Підручник з Біології і екології (рівень стандарту). 10 клас. Андерсон - Нова програма

§ 32. Реалізація спадкової інформації: синтез білків і формування ознак

Які особливості будови білків і нуклеїнових кислот як біополімерів.

Молекули РНК, синтезовані на матриці ДНК, можуть виконувати самостійні функції (тРНК, рРНК), але більшість із них слугує переносником інформації про структуру білків (мРНК). Мономерами нуклеїнових кислот є нуклеотиди, а білки складаються з амінокислот. Отже, інформація про амінокислотну послідовність білків, тобто їхню первинну структуру, закодована в послідовності нуклеотидів молекул мРНК. Відтак синтез білкової молекули має відбуватися за правилом перетворення «нуклеотидної» інформації на «амінокислотну». Таким правилом є генетичний код - система запису послідовності амінокислотних залишків білкових молекул за допомогою послідовності нуклеотидів молекул РНК. Для генетичного коду (рис. 133) характерні певні властивості.

1. Інформація з РНК зчитується порціями з трьох нуклеотидів. Послідовність із трьох нуклеотидів називають триплетом або кодоном. Якщо уявити нуклеотиди як літери (їх є чотири - А, У, Г, Ц), то триплети - це слова, що складаються з цих літер. Триплети кодують 20 амінокислот і три спеціальні стоп-послідовності, що означають закінчення кодованого білка.

2. Інформація зчитується безперервно. Кожен наступний триплет починається відразу за попереднім (рис. 134). Триплети не перекриваються й не накладаються один на одного. Жоден нуклеотид не може водночас бути складовою двох триплетів.

Рис. 133. Таблиця генетичного коду

У таблиці наведено триплети РНК. Визначення певного триплету слід розпочинати від центра таблиці, позначеного цифрою 1. Перший нуклеотид триплета вибираємо з внутрішнього кола, другий - із другого кола, третій - із третього кола. У четвертому колі вказано скорочену назву кодованих амінокислот, старт- або стоп-кодон.

Визначте амінокислоти, які кодують триплети ЦЦЦ, ГІДА, УЦУ.

3. Генетичний код є однозначним. Кожен триплет відповідає лише одній амінокислоті (або є стоп-кодоном). Той самий триплет у клітині не може кодувати дві різні амінокислоти (рис. 133).

4. Генетичний код є надлишковим. Існують чотири типи РНК-нуклеотидів (А, У, Г, Ц), а триплет є комбінацією з трьох нуклеотидів. Відповідно, може бути всього 4 х 4 х 4 = 64 різних послідовностей із трьох зазначених літер. Отже, у такий спосіб можна закодувати не більше ніж 64 одиниці інформації. Проте до складу білків входять лише 20 різних амінокислот і 3 стоп-кодони. «Беззмістовних» триплетів не існує, а тому деякі амінокислоти закодовано більше ніж одним кодоном. Можна пересвідчитися, що амінокислота триптофан кодується лише одним триплетом, натомість аргінін - аж шістьма (рис. 133). Надлишковість надає коду певної стійкості до змін, тобто мутацій. У деяких випадках заміна одного нуклеотиду на інший не призведе до зміни амінокислоти, а отже, і структури синтезованого білка (спробуйте за допомогою схеми генетичного коду знайти варіанти таких замін).

5. Генетичний код є універсальним. Відповідність послідовностей триплетів та амінокислот є однаковою в усіх клітинах усіх організмів і навіть неклітинних форм життя (вірусів). Це правило має кілька винятків: дещо змінений генетичний код працює в мітохондріях, хлоропластах, у деяких найпростіших і бактерій. Тим не менше, загалом генетичний код є універсальним правилом кодування структури білків більшістю генів.

Утворення білків на основі інформації, що зберігається в молекулах нуклеїнових кислот, є одним із ключових процесів, властивих живим системам (рис. 134). Різноманітність просторових структур, яких можуть набувати білкові молекули, зумовлює виконання ними найрізноманітніших функцій, що виявляється як ознаки організмів.

Рис. 134. Принцип функціонування генетичного коду

1 - транскрипція, 2 - трансляція.

Послідовність матричного ланцюга ДНК показано коричневим кольором, комплементарний йому ланцюг - сірим, послідовність відповідної мРНК - червоним. Показано відповідність кожного триплета кодованій амінокислоті.

Синтез поліпептидного ланцюга за участі рибосом на матриці мРНК називають трансляцією.

Вона здійснюється за участю рибосом - органел, притаманних усім клітинам. Крім рибосом та мРНК, для трансляції потрібна енергія (АТФ) та амінокислоти, зв’язані з тРНК. Молекула тРНК має специфічну будову (рис. 135). До одного її кінця приєднується залишок амінокислоти. Також тРНК містить три особливі нуклеотиди, комплементарні до триплета, який кодує транспортовану амінокислоту. Цю послідовність називають антикодоном. Молекули тРНК, що мають певний антикодон, зв’язують лише ту амінокислоту, яка кодується відповідним кодоном. Молекулу тРНК, сполучену із залишком амінокислоти, називають активованою. У біосинтезі білка виокремлюють кілька етапів. На початку синтезу рибосома зв’язує мРНК й поступово просуває її крізь себе, ніби скануючи (рис. 136). Таке «сканування» триває, доки не знайдеться кодон АУГ. Він називається стартовим кодоном, з нього розпочинається синтез будь-якого білка. Щойно рибосома знайшла найближчий кодон АУГ, вона зв’язує тРНК з метіоніном (та антикодоном УАЦ). Після цього рибосома продовжує просувати нитку мРНК крізь себе. Упродовж такого просування відбувається розпізнавання кодонів, зв’язування молекул тРНК із відповідними антикодонами та формування пептидних зв’язків між амінокислотами. Цей синтез завершується, коли рибосома дійде до одного зі стоп-кодонів. У результаті роботи описаного механізму утворюється поліпептидний ланцюг, послідовність амінокислот якого визначена структурою молекули мРНК відповідно до генетичного коду. Такий поліпептид ще не є функціональним білком. Він має набути характерної для нього тривимірної (вторинної, третинної, четвертинної) структури, а також зазнати певних хімічних модифікацій, що здійснюються за участі спеціалізованих ферментів здебільшого в комплексі Гольджі.

Рис. 135. Будова молекули тРНК

Рис. 136. Трансляція

Пригадайте та поясніть механізм процесу трансляції.

Визначте, яку амінокислоту транспортує молекула тРНК із антикодоном УЦГ.

Гени та ознаки. Сукупність генів певного організму називають генотипом, а сукупність ознак організму - фенотипом (термін фен позначає одиничний варіант певної ознаки). Ви знаєте, що гени можуть бути структурними або регуляторними. Структурні гени визначають певні одиничні ознаки (наприклад колір квіток, довжину крил комах, групу крові людини тощо). У найпростішому випадку один ген визначає одну ознаку (рис. 137). Регуляторні гени впливають на активність інших регуляторних або структурних генів. Зрозуміло, що вони також зумовлюють певні ознаки, але їхній вияв зазвичай є складнішим. Ознаки бувають якісні і кількісні. Якісні ознаки мають варіанти, які чітко відрізняються один від одного: наприклад, руде або не руде волосся, чоловіча/жіноча статі, різні групи крові в людини. Кількісні ознаки виявляються в широкому діапазоні без чітких меж між різними варіантами. До них належать зріст, вага, колір шкіри в людини тощо.

Гени та алелі. Місце розташування певного гена в хромосомі називають локусом. У диплоїдних організмів парні, гомологічні хромосоми містять однаковий набір генів, локуси яких розташовані в однакових послідовностях. Отже, кожний такий організм має дві копії кожного гена (окрім тих, що розташовані в статевих хромосомах). Нуклеотидні послідовності копій генів, розташованих в однаковому локусі гомологічних хромосом, можуть дещо різнитися. Такі варіанти генів називають алелями. Різні алелі зумовлюють розвиток різних варіантів однієї ознаки - наприклад синій чи білий колір пелюсток квітки (рис. 138). Яким же буде фенотип організму, що має два різні алелі? У більшості випадків виявлятиметься лише один з двох можливих варіантів ознаки. Такий варіант називають домінантним, а інший, пригнічений - рецесивним. Існують і більш складні варіанти взаємодії алельних генів, які ми розглянемо пізніше (§ 34)

Рис. 137. Принцип формування кольору квітки в рослини

Ген кодує фермент, що каталізує перетворення безбарвної речовини (ліворуч) на забарвлену (праворуч), наявність якої у вакуолях визначає колір пелюсток.

Рис. 138. Алельні варіанти гена, який визначає колір квітки

Домінантний алель (А) кодує фермент, що перетворює безбарвну сполуку на синю; рецесивний алель (а) кодує неробочий фермент, безбарвна сполука не набуває змін, пелюстки не мають кольору.

1. Дайте означення понять трансляція, генотип, фенотип, алелі.

2. Що таке генетичний код?

3. Поясніть властивості генетичного коду.

4. Поясніть механізм трансляції.

5. Як генетична інформація зумовлює формування ознак?