37

ЗМІСТ

с.

Передмова 4

Приклади розв’язання задач 5

1. Задачі на визначення кількості та послідовності нуклеотидів у ДНК та РНК 9

2. Задачі на визначення послідовності амінокислот у білку 13

3. Задачі на визначення молекулярної маси та довжини білка 15

4. Задачі на визначення довжини та маси ДНК і РНК 17

5. Задачі на визначення відсотка аденінових, гуанінових, цитозинових, тимінових нітратних основ у молекулі ДНК 19

Задачі для самостійного розв’язування 21

1. Задачі на визначення кількості та послідовності нуклеотидів у ДНК та РНК 21

2. Задачі на визначення послідовності амінокислот у білку 23

3. Задачі на визначення молекулярної маси та довжини білка 24

4. Задачі на визначення довжини та маси ДНК і РНК 25

5. Задачі на визначення відсотка аденінових, гуанінових, цитозинових, тимінових нітратних основ у молекулі ДНК 27

Словник основних термінів 29

Список рекомендованої літератури 30

Додаток 1. Генетичний код 31

Додаток 2. α-Амінокислоти, які входять до складу білків 32

Передмова

Шановні студенти!

Одним з найважливіших розділів біології є молекулярна біологія, що досліджує закономірності спадковості організмів на молекулярному рівні. Методичні вказівки до самостійної роботи з розв’язання задач з молекулярної біології дисципліни «Біологія» призначені для використання під час підготовки до виконання завдань лабораторних та практичних робіт з дисципліни, а також підготовки до складання тематичних атестацій.

У вказівках стисло подано теоретичний матеріал, наведені приклади розв’язання задач, задачі для самостійного розв’язування, словник біологічних термінів та додатки. Методичні вказівки містить задачі різних типів:

• задачі на визначення послідовності нуклеотидів у ДНК та РНК;

• задачі на визначення послідовності амінокислот у білку;

• задачі на визначення молекулярної маси або довжини білка;

• задачі на визначення довжини та маси ДНК;

• задачі на порівняння маси білка і гена, що кодує цей білок;

• задачі на визначення відсотка аденінових, гуанінових, цитозинових, тимінових нітратних основ у молекулі ДНК та інші.

Кожному типу задач передують теоретичні відомості та рекомендації щодо їх розв’язання.

Вказівки містять численні ілюстрації. Таблиці та схеми, що наведені у додатках, а також перелік рекомендованої літератури сприятимуть більш глибокому засвоєнню навчального матеріалу. Текстова частина супроводжується перехресними посиланнями, що дозволяє скоротити час пошуку необхідної інформації.

Електронний варіант збірника дозволить вам організувати самостійну роботу у зручному для вас режимі, вірно виконати завдання лабораторних і практичних робіт та якісно скласти тематичну атестацію.

Бажаємо вам успіху!

Приклади розв’язання задач

Для розв’язання задач з молекулярної біології потрібні знання щодо природи та структури нуклеїнових кислот (ДНК та РНК), процесів, що відбуваються під час синтезу білків, основних властивостей генетичного коду.

Ген – це ділянка молеку­ли ДНК (дезоксирибонуклеїнової кислоти) або РНК (рибонуклеїнової кисло­ти), яка кодує і передає генетичну інформацію. Ген визначає лише первинну структуру білка. Від первинної структури залежить конформація білка (вторинна, третинна, четвертинна структури).

Мал. 1. Будова молекули ДНК

Згідно із тривимірною моделлю структури ДНК Уотсона-Кріка, мо­лекала ДНК складається з двох полінуклеотидних ланцюгів, які утворюють спіраль відносно однієї і тієї ж осі. Полінуклеотидні ланцюги – це полімер­ні молекули, мономерами яких є нуклеотиди. Кожний нуклеотид складається із трьох частин: нітратної основи, моносахариду пентози і залишку фосфат­ної кислоти. Якщо до складу нуклеотиду входить рибоза, то це рибонуклеотид, якщо дезоксирибоза – дезоксирибонуклеотид. Нітратні основи в ДНК і РНК бувають двох типів: пуринові – аденін (А) і гуанін (Г); піримідинові – цитозин (Ц), тимін (Т) і урацил (У). До складу ДНК входять А, Г, Т, Ц; до складу РНК– А, Г, У, Ц. Напрям ланцюгів взаємно протилежний. У полінуклеотидному ланцюзі нуклеотиди з’єднані між собою фосфодіефірними містками: фосфат-йон – пентоза – фосфат-йон – пентоза...

Важлива ознака ДНК – здатність до самовідтворення, в основі якого лежить комплементарність. Комплементарність – відповідність основ у про­тилежних ланцюгах ДНК. Наприклад, якщо в першому ланцюгу на певному місці стоїть нуклеотид А, то у другому, тобто протилежному, на тому ж міс­ці – нуклеотид Т, і навпаки. За такої умови між основами утворюються два специфічні водневі зв’язки. Аналогічно нуклеотид Г комплементарний до ну-клеотида Ц (три зв’язки)

Американський біохімік Е. Чаргафф у 1950 році встановив, що в молекулі ДНК кількість аденіну дорівнює кількості тиміну, а кількість гуаніну – кількості цитозину: А = Т і Г = Ц – правило Чаргаффа. Звідси роблять висновок, що А + Г = Т + Ц, тобто (А + Т) + (Г + Ц) = 100 %.

Мал. 2. Схема будови молекули ДНК у вигляді подвійного ланцюга (а) та лінійна (б): 1 – залишок 2-дезокси-β-D-рибозы; нітратні основи 2 –тимін, 3 – аденін, 4 – гуанін, 5 – цитозин; 6 – залишки ортофосфорної кислоти.

Розміщення нуклеотидів в одному ланцюгу ДНК і між нуклеотидами двох ланцюгів таке, що місця з’єднання пари нуклеотидів знаходяться одне від одного на відстані 0,34 нм. На один виток спіралі припадає 10 пар нукле­отидів, а крок спіралі становить 3,4 нм. Діаметр подвійної спіралі дорівнює приблизно 20 нм. Відносна молекулярна маса одного нуклеотиду дорівнює 345 атомних одиниць маси (а.о.м.), а маса амінокислоти – 100 а.о.м.

Розрізняють три типи рибонуклеїнових кислот (РНК): інформаційна, або матричан (іРНК), транспортна (тРНК) та рибосомальна (рРНК).

іРНК – є копією відповідної ділянки ДНК. Вона є матрицею для синтезу білкової молекули. Кожні три послідовні основи нук­леотидів іРНК називають кодоном, який кодує одну амінокислоту. Кодон іРНК комплементарний кодону ДНК. Генетичний код 20-ти осно­вних амінокислот наведено в додатку 1, структурні формули – у додатку 2.

тРНК транспортує «свою» амінокислоту до зростаючого ланцюга поліпептиду і розпізнає відповідний кодон в іРНК. Оскільки для кожної аміноки­слоти є відповідна тРНК, то розпізнавання кодонів іРНК відбувається за до­помогою антикодонів молекули тРНК. Антикодон – це три послідовних ос­нови на антикодовій петлі тРНК, які комплементарні основам кодону іРНК:

тРНК: ... —А—А—Г— – антикодон;

іРНК: ... —У—У—Ц— – кодон.

рРНК утворюють каркас, до якого приєднуються молекули білків рибо­сом. Вона специфічно пов’язується з комплементарними ділянками іРНК і тРНК і бере участь у процесі трансляції (зчитування інформації).

Мал. 3. Модель тривимірної будови тРНК

Транскрипція – процес перенесення генетичної інформації від ДНК до РНК. При цьому всі види РНК синтезуються відповідно до послідовності ос­нов ДНК, яка для РНК є матрицею. Транскрибується тільки один так званий «+ланцюг» ДНК. Синтез РНК – складний процес, який включає стадії ініці­ації (початок синтезу РНК), елонгації (нарощування ланцюга РНК) і термінації (кінець синтезу РНК). У результаті синтезу утворюється молекула-попередник – гетерогенна ядерна РНК. Для утворення зрілої іРНК вона під­лягає посттранскрипційному процесу – процесу дозрівання, під час якого відбувається модифікація по 5'-му і 3'-му положеннях ланцюга, сплайсинг (вилучення відповідних ділянок гена) і зшивання ділянок, скопійованих з екзонів ДНК. Так відбувається утворення зрілої іРНК.

Послідовність розміщення нуклеотидів у ДНК та іРНК визначає послі­довність включення амінокислот у поіліпетидний ланцюг. Ця відповідність лінійної будови обох хімічних систем (ДНК та іРНК) називається генетичним кодом. Код триплетний, тобто одній амінокислоті відповідають три нуклеотиди. Оскільки до складу ДНК входить 4 нітратних основи, а до складу біл­ка – 20 амінокислот, то

Мал. 4. Подвоєння молекули ДНК

триплетний код утворює 4 · 4 · 4 = 64 різних кодони. Наприклад, у послідовності АААЦАЦГАГГТТАТЦГТА перші три основи ААА кодують амінокислоту 1, далі: ЦАЦ – 2, ГАГ – З, ГТТ – 4, АТЦ – 5, ГТА – 6.

Генетичний код має такі характеристики:

а) триплетність – одну амінокислоту кодують три нуклеотиди, розмі­щені поруч (триплет в іРНК називають кодоном);

б) вродженість – кожну амінокислоту (крім метіоніну і триптофану) кодує більше, ніж один триплет;

в) колінеарність – послідовність триплетів нуклеотидів точно відпові­дає послідовності амінокислотних залишків у поліпептиді;

г) неперехресність – два розміщені поруч триплети (шість нуклеоти­дів) кодують лише дві амінокислоти;

ґ) універсальність – для неклітинних і клітинних форм життя.

Триплет АУТ в іРНК є стартовим кодоном, а кодони УАГ, УАА та УГА– кодонами-термінаторами (означають кінець синтезу поліпептиду). Тривалість синтезу однієї білкової молекули залежить від кількості аміно­кислот у її складі. У молекулі білка попередня амінокислота приєднується до наступної протягом 0,2 секунди (один «крок» рибосоми).

Трансляція – процес декодування іРНК, у результаті якого інформація з «мови» послідовності нуклеотидів іРНК перекладається на «мову» аміно­кислотної послідовності білків. Декодування здійснюється шляхом компле­ментарного зв’язку антикодону тРНК з кодоном іРНК. При цьому амінокис­лота, яку принесла із собою тРНК, шляхом пептидного зв’язку приєднується до поліпептидного ланцюга, що синтезується. Отже, схема послідовності пе­редачі спадкової інформації з ДНК на білок така:

ДНК: —ТТТ—ТЦГ—ТАЦ—ЦЦЦ—АЦЦ—

||| ||| ||| ||| |||

—ААА—АГЦ—АТГ—ГГГ—ТГГ—

іРНК:—УУУ—УЦГ—УАЦ-ЦЦЦ-АЦЦ—

тРНК: ААА АГЦ АУТ ГГТ УГГ

Білок:—фен—сер—тир—прол—трип—

Щоб визначити амінокислоту, кодовану тим чи іншим кодоном іРНК, слід скористатися додатком 1: першу літеру кодона знаходимо в стовпчику зліва, наступну – в одному із чотирьох центральних стовпчиків таблиці, а останню – у стовпчику справа. Провівши уявні лінії від кожної зі згаданих літер, знаходимо на їх перетині комірку, де поряд із шуканим кодоном є ско­рочений запис амінокислоти, яку він кодує. З наведених 64 кодонів 61 відпо­відає тій або іншій амінокислоті, а решта – сигнали термінації, їх ще називають нонсенс-кодонами, тому що вони не визначають ніякої амінокислоти. Якщо амінокислота кодується більше, ніж одним кодоном, то код виродже­ний. Як правило, у кодонів, які визначають одну й ту ж амінокислоту, перші дві нітратні основи (перші дві літери коду) однакові, а третя може бути ін­шою. Наприклад, ЦЦУ, ЦЦЦ, ЦЦА і ЦЦГ кодують пролін (під час розв’язування задач слід надавати перевагу першому кодону).

Для прикладу наведено розв’язання типової задачі. Відносну молекуля­рну масу низькомолекулярних білків обчислимо за даними амінокислотного складу. У цьому разі вибирають ту амінокислоту, вміст якої в білку мініма­льний. За даними елементарного та амінокислотного складу спочатку обчис­люють мінімальну відносну молекулярну масу за формулою:

де Mr – мінімальна відносна молекулярна маса білка;

Ar – відносна атомна або молекулярна маса компонентів;

w – масова частка компонента (%).

У будові молекули білка може бути один або кілька атомів металічного елемента (Fe, Zn, Cu тощо). Знаючи кількість атомів металічного елемента або амінокислотних залишків у молекулі, можна обчислити дійсну відносну молекулярну масу даного білка, помноживши мінімальну відносну молеку­лярну масу білка на кількість компонентів (амінокислот).