моделі:

1. Відсутність позначення справжніх водневих і ковалентних хімічних зв’язків.
2. Папір не відображає реальну гнучкість, форму атомів та просторову щільність живої молекули.
3. Не показано наявність великого та малого жолобків на поверхні спіралі.

РЕФЛЕКСІЯ

Що нового ви дізналися про структуру ДНК?

Стало зрозуміло, що обидві нитки мають дзеркально протилежний напрямок, а стабільна форма тримається на суворому правилі поєднання великих молекул із малими.

Які особливості комплементарності основ добре видно у вашій моделі?

Добре видно замковий принцип: деталі з’єднуються без перекосів тільки в парах A – T та G – C, зберігаючи рівний діаметр.

Як створення моделей допомагає зрозуміти складні молекулярні процеси, як-от реплікація?

Коли тримаєш модель у руках і розділяєш сходинки, стає наочно видно, як клітина може легко скопіювати код без помилок на основі кожної окремої нитки.

6. Склади перелік можливих способів застосування полімеразної ланцюгової реакції. Скористайся інформацією з e-ДОДАТКУ (завдання 9.3).

Способи застосування полімеразної ланцюгової реакції (ПЛР):

• Медична діагностика — раннє виявлення збудників інфекцій (вірусів, бактерій) та діагностика спадкових захворювань.
• Судово-медична експертиза — встановлення особи злочинця за мікрослідами біоматеріалу, ідентифікація загиблих та аналіз батьківства.
• Молекулярно-генетичні дослідження — клонування фрагментів ДНК, вивчення мутацій та визначення послідовностей генів.
• Контроль якості їжі та агрономія — перевірка продуктів на вміст ГМО та тестування сортів рослин і порід тварин на приховані інфекції.
• Еволюційна біологія та палеонтологія — виділення та розшифрування залишків ДНК викопних і вимерлих організмів.

СКЛАДАЄМО БІОЛОГІЧНІ ПАЗЛИ (РЕФЛЕКСІЯ)

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

• ДНК складається з двох комплементарних ланцюгів, які мають антипаралельну орієнтацію відносно один одного (від 5′ до 3′ та від 3′ до 5′).
• Подвоєння ДНК відбувається напівконсервативно, де кожен розплетений материнський ланцюг стає основою для побудови нового.
• Принцип багаторазового копіювання ДНК за допомогою термоциклів ліг в основу сучасного методу ПЛР.

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 криміналісти можуть точно встановити особу людини навіть за невидимим слідом клітин шкіри завдяки полімеразній ланцюговій реакції.

3. З якими перешкодами ти зіткнувся/зіткнулася під час опанування параграфа? Як ти подолав/подолала труднощі?
Спочатку було важко уявити антипаралельність 3′- та 5′-кінців ланцюгів, але уважний розгляд схеми з нумерацією атомів Карбону в дезоксирибозі допоміг усе з’ясувати.

4. Де і як ти зможеш використати знання і набутий досвід?
Ці знання допоможуть мені краще розуміти наукові статті про генетику та біотехнології, а також правильно тлумачити результати медичних ПЛР-досліджень.