§ 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 за допомогою процесу реплікації — напівконсервативного подвоєння молекули ДНК, під час якого на кожному з материнських ланцюгів синтезується новий дочірній ланцюг. Цей потік інформації передається завдяки принципу комплементарності (аденін завжди утворює пару з тиміном, а гуанін — із цитозином) та правилам Чаргаффа. У цьому процесі можуть траплятися помилки через дію шкідливих факторів середовища або збої під час копіювання, проте більшість із них виправляються за допомогою систем репарації ДНК, а ті пошкодження, що залишаються, стають мутаціями.

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%. Це пояснюється тим, що між гуаніном і цитозином утворюються три водневі зв’язки, а між аденіном і тиміном — лише два. Молекула з більшим умістом Г/Ц-пар має більше водневих зв’язків між ланцюгами, тому для їхнього розриву та денатурації 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 працює шляхом багаторазового повторення циклів нагрівання та охолодження розчину ДНК: під час нагрівання ланцюги ДНК розділяються, а під час охолодження фермент ДНК-полімераза добудовує до кожного з них новий комплементарний ланцюг, подвоюючи кількість молекул. Назва реакції схожа на ядерну ланцюгову реакцію тому, що обидва процеси відбуваються за ланцюговим принципом із геометричним зростанням: у кожному наступному циклі утворені копії ДНК самі стають матрицями для створення нових копій, подібно до того, як при ядерній реакції нові нейтрони спричиняють дедалі більшу кількість поділів ядер.

ЗАПИТАННЯ І ЗАВДАННЯ

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

Структуру ДНК було відкрито у 1953 році Джеймсом Вотсоном і Френсісом Кріком, які запропонували модель подвійної спіралі. Для її створення науковці використали результати досліджень Ервіна Чаргаффа щодо кількісних співвідношень нуклеотидів та дані рентгеноструктурного аналізу, виконані Розалінд Франклін і Морісом Вілкінсом. Передумовою цього відкриття було виявлення нуклеїнових кислот Фрідріхом Мішером у 1869 році та підтвердження ролі ДНК у переносі спадкової інформації дослідами Освальда Евері, Коліна Маклеода та Макліна Маккарті у 1943–1944 роках.

2. Чому ланцюги подвійної спіралі ДНК називають антипаралельними?

Ланцюги подвійної спіралі ДНК називають антипаралельними тому, що вони розташовані в протилежних напрямках: 3′-кінець одного ланцюга міститься навпроти 5′-кінця іншого ланцюга. Це означає, що зв’язки між дезоксирибозою та фосфатними групами в одному ланцюзі спрямовані від 5′-кінця до 3′-кінця, а в другому комплементарному ланцюзі — від 3′-кінця до 5′-кінця.

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

Реплікація ДНК відбувається напівконсервативним шляхом, під час якого подвійна спіраль розкручується, а на кожному з двох вихідних (материнських) ланцюгів за принципом комплементарності утворюється новий (дочірній) ланцюг.

У цьому процесі беруть участь такі основні ферменти:

1. Топоізомераза — розкручує подвійну спіраль ДНК.
2. Геліказа — розриває водневі зв’язки між нітрогеновмісними основами та розділяє ланцюги.
3. ДНК-полімераза — приєднує вільні нуклеотиди до матричного ланцюга у напрямку від 5’-кінця до 3’-кінця, синтезуючи новий ланцюг ДНК.

Біологічне значення реплікації полягає в точному подвоєнні генетичної інформації. Це забезпечує її точну передачу від материнської клітини до дочірніх під час поділу, що робить можливим ріст організмів, відновлення пошкоджених тканин та безперервність життя впродовж багатьох поколінь.

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 (за правилом комплементарності А-Т, Г-Ц):
   Послідовність вихідного ланцюга: ГГТ АГГ ТЦТ ГГТ ААТ
   Послідовність комплементарного ланцюга: ЦЦА ТЦЦ АГА ЦЦА ТТА

2. Розрахунок кількості водневих зв’язків:

• Підраховуємо кількість пар А-Т (2 водневі зв’язки на пару): 8 пар (Т3, А4, Т7, Т9, Т12, А13, А14, Т15).
• Підраховуємо кількість пар Г-Ц (3 водневі зв’язки на пару): 7 пар (Г1, Г2, Г5, Г6, Ц8, Г10, Г11).
• Кількість водневих зв’язків = (8 × 2) + (7 × 3) = 16 + 21 = 37 водневих зв’язків.

3. Розрахунок кількості фосфодіефірних зв’язків:

• В одному ланцюзі з 15 нуклеотидів утворюється 14 фосфодіефірних зв’язків.
• У всій дволанцюговій молекулі ДНК (із 30 нуклеотидів) кількість фосфодіефірних зв’язків становить 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).

Для створення об’ємної моделі ДНК можна використати кольоровий пластилін та гнучкий дріт. Із дроту виготовляються дві паралельні спіралі, які сиมволізують цукрово-фосфатний остов (дезоксирибозу та фосфатні групи). Із пластиліну чотирьох різних кольорів ліпляться кульки або циліндри, що відповідають чотирьом нуклеотидам: червоний — Аденін (А), синій — Тимін (Т), зелений — Гуанін (Г), жовтий — Цитозин (Ц). Нуклеотиди з’єднуються між собою парами (червоний із синім, зелений із жовтим) і кріпляться між двома дротяними спіралями, утворюючи сходинки подвійної спіралі.

[!NOTE]
Промпт для створення зображення:
A detailed 3D STEM model of a DNA double helix made from plasticine and wire on a school desk. The two sugar-phosphate backbones are twisted spirally, connected by nitrogenous base pairs represented in four distinct colors: Adenine in red, Thymine in blue, Guanine in green, and Cytosine in yellow. All text labels and captions on the image, including ‘Аденін’, ‘Тимін’, ‘Гуанін’, ‘Цитозин’, ‘Дезоксирибоза’, ‘Фосфат’, must be strictly written in Ukrainian language.

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

Перелік галузей та способів застосування полімеразної ланцюгової реакції (ПЛР):

1. Медична діагностика — виявлення вірусних і бактеріальних інфекцій (ВІЛ, гепатити, COVID-19, туберкульоз) та генетичних захворювань.
2. Судова медицина та криміналістика — ідентифікація особи за фрагментами ДНК (крапля крові, волосся, слина) та встановлення батьківства.
3. Наукові та генетичні дослідження — клонування генів, визначення послідовності нуклеотидів (секвенування) та вивчення геномів.
4. Сільське господарство та харчова промисловість — перевірка продуктів харчування на наявність ГМО та діагностика захворювань свійських тварин і культурних рослин.
5. Палеонтологія та еволюційна біологія — аналіз і порівняння ДНК вимерлих видів організмів.

СКЛАДАЄМО БІОЛОГІЧНІ ПАЗЛИ (РЕФЛЕКСІЯ)

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

• ДНК має форму подвійної антипаралельної спіралі, ланцюги якої утримуються водневими зв’язками між комплементарними парами аденін-тимін та гуанін-цитозин.
• Подвоєння ДНК (реплікація) відбувається напівконсервативним способом, де кожен новий дочірній ланцюг будується на основі материнського за допомогою ферменту ДНК-полімерази.
• На основі процесів нагрівання (денатурації) та охолодження (ренатурації) ДНК створено метод полімеразної ланцюгової реакції (ПЛР), який дає змогу швидко отримати мільйони копій потрібної ділянки ДНК.

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 саме криміналісти виявляють ідентичність людини за найменшою краплиною біологічного матеріалу завдяки методу ПЛР.

3. З якими перешкодами ти зіткнувся/зіткнулася під час опанування параграфа? Як ти подолав/подолала труднощі?
Найважче було розібратися з підрахунком водневих зв’язків між нуклеотидами, але мені допомогло повторне вивчення малюнків та правило, що між А і Т утворюється два зв’язки, а між Г і Ц — три.

4. Де і як ти зможеш використати знання і набутий досвід?
Ці знання допоможуть мені краще розуміти результати медичних лабораторних аналізів (наприклад, ПЛР-тестів) та розуміти наукові новини про генетичні дослідження й біотехнології.