§ 9 ДНК

• До змісту відповідей

БІОЛОГІЧНИЙ ДЕТЕКТИВ

Завдяки яким правилам чи законам цей потік інформації невпинно передається новим поколінням?

Передача інформації відбувається завдяки здатності молекули ДНК до реплікації (самоподвоєння) за принципом комплементарності та напівконсервативним механізмом.

Чи можуть траплятися помилки в цьому нескінченному інформаційному потоці?

У процесі копіювання ДНК можуть виникати помилки, які називаються мутаціями, проте більшість із них виправляється спеціальними ферментами в ході процесу репарації.

ТРЕНУЙСЯ ДУМАТИ

1. Яка з ДНК плавитиметься за вищої температури? Обґрунтуй свою відповідь.

За вищої температури плавитиметься молекула ДНК, у якій пари Г/Ц складають 80%. Це зумовлено тим, що між гуаніном і цитозином утворюються три водневі зв’язки, тоді як між аденіном і тиміном — лише два, тому для руйнування Г/Ц-пар потрібно більше теплової енергії.

2. Як працює ця реакція і чому її назва схожа на назву ядерної ланцюгової реакції, яка відбувається під час вибуху атомної бомби?

Полімеразна ланцюгова реакція (ПЛР) працює шляхом багаторазового циклічного подвоєння цільової ділянки ДНК за допомогою ферменту ДНК-полімерази. Назва схожа на ядерну ланцюгову реакцію, оскільки в обох випадках процес відбувається лавиноподібно: продукти попереднього циклу стають субстратом для наступного, що призводить до експоненціального зростання кількості копій ДНК.

ЗАПИТАННЯ І ЗАВДАННЯ

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

Структуру ДНК відкрили Джеймс Вотсон і Френсіс Крік у 1953 році, побудувавши модель подвійної спіралі. Відкриття стало можливим завдяки використанню правил Чаргаффа щодо кількісного співвідношення нуклеотидів та аналізу рентгенограм, отриманих Розалінд Франклін і Морісом Вілкінсом.

ЗАПИТАННЯ І ЗАВДАННЯ

2. Чому ланцюги подвійної спіралі ДНК називають антипаралельними?

Ланцюги подвійної спіралі ДНК називають антипаралельними, оскільки вони орієнтовані в протилежних напрямках: 3′-кінець одного ланцюга розташований навпроти 5′-кінця іншого.

3. Як відбувається процес реплікації ДНК і які ферменти беруть у ньому участь? Яке значення реплікації для клітин, організмів і загалом збереження життя?

Реплікація — це напівконсервативний процес подвоєння ДНК, під час якого подвійна спіраль розплітається, і на кожному з материнських ланцюгів за принципом комплементарності синтезується новий ланцюг. У процесі беруть участь топоізомераза (розплітає спіраль), геліказа (розриває водневі зв’язки між основами) та ДНК-полімераза (здійснює синтез нового ланцюга). Значення реплікації полягає у забезпеченні точного копіювання спадкової інформації для її передачі від материнської клітини до дочірніх, що зумовлює ріст, розвиток організмів і неперервність життя.

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.

Відомо:

• Послідовність 1-го ланцюга: ГГТ АГГ ТЦТ ГГТ ААТ
• Кількість нуклеотидів $n = 15$

Знайти:

• Послідовність 2-го ланцюга — ?
• Кількість водневих зв’язків ($H$) — ?
• Кількість фосфодіефірних зв’язків ($P$) — ?

Розв’язання:

1. За принципом комплементарності (А-Т, Г-Ц) добудовуємо другий ланцюг:
   1-й ланцюг: ГГТ АГГ ТЦТ ГГТ ААТ
   2-й ланцюг: ЦЦА ТЦЦ АГА ЦЦА ТТА

2. Визначаємо кількість водневих зв’язків. Між А та Т утворюється 2 зв’язки, між Г та Ц — 3 зв’язки.
   У даному фрагменті (рахуємо по одному ланцюгу):
   кількість Г-Ц пар = 7 (6 гуанілових та 1 цитидиловий нуклеотид);
   кількість А-Т пар = 8 (4 аденілових та 4 тимідилових нуклеотиди).
   $H = 7 \cdot 3 + 8 \cdot 2$
   $H = 21 + 16 = 37$

3. Фосфодіефірні зв’язки з’єднують нуклеотиди в один ланцюг. У ланцюгу з $n$ нуклеотидів кількість зв’язків дорівнює $n - 1$. Оскільки молекула дволанцюгова:
   $P = (15 - 1) \cdot 2$
   $P = 14 \cdot 2 = 28$

Відповідь: послідовність другого ланцюга — ЦЦА ТЦЦ АГА ЦЦА ТТА; у фрагменті 37 водневих зв’язків та 28 фосфодіефірних зв’язків.

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

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

Способи застосування полімеразної ланцюгової реакції (ПЛР):

1. Криміналістична ідентифікація особи за біологічними слідами (кров, слина, волосся).
2. Діагностика інфекційних захворювань (виявлення ДНК вірусів або бактерій у пробі).
3. Тестування на батьківство та визначення генетичної спорідненості.
4. Виявлення генетичних мутацій та спадкових хвороб.
5. Наукові дослідження для клонування генів та секвенування ДНК.
6. Контроль якості харчових продуктів на наявність ГМО.

БІОЛОГІЧНИЙ ДЕТЕКТИВ

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

Кожна клітина передає інформацію дочірнім клітинам шляхом реплікації молекул ДНК, що забезпечує подвоєння генетичного матеріалу перед поділом. Цей потік інформації передається завдяки принципу комплементарності та напівконсервативному механізму копіювання, за якого кожен ланцюг материнської молекули стає матрицею для нового. У цьому процесі можуть траплятися помилки, які називаються мутаціями, проте існують спеціальні системи репарації, що здатні їх виправляти.

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 пари 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 вміст пар Г/Ц складає 80%. Це зумовлено тим, що між гуаніном і цитозином утворюються три водневі зв’язки, тоді як між аденіном і тиміном — лише два, тому для руйнування структури з більшою кількістю Г/Ц-пар потрібно більше теплової енергії.

2. Сучасна криміналістика отримала чудовий інструмент для ідентифікації людини та підтвердження або спростування її участі у злочині… Як працює ця реакція і чому її назва схожа на назву ядерної ланцюгової реакції, яка відбувається під час вибуху атомної бомби?

Метод полімеразної ланцюгової реакції (ПЛР) працює шляхом багаторазового циклічного копіювання визначеної ділянки ДНК за допомогою ферменту ДНК-полімерази у спеціальному приладі — ампліфікаторі. Назва цієї реакції схожа на назву ядерної, оскільки в обох процесах відбувається ланцюгове наростання кількості продуктів у геометричній прогресії, де кожен попередній етап ініціює наступний.

ЗАПИТАННЯ І ЗАВДАННЯ

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

Відкриття структури ДНК стало результатом роботи багатьох науковців: Фрідріх Мішер виявив нуклеїнові кислоти у 1869 році, Ервін Чаргафф встановив кількісні закономірності вмісту нуклеотидів (правило Чаргаффа), а Розалінд Франклін та Моріс Вілкінс отримали чіткі рентгенограми молекули. Остаточну модель подвійної спіралі запропонували Джеймс Вотсон і Френсіс Крік у 1953 році, за що згодом отримали Нобелівську премію.

2. Чому ланцюги подвійної спіралі ДНК називають антипаралельними?

Ланцюги подвійної спіралі ДНК називають антипаралельними, тому що вони спрямовані в протилежних напрямках: 3’-кінець одного ланцюга розташований навпроти 5’-кінця іншого.

3. Як відбувається процес реплікації ДНК і які ферменти беруть у ньому участь? Яке значення реплікації для клітин, організмів і загалом збереження життя?

Реплікація ДНК відбувається напівконсервативним шляхом, за якого подвійна спіраль розплітається, і на кожному з материнських ланцюгів синтезується новий комплементарний ланцюг. У цьому процесі беруть участь топоізомераза (розплітає спіраль), геліказа (розриває водневі зв’язки) та ДНК-полімераза (добудовує нові ланцюги). Значення реплікації полягає у забезпеченні точного самовідтворення генетичного матеріалу, що є необхідною умовою для поділу клітин, розмноження організмів та передачі спадкових ознак наступним поколінням.

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 звязків, що утворюються між нітрогеновмісними основами обох ланцюгів та кількість фосфодіефірних звязків між нуклеотидами.

Послідовність нуклеотидів у комплементарному ланцюзі: ЦЦА ТЦЦ АГА ЦЦА ТТА.
Загальна кількість водневих зв’язків між ланцюгами становить 37 (7 пар Г-Ц по три зв’язки та 8 пар А-Т по два зв’язки).
Загальна кількість фосфодіефірних зв’язків в обох ланцюгах становить 28 (по 14 зв’язків у кожному ланцюзі, що складається з 15 нуклеотидів).

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

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

Полімеразну ланцюгову реакцію застосовують для:

• проведення судово-медичної експертизи та ідентифікації особи в криміналістиці;
• діагностики інфекційних захворювань (вірусних та бактеріальних);
• встановлення біологічного батьківства;
• виявлення генетичних схильностей та мутацій у медицині;
• вивчення геномів викопних організмів у палеонтології.

СКЛАДАЄМО БІОЛОГІЧНІ ПАЗЛИ (РЕФЛЕКСІЯ)

Виконай завдання (див. с. 9).