биология. Навчально-методичний посібник 2022-2023 (1). Навчальнометодичний посібник для студентів фармацевтичних факультетів спеціальності Фармація, промислова фармація
 Скачать 2.45 Mb.
|
|
ТЕМА: ХАРАКТЕРИСТИКА НУКЛЕЇНОВИХ КИСЛОТ. БІОСИНТЕЗ БІЛКА 2. Актуальність теми. Нуклеїнові кислоти забезпечують процеси синтезу білка, а цим, в свою чергу, визначається характер обміну речовин, закономірності росту та розвитку, явища спадковості та мінливості. Порушення у структурі нуклеїнових кислот призводять до патологічних змін організму. Біосинтез білка – це універсальний для всіх живих організмів вид пластичного обміну. Біосинтез білка забезпечує процеси самооновлення організму. Порушення біосинтезу білка відбувається через недостатнє забезпечення поживними речовинами та за наявності низки патологічних станів. 3. Мета заняття. Вивчити структуру ДНК. Вивчити будову різних видів РНК. Вивчити принципи перебігу основних молекулярно – генетичних процесів в клітині: реплікації, транскрипції та репарації. Навчитися користуватися таблицею генетичного коду. Вивчити особливості процесу трансляції та її етапи. 4. Завдання для самостійної роботи під час підготовки та проведення заняття. 4.1. Теоретичні питання до заняття: 1. Характеристика нуклеїнових кислот: ДНК та РНК. 2. Реплікація та репарація ДНК. 3. Ген як одиниця спадкової інформації. 4. Генетичний код, його властивості. 5. Біосинтез білка та його етапи. 22 Розрізняють два види нуклеїнових кислот: ДНК та РНК. Рис.4 Будова нуклеїнових кислот ДНК – це біополімер, який складається з двох спірально закручених, антипаралельних ланцюгів. Мономер молекули ДНК – нуклеотид. Нуклеотид ДНК складається із залишків: • Азотистих основ – аденіна (А), тиміна (Т), цитозина (Ц), гуаніна (Г); • Дезоксирибози (С 5 Н 10 О 4 ); • Фосфорної кислоти (Н 3 РО 4 ); Між нуклеотидами одного ланцюга – ковалентний зв'язок (дезоксирибоза – фосфорна кислота). Модель ДНК у 1953 р. запропонували Д.Уотсон та Ф.Крік. Вони встановили, що нуклеотиди двох ланцюгів з'єднуються водневими зв'язками. Ці зв'язки виникають між комплементарними нуклеотидами: А та Т – два зв'язки, Г и Ц – три зв'язки. Е. Чаргафф встановив, що в молекулі ДНК кількість аденіну дорівнює кількості тиміну, а кількість гуаніну – кількості цитозину, тобто А=Т та Г=Ц. Звідси висновок, що А+Г=Т+Ц. Співвідношення Г+Ц / А+Т у різних видів відрізняється та називається коефіцієнтом специфічності. Для бактерій він дорівнює 0,45 – 0,28, а для рослин, тварин та людини – 0,45 – 0,94. 23 ДНК знаходиться в цитоплазмі прокаріот, в ядрі, мітохондріях, пластидах еукаріот. Функції ДНК: • Зберігає спадкову інформацію; • Передає спадкову інформацію. Властивості ДНК: • Здатність до самоподвоєння (реплікації). Реплікація відбувається в S- періоді інтерфази. • Репарація(лат."відновлення") – самоліквідація пошкоджених ділянок ДНК. РНК – це біополімер, який складається з одного ланцюга. Мономер молекули РНК – нуклеотид. Нуклеотид РНК складається із залишків: • Азотистих основ – аденіну (А), урацилу (У), цитозину (Ц), гуаніну (Г); • Рибози (С 5 Н 10 О 5 ); • Фосфорної кислоти (Н 3 РО 4 ); Розрізняють три типи РНК, які відрізняються будовою та функціями: • Матрична РНК (мРНК) чи інформаційна (іРНК) – переносить інформацію від ДНК до місця синтезу білка. • Транспортна РНК (тРНК) – складається з 75 – 90 нуклеотидів, має форму листка конюшини. Вона приєднує та транспортує амінокислоти до місця синтезу білка. У клітині є 61 вид тРНК. • Рибосомальна РНК (рРНК) – крупна молекула (3000-5000 нуклеотидів), входить до складу рибосом. Існує всього три види рРНК. Реплікація ДНК Відбувається напівконсервативним шляхом перед поділом клітини. Рис.5. Реплікація ДНК 24 За допомогою ферментів ланцюги материнської молекули розкручуються, руйнуються водневі зв’язки. До материнських ланцюгів комплементарно приєднуються вільні нуклеотиди. Утворюються дві дочірні молекули ДНК. В процесі реплікації беруть участь різні ферменти: −ДНК-топоізомерази розкручують молекулу; −ДНК-полімераза та ДНК-праймаза каталізують утворення нових ланцюгів; −ДНК-лігази – руйнують РНК-затравки. −Швидкість реплікації ДНК складає 50 нуклеотидів у секунду (у еукаріотів) і до 2000 нуклеотидів у секунду (у прокаріотів). Етапи реплікації: 1. Ініціація: a) розпізнавання точки ініціації (особлива послідовність нуклеотидів) b) розкручування молекули ДНК. 2. Елонгація: нарощування ланцюга ДНК шляхом приєднання нуклеотидів до 3́ʹ кінця ланцюга. Таким чином, утворюються нові ланцюги ДНК за участю ферменту ДНК-полімерази в присутності іонів металів Mg 2+ або Mn 2+ 3. Термінація: завершення процесу реплікації. Кожний дочірній ланцюг ДНК скручується з материнським ланцюгом у подвійну спіраль. Так утворюються дві молекули ДНК ідентичні до материнської. Вони формуються окремими фрагментами (репліконами) по довжині хромосоми. Репарація – це здатність клітин до виправлення пошкоджень у молекулі ДНК. Ген – це одиниця спадковості організмів. Вперше одиницю спадковості назвав «спадковим фактором» Г. Мендель у 1868 р. У 1909 р. І. Йогансен ввів у науку термін «ген» для позначення одиниці спадковості. Т. Морган та його колеги вважали, що «ген» - це ділянка хромосоми, яка відповідає за проявлення певної ознаки. Тільки коли вчені довели, що гени складаються із ДНК, з’явилось визначення: «ген – лінійна ділянка ДНК, що кодує білок». Потім встановили, що не всі гени кодують білки. Також було встановлено, що гени еукаріот переривчасті. Вони мають кодуючі ділянки – екзони та некодуючі – інтрони. Є гени, які можуть змінювати своє положення у хромосомах (транспозони). Структура генів дуже складна, тому сучасне визначення гена наступне: 25 Ген – це ділянка ДНК, яка є необхідною і достатньою для повноцінного синтезу функціональної молекули РНК. Структурна одиниця гена – пара нуклеотидів. Ген – це ділянка ДНК, що включає: a) промотор – частина гена, до якої приєднується фермент транскрипції (РНК-полімераза); b) ділянка, що транскрибується (кодуюча частина гена). Містить інформацію про послідовність нуклеотидів у молекулі РНК; c) термінатор – частина гена, що дає сигнал про завершення транскрипції. У генотипі будь-якого організму є структурні та регуляторні гени. Структурні гени обумовлюють синтез білків, тРНК, рРНК, мікро-РНК, а гени-регулятори впливають на активність структурних генів. Класифікація генів: 1. активні в усіх клітинах (гени реплікації, транскрипції, трансляції та ін.) 2. активні у клітинах певного типу, більшість генів у яких репресована. Спадкова інформація записується в молекулах нуклеїнових кислот за допомогою генетичного коду. Це послідовність нуклеотидів, яка визначає порядок розташування амінокислот у поліпептиді. Властивості генетичного коду 1. Триплетність (кожна амінокислота в поліпептиді кодується трьома нуклеотидами у ДНК); 2. Надмірність (одну амінокислоту можуть кодувати декілька різних триплетів); 3. Однозначність (кожний триплет кодує одну певну кислоту); 4. Універсальність (код однаковий для всіх організмів); 5. Колінеарність (послідовність триплетів визначає порядок розташування амінокислот); 6. Унікальність (розташування кодонів в ДНК притаманне тільки певному організму); 7. Лінійність (триплети розташовані лінійно); 8. Неперервність (між нуклеотидами відсутні фізичні інтервали); 9. Неперекривність (в молекулі ДНК кожний нуклеотид входить лише до якогось одного кодону); 10. Стартовість (синтез поліпептиду починається з триплету АУГ); 11. Термінація (кінець синтезу поліпептиду; це «стоп-кодони»: УАА, УАГ, УГА,). 12. Однонаправленість (зчитування інформації відбувається тільки у напрямку від 5ʹ-кінця до 3ʹ-кінця). 26 Генетичний код Перша основа Друга основа Третя основа У Ц А Г У Фенілаланін Фенілаланін Лейцин Лейцин Серин Серин Серин Серин Тирозин Тирозин «Стоп» «Стоп» Цистеїн Цистеїн «Стоп» Триптофан У Ц А Г Ц Лейцин Лейцин Лейцин Лейцин Пролін Пролін Пролін Пролін Гістидин Гістидин Глутамін Глутамін Аргінін Аргінін Аргінін Аргінін У Ц А Г А Ізолейцин Ізолейцин Ізолейцин Метіонін Треонін Треонін Треонін Треонін Аспарагін Аспарагін Лізин Лізин Серин Серин Аргінін Аргинин У Ц А Г Г Валін Валін Валін Валін Аланін Аланін Аланін Аланін Аспарагінова к-та Аспарагінова к-та Глутамінова к-та Глутамінова к-та Гліцин Гліцин Гліцин Гліцин У Ц А Г Біосинтез білків Процес біосинтезу білка в еукаріотів можна представити у вигляді схеми ДНК – про-іРНК – іРНК – поліпептидний ланцюг – білок. Рис.6. Схема біосинтезу білка Етапи біосинтезу білків: Транскрипція (лат. transcriptio - переписування).Це синтез в ядрі клітини молекули-попередниці іРНК (про-іРНК) за програмою ДНК. Транскрипція проходить в три етапи: ініціація, елонгація, термінація. 27 Рис.7. Схема транскрипції 1. Ініціація. Під дією ферменту подвійна спіраль ДНК розкручується. Фермент РНК-полімераза приєднується до промотора ДНК та із вільних нуклеотидів починається синтез про-іРНК 2. Елонгація – процес нарощування полінуклеотидного ланцюга. 3. Термінація – закінчення синтезу про-іРНК, коли фермент досягає стоп кодону (АГТ, АЦТ або АТЦ). Ділянка ДНК, що містить промотор, послідовність нуклеотидів, що транскрибуються і термінатор, називається транскриптоном. Процесинг – дозрівання РНК. У еукаріот, в процесі дозрівання про-іРНК, спеціальні ферменти видаляють інтрони – інертні ділянки та зшивають екзони – кодуючі ділянки. Процеси, пов’язані із дозріванням іРНК, називаються процесингом. Процес зшивання кодуючих ділянок – екзонів за допомогою ферментів лігаз, називається сплайсингом. Утворюється іРНК або мРНК. Із ядра вона надходить до рибосом ЕПС. Трансляція. Це синтез поліпептиду за програмою мРНК. Трансляцію розділяють на 3 етапи: ініціація, елонгація, термінація. 1. Ініціація 1) мРНК з'єднується з малою субодицею рибосоми. 2) До стартового кодону мРНК (АУГ) комплементарно приєднується своїм антикодоном (УАЦ) тРНК(1) з амінокислотою (метіонін). Реакція приєднання амінокислоти до тРНК називається рекогніцією. Між кодоном и антикодоном формуються водневі зв'язки. Утворюється комплекс ініціації: мала субодиниця рибосоми+і-НК+тРНК+метіонін. 3) До цього комплексу приєднується велика субодиниця рибосоми. Утворюється функціонально активна рибосома. В рибосомі одночасно можуть знаходитися тільки два кодони мРНК. 2. Елонгація – процес подовження пептидного ланцюга. 1) До другого кодону комплементарно приєднується наступна тРНК(2) з 28 певною амінокислотою. Між двома амінокислотами утворюється пептидний зв'язок. 2) тРНК(1), яка прийшла раніше, виходить з рибосоми і може приєднувати нову амінокислоту. 3) мРНК і тРНК(2) з дипептидом переміщується в рибосомі на один кодон. До третього кодону мРНК підходить тРНК(3) з амінокислотою і т.д. 3. Термінація – закінчення синтезу та вивільнення поліпептиду. Нарощування ланцюга продовжується до «стоп-кодону». Рис.8. Схема трансляції Посттрансляційна модифікація. Синтезований поліпептид потрапляє в цитоплазму, порожнину ЕПС або апарат Гольджі, де завершується формування білкової молекули. В процесі дозрівання відбуваються просторові та хімічні перетворення (білок набуває вторинної, третинної або четвертинної структури) і становиться активним білком. Процес синтезу білка потребує великих витрат енергії АТФ. Результатом участі білків в метаболізмі є розвиток ознак. Рис.9. Посттрансляційна модифікація білків 29 4.2. Матеріали для самоконтролю: 1. Функції ДНК: A. Синтез білка B. Триплетність C. Специфічність D. Збереження спадкової інформації E. Синтез вуглеводів 2. Вкажіть речовини, які входять до складу одного нуклеотиду. A. Пентоза, залишок фосфорної кислоти, азотиста основа B. Гексоза, залишок фосфорної кислоти, азотиста сполука C. Амінокислота, фосфатна група, тимін D. Триоза, азотиста кислота, урацил E. Тетроза, фосфатна група, аденін 3. Яке твердження є вірним? ДНК – це: A. Одноланцюгова, спірально закручена молекула B. Дволанцюгова, антипаралельна, лінійна молекула C. Дволанцюгова, паралельна, спірально закручена молекула D. Дволанцюгова, антипаралельна, спірально закручена молекула 4. Відновлення пошкодженої ділянки молекули ДНК за допомогою специфічного ферменту по непошкодженому ланцюгу. Це явище має назву: A. Репарація B. Дуплікація C. Реплікація D. Ініціація E. Термінація 5. Чому генетичний код універсальний? A. Містить інформацію про будову білка B. Триплетний C. Єдиний для всіх організмів D. Кодує амінокислоти E. Колінеарний 6. Одна амінокислота кодується: A. Одною азотистою основою B. Двома азотистими основами C. Трьома азотистими основами D. Одним поліпептидом E. Двома поліпептидами 7. Два полінуклеотидних ланцюги ДНК з'єднуються між собою: A. Пептидними зв'язками B. Водневими зв'язками C. Енергетичними зв'язками D. Іонними зв'язками E. Ковалентними зв'язками 8. У процесі транскрипції у еукаріот відбувається: A. Синтез іРНК B. Синтез поліпептиду C. Синтез вуглеводів D. Синтез про-і-РНК E. Репарація ДНК 9. Назвіть етапи синтезу білкової молекули у еукаріот: A. Транскрипція, процесинг, трансляція, сплайсинг, посттрансляційна модифікація. B. Транскрипція, трансляція, посттрансляційна модифікація, сплайсинг C. Транскрипція, процесинг, трансляція, посттрансляційна модифікація 30 D. Трансляція, транскрипція, процесинг, посттрансляційна модифікація E. Транскрипція, трансляція, сплайсинг, процесинг, посттрансляційна модифікація 10. В яких органоїдах клітини пептидний ланцюг перетворюється на білок? A. Клітинний центр B. Лізосоми C. Вакуолі D. Пластиди E. Комплекс Гольджі Протокол практичного заняття Дата_______ Робота №1. Будова фрагмента молекули ДНК Зарисуйте схему будови фрагмента молекули ДНК (2-3 пари нуклеотидів). Позначте один нуклеотид і назвіть його складові, а також хімічні зв’язки між ними. Робота №2. Етапи біосинтезу білка еукаріотів. Дайте назву процесам та вкажіть де вони відбуваються. 1. ДНК → про-іРНК – ... 2. про-іРНК → мРНК – ... 3. мРНК → субодиниці рибосом – ... 4. тРНК → аміноацил тРНК – ... 5. рибосома + мРНК + аміноацил тРНК → поліпептид – ... 6. поліпептиди → специфічні білки з різними функціями – ... 31 Робота №3. Розв'язування задач Розв’яжіть задачі: 1) Фрагмент кодуючого ланцюга ДНК має такий нуклеотидний склад: Г–Г– Г–Ц–А–Т–А–А–Ц–Г–Ц–Т. Визначте: а) послідовність розміщення нуклеотидів у некодуючому ланцюзі ДНК та вміст (у відсотках) кожного нуклеотида в даному фрагменті; в) довжину і масу фрагмента, якщо молекулярна маса нуклеотида – 345 а.о.м., а довжина – 0,34 нм. Рішення: 2) Фрагмент молекули ДНК містить 248 цитидилових нуклеотидів, що складає 30% їх загальної кількості. Скільки нуклеотидів кожного виду містить ген? Рішення: 3) Некодуючий ланцюг молекули ДНК має таку будову: АЦЦ ГАТ ТАТ ЦЦА АГЦ ТГЦ. Визначте будову відповідної частини молекули білка, синтезованої за участю кодуючого ланцюга ДНК. Рішення: Дата і підпис викладача____________________________________________ 32 Питання для обговорення: 1. У штучне поживне середовище внесли мічений урацил і через деякий час його було виявлено переважно у рибосомах і поряд з ними. Дайте пояснення цьому явищу. 2. У штучне поживне середовище, де вирощуються клітини, внесли розчин тиміну з радіоактивною міткою. Через деякий час мітку виявили у ядрі. Як можна це пояснити? Терміни для запам’ятовування: Нуклеїнові кислоти, ДНК, РНК, нуклеотид, реплікація, репарація, ген, генетичний код, транскрипція, процесинг, сплайсинг, трансляція, рекогніція, посттрансляційна модифікація. ЗАНЯТТЯ №4. 1. ТЕМА:РОЗМНОЖЕННЯ НА КЛІТИННОМУ РІВНІ. ЖИТТЄВИЙ |