Добавил:
Sekretar
kiopkiopkiop18@yandex.ru
t.me/Prokururor I Вовсе не секретарь, но почту проверяю
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Ординатура / Хирургия / Библиотека им академика М.И. Перельмана / Книга_61_библиотеки_им_акад_М_И_Перельмана
.pdf
потрапляє у цитоплазму на ендоплазматичну сітку (ретикулюм), де
відбувається синтез білка.
Транспортні РНК (тРНК)
Молекули тРНК мають характерну вторинну структуру у формі листа
конюшини, яка утворюється внаслідок формування водневих зв‘язків між
комплементарними нуклеотидами в різних ділянках молекули. В цих
ділянках тРНК мають дуплексну структуру. Три такі структури
завершуються одноланцюговою петлею, в
середині котрих спарювання
нуклеотидів не відбувається. Одна з петель містить антикодон – триплет,
комплементарний якомусь кодону в іРНК. Структура деяких тРНК була
вперше розшифрована Р. Холлі в 1965 році в США і А.А. Баєвим в 1967
році в СРСР.
Рис. 4.8. Утворення тРНК
Рис. 4.9. Схема трансляції
У зв‘язку з виродженістю генетичного коду може існувати декілька
тРНК, які розпізнають різні кодони однієї амінокислоти, або ж антикодон
певної тРНК здатний поєднуватися з декількома кодонами. Міцні водневі
111
https://t.me/medicina_free
зв‘язки утворюють тільки два перших нуклеотиди кодону. Між 3‘-
нуклеотидом кодону і 5‘-нуклеотидом антикодону зв‘язок менш міцний.
На цьому заснована гіпотеза гойдання Ф. Кріка, приведена нижче.
Розпізнавання кодону антикодоном контролюється рибосомами.
Рибосоми рухаються вздовж іРНК в напрямку 5‘-3‘, зчитуючи кодони
шляхом приєднання до них аміноацил-тРНК, що несуть відповідні
антикодони. До кожної іРНК приєднується од
ночасно декілька рибосом,
розташованих взовж її молекули на відстані приблизно 90 нуклеотидів
один від одного. Такий трансляційний комплекс називають полірибо-
сомою або полісомою.
Трансляцію розділяють на етапи, аналогічні до етапів реплікації та
транскрипції: ініціація, елонгація, термінація.
.
Рис.4. 10. Схема прикріплення амінокислоти
до акцепторної частини тРНК
Ініціація – усі реакції до формування пептидного зв‘язку між
першими двома амінокислотами. У E.coli від ініціації транскрипції гену до
появи в клітині його іРНК проходить близько 2,5 хвилин, а відповідного
білка – ще 30 с. Ініціація синтезу поліпетидного ланцюга відбувається в
момент формування комплексу між іРНК, 30S субодиницею рибосомою і
формілметіоніл-тРНК.
Кожний крок елонгації включає три етапи: 1) впізнавання кодону; 2)
утворення пептидного зв‘язку; 3) транслокація.
Впізнавання код
ону полягає у зв‘язуванні антикодону чергової
молекули аміноацил-тРНК з кодоном вільної ділянки А на рибосомі.
Утворення поліпептидного ланцюга відбувається лише тоді, коли
дві ділянки, А і Р, зайняті молекулами аміноацил-тРНК. Частина 50S-суб-
112
https://t.me/medicina_free
частинки являє собою фермент пептидилтрансферазу, що каталізує утво-
рення пептидного зв‘язку. В результаті цієї реакції поліпептидний ланцюг,
що зростає, приєднується до тРНК ділянки А, а тРНК ділянки Р
звільнюється з комплексу з пептидом і несе на 3‘-кінці групу – ОН.
Транслокація включає три акти. Спочатку тРНК ділянки Р, не
пов‘язана з пептидом, за
лишає рибосому, потім молекула пептидил-тРНК
переходить з ділянки А на Р, після чого рибосома переміщується вздовж
мРНК на три нуклеотидних залишки в сторону 3‘-кінця. В результаті цих
трьох актів звільняється ділянка А і експонується черговий кодон, що
дозволяє початися наступному циклу елонгації.
Таким чином, стадія елонгації включає усі реакції від моменту
утворення першого пептидного зв‘язку до приєднання до поліпептиду
останньої амінокислоти. У прокаріоті
в етап елонгації йде дуже швидко.
При 37
о
С у поліпептид за 1 с включається у середньому 15 амінокислот.
Якщо середній розмір гена становить 1000 п.н., синтез білка, який він
кодує з 300 амінокислот здійснюється лише за 20 с. При цьому у синтезі
білка бере участь одночасно до 80 % усіх клітинних рибосом. У еукаріотів
швидкість синтезу білка нижче: протягом 1с за 37
о
С у ланцюг
включаються приблизно 5 амінокислот.
На стадії термінації трансляції повністю синтезований поліпептид
звільняється від кінцевої тРНК, а рибосоми відходять від іРНК. Коли один
з термінуючих кодонів (УАГ, УАА, УГА) виявиться в сайті А, весь
комплекс розпадається, рибосома дисоціює на дві вихідні субодиниці,
здатні в подальшому до нового об‘єднання.
Синтезована іРНК транслюється в послідовність амінокислот,
утворюючи поліпептидний ланцюг. Генетичний код – система запису
чергування послідовностей нук
леотидів. Оскільки код читається по іРНК,
він записується за допомогою чотирьох азотистих основ РНК (А,Г,Ц,У).
Рис. 4.11. Будова тРНК
113
https://t.me/medicina_free
Одиниця генетичної інформації, яка визначає котра з амінокислот
буде вбудовуватися в молекулу білка, що синтезується, отримала назву
кодону або триплету.
Генетичний код має такі властивості: триплетний, неперервний, не-
перекривний, вироджений або надлишковий, універсальний.
Генетичний код читається групами по три нуклеотиди, тобто код
триплетний. Кожний кодон кодує одну амінокислоту, кожний триплет
називається кодоном (див. Додаток 12).
Неперервність код
у – триплети в нуклеїнових кислотах слідкують
один за одним без якихось перерв.
Код неперекривний. Основні закономірності організації генетичного
коду були відкриті у 1961 році. Френсіс Крік і його колеги показали, що
код читається триплетами, які не перекриваються, з фіксованої стартової
точки.
Неперекривання полягає у тому, що кожний кодон склад
ається з трьох
нуклеотидів і кожний наступний представлений наступними трьома
нуклеотидами.
Нуклеотидна послідовність, котра починається з ініціюючого кодону,
ділить наступні нуклеотиди на триплети, що кодують амінокислоти, і
закінчується термінуючим кодоном – рамка зчитування. Код не містить
розділових знаків.
Генетичний код є виродженим, в тому розумінні, що одній аміно-
кислоті може відповідати декілька кодонів (табл. 4.2). Один кодон
відповіда
є лише метіоніну і триптофану, решта амінокислот мають більше
одного кодона. З трьох нуклеотидів кодону переважне значення мають два
перших нуклеотиди, третій може варіювати. Найбільшу кількість кодонів
мають серин і лейцин, яких багато в білках. У зв‘язку з такою виродженіс-
тю коду різні нуклеотидні послідовності мож
уть при трансляції давати
однаковий амінокислотний ланцюг. Однак синонімічні кодони використо-
вуються не з однаковою частотою. Для того, щоб визначити кількість
можливих варіантів нуклеотидних послідовностей, що кодують один аміно-
кислотний ланцюг, потрібно перемножити числа, що відповідають кількості
кодонів. Якщо ми знаємо послідовність нуклеотидів, то можемо однозначно
визначити послідовність амінокислот білка, зворотне зробити нем
ожливо.
Таблиця 4.2. Кількість різних кодонів, що кодують амінокислоти
Кількість
різних кодонів
Амінокислотні залишки
6 Аргінін, лейцин, серин
4 Аланін, гліцин, пролін, треонін, валін,
3 Термінуючі кодони
2
Аспарагінова кислота, аспарагін, цистеїн, глютамін,
гістидин, лізин, фенілаланін, тирозин
1 Метіонін, триптофан
114
https://t.me/medicina_free
Генетичний код універсальний, в тому розумінні, що певному кодону
відповідає певна амінокислота. Однак, по мірі розширення кола об’єктів
молекулярної генетики, стали накопичуватися виключення, що зробили
код "квазіуніверсальним" (частка квазі від латинського ніби, майже,
немовби). Стосується це, перш за все, мітохондріальних геномів. У
мітохондріях різних видів організмів кодон УГА не є термінуючим, а та
к
само, як і УГГ кодує триптофан, кодони АГА і АГТ не кодують аргінін, а є
термінаторами, АУА і АУУ – ініціюючі.
Кодони АУГ і ГУГ називають ініціюючими. Вони визначають
правильний початок синтезу генного продукту за трансляції іРНК. Ці
кодони розташовані на межі послідовностей іРНК, що списуються з
регуляторної і структурної частин гена. Вони вказуют
ь точку, від якої
починається синтез поліпептидного ланцюга, оскільки регуляторна
частина гена не транслюється. Термінуючі або нонсенс (беззмістовні,
безглузді) кодони – УАА, УАГ, УГА, які визначають закінчення синтезу
поліпептидного ланцюга.
Гіпотеза "гойдання" запропонована Ф. Кріком для пояснення
виродженості коду за третім положенням основи в кодоні. Ця гіпотеза
полягає в тому, що відповідність третьої основи кодону першій основі
антикодону тРНК є несуворою. Част
о перша основа в антикодоні тРНК
буває зайнята незвичною основою – інозином (I), який може утворювати
водневі зв‘язки з У, Ц або А, що знаходяться в кодоні в третьому
положенні.
Таблиця 4.3. Схема взаємодії кодонів та антикодонів за гіпотезою
гойдання
Перша основа анти
кодону Третя основа кодону
I У, С або А
У А або Г
Г Ц або У
Рамка зчитування задає положення першої основи кодону мРНК
(або в ДНК – гена). Оскільки код триплетний, число можливих рамок
зчитування дорівнює трьом. Звичайно білок синтезується лише за однієї
рамки зчитування, але деякі віруси використовують дві або три рамки
зчитування, при цьому синтезують різні білки. Приклад – білки К,С,А
генів вірусу G4.
Завдання
Завдання 1. В робочому зошиті дайте визнач
ення основним поняттям
за темою заняття: реплікація, реплікативна галузка, праймер, лідерний
ланцюг, відстаючий ланцюг, точка орі, фрагмент Оказаки, ДНК-
полімераза, компліментарність, антипаралельність.
Завдання 2. Зобразіть схему реплікації ДНК, позначивши її основні
етапи.
115
https://t.me/medicina_free
Завдання 3. Зобразіть схему реплікативної галузки. Позначте на ній
напрями синтезу ДНК, фрагменти Оказаки, праймери, вкажіть відстаючий,
лідерний ланцюги.
Завдання 4. Зобразіть схему реплікативної вилки. Вкажіть основні
ферменти, що беруть участь в реплікації.
Завдання 5. Покажіть, якою буде доповнюючи ділянка гена після
його реплікації з такою послідовністю нуклеотидів АГЦ-ТАА-ГЦА-ЦГЦ-
ЦГЦ-ГГА-ГЦЦ-ТАА.
Лабораторна робота 4.3. Транскрипція, процесинг, спл
айсинг
Мета заняття: Ознайомлення з основними етапами транскрипції
Матеріали та обладнання: таблиці, схеми транскрипції
Методичні вказівки: Зобразіть схему центральної догми
молекулярної біології, позначивши основні етапи синтезу білка.
Ознайомтесь з основними закономірностями й етапами транскрипції,
процесингу, сплайсингу. Зобразіть схеми транскрипції, процесингу,
сплайсингу.
Завдання 1. В робочому зошиті зобразіть схему центральної догми
молекулярної біології.
Завдання 2. Зобразіть схему будови ге
на.
Завдання 3. Вкажіть послідовність нуклеотидів і-РНК після
транскрипції гена, якщо послідовність нуклеотидів ДНК була такою: АГЦ-
ГЦГ-ГАА-ЦГЦ-АТГ-ТТТ-АЦГ-АЦЦ
Завдання 4. Зобразіть схему зворотної транскрипції.
Завдання 5. Молекулярна маса гена 1,5 млн. у.о. молекулярна маса
нуклеотиду 300 у.о.м. Вк
ажіть скільки кодонів має і-РНК, яка утворилася
при транскрипції з цього гена.
Завдання 6. Зобразіть схему процесингу РНК, позначивши інтрони,
екзони, кеп та полі-А хвіст.
Завдання 7. В робочому зошиті складіть глосарій з термінів:
транскрипція, процесинг, сплайсинг, поліаденілювання, інтрон, екзон.
Лабораторна робота 4.4. Трансляція. Генетичний код. Властивості
гена
Мета заняття: Ознайомлення з основними етапами трансляції.
Вивчити поняття генетичного коду. Проведен
ня моделювання синтезу
первинного білка.
Матеріали та обладнання: таблиці та схеми синтезу білка,
генетичного коду.
Методичні вказівки: Розгляньте принципи й етапи трансляції.
Змоделюйте синтез білка та пов‘язані з ним основні типи генних мутацій.
116
https://t.me/medicina_free
Завдання
Завдання 1. В робочому зошиті зобразіть схематично процес синтезу
первинного білка, позначивши рибосоми, мРНК, тРНК, поліпептидний
ланцюг, амінокислоти.
Завдання 2. Вкажіть послідовність амінокислот, яка закодована у
фрагменті гена, що має таку послідовність нуклеотидів: ЦАЦ-ГАЦ-ГГА-
АТА-ТАТ-АГЦ-ЦГГ
Скільки відбудеться змін у поліпептидному ланцюзі, якщо в гені
відбудеться дуплікація третього нуклеотиду ?
Завдання 3. Які зм
іни відбудуться в поліпептидному ланцюзі, якщо в
гені під впливом радіації відбулась перестановка між четвертим і п’ятим
нуклеотидами ?
Ділянка гена має таку послідовність:
ДНК АГАТАЦГАЦТАГЦГАТААГЦАГЦЦАТ
Завдання 4. Визначте, що важче ген чи білок, що ним кодується (і в
скільки разів), якщо молекулярна маса нуклеотида 300, амінокислоти 100
у.о.м?
Завдання 5. Які зм
іни відбудуться в поліпептидному ланцюзі, якщо в
гені під впливом радіації відбулася делеція третього нуклеотиду. Ділянка
гена має наступну послідовність нуклеотидів:
ДНК ТТГ-ГГГ-АЦТ-АГА-ЦГА-АТА-АТГ-ЦГА
Завдання 6. Визначте один з можливих варіантів послідовності
нуклеотидів ділянки молекули ДНК, де закодований поліпептид з
наступною послідовністю амінокислотних зали
шків:
лізин – аргінін – тирозин – серин – валін – треонін – аспаргін
Вкажіть скільки варіантів ДНК можуть кодувати цю амінокислотну
послідовність.
Завдання 7. Визначте яку довжину має ділянка ДНК, що кодує
поліпептидний ланцюг з молекулярною масою 5000 у.о.м.
Завдання 8. Опишіть властивості генетичного коду.
Завдання 9. Дайте визначення поняттю "ген".
Завдання 10. Опишіть власти
вості гена.
Завдання 11. Замалюйте схематично і опишіть етапи взаємодії і-РНК
та тРНК. Позначте основні складові тРНК.
Завдання 12. В робочому зошиті складіть глосарій з термінів:
трасляція, промотор, оперон, імпринтинг, ацетилювання гістонів,
сайленсер, енхансер, інсулятор.
Індивідуальні завдання
І. Кожен студент, відповідно до номера запису його прізвища у
груповому журналі, бере відповідний номер послідовності одного з
ланцюгів ДНК у таблиці Додатку 13 і письмово відповідає на наступні
запитання:
1. Яким буде компліментарний ланцюг ДНК після його реплікації?
117
https://t.me/medicina_free
2. Якою буде і-РНК, після транскрипції?
3. Скільки гуанілових нуклеотидів буде в реплікованому ланцюзі?
4. Скільки і які амінокислоти кодує ДНК? (використовуючи таблицю
генетичного коду Додатка 12)
5. Скільки аденілових нуклеотидів буде в і-РНК?
6. Скільки триплетів налічує і-РНК?
7. Скільки кодогенів налічується в даному фрагменті ДНК?
8. Скільки типів т-РНК (за типом антик
одонів) братимуть участь у
трансляції спадкової інформації з цієї ділянки гена?
ІІ. Кожний студент, відповідно до номера запису його прізвища у
груповому журналі, бере аналогічний номер поліпепдиного ланцюга із
таблиці Додатка 14 і письмово відповідає на наступні запитання
використовуючи таблицю генетичного коду Додатка 12:
1. Які кодони РНК мо
гли б кодувати цей фрагмент молекули білка?
2. Яка послідовність ДНК кодує цей фрагмент молекули білка?
3. Скільки типів т РНК бере участь у трансляції?
4. Яка молекулярна маса гена, що кодує цей фрагмент молекули
білка, якщо молекулярна маса одного нуклеотиду 300 у.о.м.?
5. Яка довжина гена, що кодує цей фрагмент молекули білка, якщ
о
розмір нуклеотида дорівнює 3,4 А?
Контрольні запитання
1. Опишіть будову і функції ДНК.
2. Дайте характеристику різним типам РНК, їх будові, функціям,
відмінностям від ДНК.
3. Поясніть сучасне уявлення про структуру і функцію генів.
4. Опишіть генетичний код і дайте характеристику його
властивостей.
5. Поясніть суть явища синтезу білків у клітині.
6. Поясніть суть понять транскрипція, трансляція, колінеарність.
7. Поясніть суть понять сплайсинг, екзони, інтрони.
Приклади розв’язування задач
Задача 1. Молекула ДНК містить 40% аденіну. Яку частку (у
відсотках) становлять інші азотисті основи цієї молекули?
Згідно з правилом Чаргаффа у молекулі ДНК кількість залишків
аденілових нуклеотидів дорівнює кількості тимідилових (Т), а кількість
залишків гуанілових нуклеотидів – кількості цитидилових (Ц). Таким
чином, кі
лькість залишків тимідилових нуклеотидів дорівнює також 40%,
відповідно кількість гуанілових і цитидилових в сумі – 100%-
(40%+40%)=20%, окремо – 10% - Ц, 10%-Г.
Відповідь. А-40%, Т-40%, Г-10%, Ц-10%.
118
https://t.me/medicina_free
Задача 2. Яку молекулярну масу і довжину має молекула ДНК, до
складу якої входить 2000 аденілових нуклеотидів і 2000 молекул
цитозину?
Згідно з правилом Чаргаффа, молекула ДНК складається з 2000
аденілових нуклеотидів і 2000 тимідилових, 2000 – цитидилових і 2000
гуанілових.
Визначимо загальну кількість нуклеотидів в молекулі:
2000+2000+2000+2000=8000.
Оскільки середня молекулярна маса одного нуклеотиду дорівнює 345
у.о.м., тоді, М(ДНК)=8000х345=2760000 у.о.м.
Відстан
ь між двома сусідніми нуклеотидами – 0,34 нм. Довжина
молекули ДНК визначається кількістю нуклеотидів в одній спіралі:
8000:2=4000 – кількість нуклеотидів в одній спіралі
4000х0,34=1360 нм – довжина спіралі ДНК
Відповідь. Молекулярна маса 2760000 у.о.м., а довжина - 1360 нм.
Задача 3. Один з ланцюгів ДНК має наступну будову:
АГГ-ГГЦ-АТТ-ЦАЦ-ААА-АТЦ. Як
а послідовність нуклеотидів у
другому ланцюзі цієї молекули ДНК?
Послідовність нуклеотидів у другому ланцюзі ДНК визначається у
відповідності до принципу комплементарності:
АГГ-ГГЦ-АТТ-ЦАЦ-ААА-АТЦ
ТЦЦ-ЦЦГ-ТАА-ГТГ-ТТТ-ТАГ
Задача 4. Визначте один з можливих варіантів послідовності
нуклеотидів ділянки молекули ДНК, де закодован
ий поліпептид з
наступною послідовністю амінокислотних залишків: аргінін-лізин-серин-
валін-тирозин-аспарагін-треонін. Скільки варіантів ДНК, які кодують цю
амінокислотну послідовність існує?
1. Згідно з таблицею генетичного коду (див. Додаток 12) визначаємо
послідовність РНК, яка кодує цей поліпептид:
пролін-валін-серин-лізин-тирозин-аспарагін-аргінін
ЦЦУ –– ГУУ –– УЦУ –– ААА – УАУ – ГАУ – АГА
2. Оскільки синтез іРН
К йде на одному з ланцюгів ДНК, то склад ДНК
є комплементарним до іРНК:
іРНК: ЦЦУ –– ГУУ –– УЦУ –– ААА –– УАУ –– ГАУ –– АГА
ДНК: ГГА –– ЦАА –– АГА –– ТТТ –– АТА –– ЦТА –– ТЦТ
3. За таблицею Додатка 12 визначаємо, скільки варіантів триплетів
відповідає кожній з амінокислот ланцюга:
пролін-валін-серин-лізин-тирозин-аспарагін-аргінін
4 - 4 - 6 - 2 - 2 - 2 - 6
Кількість імовірних варіантів визначаємо, помноживши кількість
варіантів, можливих для кодування кожного амінокислотного залишку
поліпептиду:
4х4х6х2х2х2х6 = 4608
119
https://t.me/medicina_free
Відповідь. 1.Один з можливих варіантів ДНК, що кодує
поліпептидний ланцюг:
ГГА –– ЦАА –– АГА –– ТТТ –– АТА –– ЦТА –– ТЦТ
ЦЦТ –– ГТТ –– ТЦТ –– ААА –– ТАТ –– ГАТ –– АГА
2. Всього можливо 4608 варіантів.
Задача 5. Яку довжину має ділянка ДНК, що кодує поліпептидний
ланцюг з молекулярною масою 8000?
1. Визначимо кількість амінокислот у ланцюгу. Відомо, що середня
молекулярна маса однієї амінокислоти станови
ть 100 у.о.м. Таким чином,
загальна кількість амінокислот, які складають даний поліпептид:
8000:100=80.
2. Встановимо кількість нуклеотидів, що кодують таку кількість
амінокислот:
80х3=240.
3. Порахуємо довжину ланцюга, помноживши кількість амінокислот
на три (кількість нуклеотидів у триплеті іРНК та в одному лнцюці ДНК):
240х0,34=81,6 нм.
Відповідь. Довжина ділянки ДНК, що кодує пол
іпептидний ланцюг з
молекулярною масою 8000 становить 81,6 нм. Слід зазначити, що до
складу гену можуть входити некодуючі ділянки (інтрони, термінуючі
кодони, а також регуляторні ділянки – промотори).
Задачі для самостійного розв’язування
4.1.1. *Один ланцюг молекули ДНК має таку послідовність нуклеотидів:
ТГА – ЦЦА – ГАТ – АЦТ – ЦГА – ТТТ – АЦГ. Яку послідовність
нуклеотидів має другий ланцюжок цієї самої молекули?
4.1.2. *Білок кодується наступною послідовністю нуклеотидів ДНК:
ТГТ–ТАТ–ТАТ–ГАА–ГАТ–ТГТ–ЦЦТ–ГАА–ГГТ.
Визначте послідовність РНК після транскрипції. За допомогою
додатка 6 встановіть послідовність амінокислот білку.
4.1.3. *Які триплети за генетичним кодом відповідають амінокислотам:
тирозин, метіонін, валін, аргінін? Скількома типами триплетів
можна закодувати наступну послідовність амінокислот: валін-
тирозин-триптофан-аргінін-валін-метіонін? (див. Додаток 12).
4.1.4. *Скільки амінокислот закодовано в ланцюжку ДНК, яка
складається з 1800 пар нуклеотидів, якщо в ній не міститься
неінформативних послідовностей?
4.1.5. *Фермент ДНК – полімераза синтезує комплементарний ланцю-
жок по ДНК-матриці. Визначте послідовність азотистих основ у
синтезованому ланцюгу, виходячи з такої послідовності їх у
120
https://t.me/medicina_free
Соседние файлы в папке Библиотека им академика М.И. Перельмана