Основні теоретичні відомості та методичні поради. Носієм спадкової інформації є дезоксирибонуклеїнова кислота (ДНК), що входить до хімічного складу хромосом

Носієм спадкової інформації є дезоксирибонуклеїнова кислота (ДНК), що входить до хімічного складу хромосом. Полімерна молекула ДНК складається з мономерних одиниць—дезоксирибонуклеотидів. У складі кожного нуклеотиду міститься азотиста основа (пуринова або піримідинова), цукор (дезоксирибоза) і залишок фосфорної кислоти. Азотистих основ у молекулі чотири: дві пуринові — аденін (А) і гуанін (Г) та дві піримідинові — тимін (Т) і цитозин (Ц).

До складу нуклеотидів РНК, крім рибози і залишку Н₃РО₄ входить одна з чотирьох азотистих основ (А, Ц, Г, У), тобто РНК замість тиміну містить урацил.

Дуже часто у складі нуклеїнових кислот виявляються так звані мінорні азотисті основи, мінорні вуглеводи або мінорні нуклеозиди — дещо незвичайні та модифіковані компоненти нуклеотидів. Молекулярна вага кожного нуклеотиду дорівнює 345 а.о.м., а всієї молекули ДНК може досягати 4—8 млн. і більше.

Будова мономерних залишків, хімічна природа міжнуклеотидних ковалентних зв’язків і послідовність розташування мономерних ланок у полінуклеотидному ланцюгу входять у поняття первинної структури ДНК і РНК.

Просторова організація ДНК і РНК визначається їх нуклеотидними послідовностями через структури двох рівнів — вторинну і третинну. Вторинна структура (певний ступінь спіральності) створюється взаємодією в полінуклеотидному ланцюгу сусідніх нуклеотидів, а у випадку двоспіральних молекул (або здвоєного в просторі ланцюга однієї молекули) також взаємодією нуклеотидних залишків, що знаходяться один проти одного у подвійній спіралі. Першу модель вторинної структури ДНК в 1953 році збудували Дж. Уотсон і Ф. Крік, згідно з якою ця молекула являє собою праву спіраль, утворену двома полінуклеотидними ланцюгами, закрученими один на одного і навколо спільної осі. Автори знайшли, що це правило виконується в тому випадку, якщо аденін (А) одного ланцюга утворює стабілізовану водневими зв'язками пару з тиміном (Т), а гуанін (Г) — з цитозином (Ц). Ці взаємодіючі пари (А - Т і Г -: Ц) отримали назву комплементарних. Отже, в основі структури ДНК лежить принцип комплементарності (доповнюваності), тобто парного сполучення нуклеотидів: аденін завжди сполучається з тиміном, а гуанін — з цитозином. Якщо відомий порядок розміщення нуклеотидів у одному. ланцюгу, то за цим принципом нуклеотиди розміщуються і в другому ланцюгу. Наприклад, на якійсь ділянці одного ланцюга порядок розміщення науклеотидів такий: АЦГАТАГЦЦТГАТЦ; тоді на протилежній ділянці другого ланцюга розміщуються доповнювальні до них нуклеотиди ТГЦТАТЦГГАЦТАГ.

Крім подвійних спіралей, зустрічаються і одноланцюгові ДНК. Приклади — ДНК фагів φ Х174, МІ3 та ін

Переважна більшість РНК живих істот є одноланцюговими. Однак у деяких вірусів зустрічаються дволанцюгові РНК, які виконують роль носіїв генетичної інформації.

Третинна структура нуклеїнових кислот (форма молекул) виникає завдяки взаємодії нуклеотидних залишків, що належать різним фрагментам вторинної структури. Таку структуру ДНК можна спостерігати при розгляді лінійних і кільцевих молекул ДНК. Лінійна молекула в ядрах еукаріот упакована в компактну структуру і займає всього 1/5 об’єму клітини. Наприклад, довжина ДНК хромосоми людини може досягати 8 см, але компактизована так, що вміщується у хромосомі довжиною ≈ 10 мкм. Отже спіралізована молекула ДНК у подальшому може утворювати більш компактні структури, в тому числі кільцеву форму і суперспіраль.

Надспіралізація ДНК властива хромосомам вірусів, бактерій, еукаріотів. Молекули ДНК мітохондрій, хлоропластів, хромосом і плазмід бактерій, а також ДНК багатьох вірусів мають кільцеву форму, майже вільні від білків і надспіралізовані.

Молекулам ДНК властива здатність до редуплікації (самоподвоєння або ауторепродукції). Згідно із сьогоднішніми уявленнями редуплікація ДНК відбувається за напівконсервативним механізмом. Згідно з цим механізмом ланцюги молекули ДНК розкручуються, розходяться і біля кожного з них точно за принципом комплементарності будується новий ланцюг. Внаслідок цього виникає дві молекули ДНК, ідентичні вихідній. Ауторепродукція ДНК відбувається перед поділом клітини за участю ферменту ДНК-полімерази. Властивість дезоксирибонуклеїнової кислоти до самоподвоєння лежить в основі передавання спадкових властивостей від материнських клітин до дочірніх.

Інша дуже важлива властивість ДНК полягає в тому, що послідовність розміщення нуклеотидів у ній зумовлює генетичну інформацію, яка втілюється в структурі білків-ферментів, що діють у живій клітині. Ферменти в свою чергу визначають синтез специфічних речовин, з якими пов'язані ознаки й властивості клітини.

ДНК не бере безпосередньої участі у синтезі білка-ферменту. Вона контролює утворення білків за допомогою рибонуклеїнової кислоти (РНК), що має один ланцюг нуклеотидів, до складу якого замість тиміну входить урацил і замість цукру дезоксирибози—рибоза. Відомо декілька видів РНК: інформаційна, або РНК-посередник (і-РНК, m-PHK — messenger), транспортна, або розчинна (т-РНК, s-PHK — soluble), рибосомальна (р-РНК), мала ядерна (мя-РНК) та інші. Інформаційна РНК синтезується на ДНК і є своєрідною копією її будови. Після процесингу (дозрівання) вона відокремлюється від ДНК (хромосоми) і виходить з ядра в цитоплазму, де разом з рибосомами утворює систему білкового синтезу. Мала ядерна РНК бере участь у сплайсингу – за її участю вирізаються нітрони під час процесингу РНК. Транспортна РНК міститься в цитоплазмі клітини і її функція полягає в доставці активованих форм амінокислот у вигляді аміноацил~тРНК до місця збірки поліпептидів, тобто до рибосом. Рибосомні РНК разом із специфічними білками входять до складу рибосом — субклітинних структур, яких іноді ще називають фабриками збірки білкових молекул. Білки різних організмів побудовані з 20 амінокислот:

Різноманітність білків зумовлена різним співвідношенням і порядком розміщення амінокислот у полімерному ланцюгу. Порядок розміщення амінокислот у білковій молекулі визначається послідовністю розміщення нуклеотидів відповідного відрізка і-РНК, утвореній комплементарно до ДНК. Кожній амінокислоті відповідає ділянка з трьох нуклеотидів — триплет (кодон). Так, триплет ГУЦ визначає положення в молекулі білка амінокислоти валіну; триплет ААА — лізину тощо. Установлено триплети для всіх 20 амінокислот (табл. 2).

Послідовність розміщення триплетів у і-РНК зумовлює відповідне розміщення амінокислот у молекулі білка.

Літерами УЦАГ у стовпці ліворуч і праворуч у рядку зверху позначено нуклеотиди. Перший нуклеотид у триплеті з лівого стовпця, другий — з верхнього рядка і третій— з правого стовпця відповідають амінокислоті, що знаходиться на перехрещенні всіх трьох нуклеотидів. У багатьох випадках та сама амінокислота кодується не одним триплетом, а кількома — двома, чотирма, шістьма.

У цих випадках перші два нуклеотиди таких триплетів однакові, а третій змінюється.

Із 64 триплетів 61 є значущим, тобто кодуючим амінокислоти. Два значущих кодони у складі інформаційної РНК — AУГ і ГУГ — називають ініціюючими, бо саме з них рибосома розпочинає синтез генного продукту, тобто поліпептиду. Три триплети у складі інформаційної РНК (*) — УАА, УАГ і УГА, — називають нонсенс-кодонами або беззмістовними, бо вони не кодують амінокислот. Ці кодони визначають закінчення синтезу поліпептидного ланцюга, отже несуть дуже важливе смислове навантаження. Тому більш коректно їх називати термінуючими триплетами.

Таблиця 2

Амінокислоти і відповідні їм триплети і-РНК

Наявність і локалізацію нуклеїнових кислот у клітинах встановлюють гістохімічним методом — хімічними реакціями на ці речовини. Найточніша реакція на ДНК — це забарвлення клітин основним фуксином за Фьольгеном.

Як барвник для РНК використовують піронін з метиловим зеленим. Більшість основних барвників діє однаково на РНК і ДНК. Метиловий зелений і піронін забарвлюють вибірково: перший має спорідненість з ДНК і забарвлює її в зелений колір, а другий — з РНК і забарвлює її в червоний колір.

Робота 1. Виявлення ДНК у клітинах забарвленням за Фьольгеном

Матеріали та обладнання: фіксовані корінці цибулі, мікроскопи, водяна баня, предметні стекла і накривні скельця, 50%-ний спирт, дистильована вода, 1 н. розчин НС1, реактив Шиффа, сірчиста вода, 45%-на оцтова кислота, гліцерин.