Основи молекулярної генетики

Матеріальний носій спадковості. Для того, щоб здійснювалися описані вище процеси, хромосомна речовина повинна мати дві властивості – здатність до точного подвоєння та формування величезної різноманітності генів, які існують у природі.

У середині ХХ століття було доведено, що носієм генетичної інформації є дезоксирибонуклеїнова кислота (ДНК) – органічна сполука, яка разом з білком складає тіло хромосоми.

ДНК має ланцюжкову молекулярну будову, що забезпечує здатність до подвоєння та до утворення безлічі типів сполучень її елементарних одиниць – нуклеотидів. Кожний нуклеотид складається з трьох частин: азотистої основи (О), вуглеводного компоненту (дезоксирибози – Д) та залишку фосфорної кислоти (Ф). (Мал. 10).

Мал. 10. Будова окремого нуклеотиду (вгорі)

та фрагменту одинарного ланцюжка ДНК

У ланцюжку ДНК окремі нуклеотиди сполучені один з одним через фосфорну кислоту міцним хімічним зв'язком. Вуглеводний та фосфорний компоненти у всіх нуклеотидів однакові, але основ є чотири типи: аденін, цитозин, гуанін та тимін. Для запису генетичного коду їх позначають буквами А, Ц, Г і Т відповідно.

Мал. 11. Модель будови ДНК (за Ф. Уотсоном та Дж. Кріком)

Мал. 12. Хімічна будова молекули ДНК:

А – аденін, Т – тимін, Г – гуанін, Ц – цитозин,

Ф – залишок фосфорної кислоти, Д – дезоксирибоза

Молекула ДНК утворена не одним, а двома такими ланцюжками, які з’єднуються між собою слабкими водневими зв’язками через основи. Основи пари підходять один до одного, як ключ до замка. При цьому аденін завжди парується з тиміном, а гуанін з цитозином. (Мал. 11 та 12).

Завдяки такій комплементарній (доповнювальній) будові ця подвійна молекула здатна точно відтворювати себе, утворюючи ідентичні подвійні молекули. Перед подвоєнням ДНК слабкі водневі зв’язки між основами рвуться і дві напівмолекули розходяться, як застібка-блискавка. Після цього на кожній з них добудовується нова комплементарна половинка, внаслідок чого утворюється дві нові молекули ДНК, абсолютно ідентичні початковій. Одна з них має стару «праву» сторону і нову «ліву», а інша, навпаки, – стару «ліву» та нову «праву». (Мал. 13).

Мал. 13. Подвоєння ДНК (за Ф. Уотсоном та Дж. Кріком)

Потрібно пам’ятати, що це лише модель і що в дійсності цей процес відбувається набагато складніше.

Оскільки основи в молекулі ДНК розташовані лінійно (одна за одною) число різних комбінацій їх взаємного розташування практично необмежене, хоча основ усього чотири. Наприклад, якщо один ген містить 500 основ, то число можливих способів їх розташування складе 4500. Така комбінативна властивість забезпечує існування великої кількості різноманітних генів.

ДНК знаходиться в хромосомах разом з білками (гістоновими та негістоновими) та невеликою кількістю РНК. У кожній хромосомі міститься лише одна молекула ДНК. Під час поділу клітини хромосоми значно укорочуються, потовщуються і стають видимими під мікроскопом. Це відбувається внаслідок багаторівневої спіралізації молекули ДНК. (Мал. 14).

Мал. 14. Схематична будова хромосоми

Ген та його основна функція. Сучасній генетиці багато відомо про будову хромосом, про структуру та функції ДНК, але вона все ще неспроможна дати точне визначення гена. Найбільш розповсюджене сучасне уявлення стверджує, що ген – це невелика ділянка хромосоми, що виконує певну біохімічну функцію та здійснює специфічний вплив на структурні, фізіологічні та біохімічні властивості організму. Біохімічна функція гена полягає у тому, що він обумовлює синтез певного ферменту. Ферменти – це особливі білки, які в живих клітинах відіграють роль біологічних каталізаторів. За допомогою ферментів здійснюються всі біохімічні реакції обміну речовин та енергії в живих організмах. Виявилося, що гени містять інформацію про послідовність амінокислот у молекулах «первинних білків» – поліпептидів. Поліпептиди являють собою ланцюжки із амінокислот, кількість яких варіює від 6 до кількох десятків. Із певної кількості відповідних поліпептидів за допомогою особливих ферментів синтетаз утворюється молекула того чи іншого біка. Крім того, окремі поліпептиди в організмі можуть виконувати функції гормонів, біологічно активних речовин, антибіотиків тощо.

Генетичний код. Відомо, що до складу білка входить 20 різних амінокислот, а типів основ ДНК – всього 4. Яким же чином інформація про послідовність основ у молекулі ДНК перетворюється в послідовність амінокислот у молекулі білка? Виявилося, що цю умову найкраще задовольняє кодування однієї амінокислоти трьома основами. Функціональна генетична одиниця із трьох основ дістала назву триплету, або кодона. І справді, коли б одна амінокислота кодувалася двома основами, то це б дало змогу включити в молекулу білка всього тільки 16 різних амінокислот із 20. Залежність порядку розташування амінокислот у молекулах поліпептидів від порядку розташування триплетів основ у молекулі ДНК називається генетичним кодом. (Табл 1).

Табл. 1. Генетичний код інформаційної РНК

	Друга основа
У	Ц	А	Г
Перша основа	У	УУУ	Фен	УЦУ	Сер	УАУ	Тир	УГУ	Цис	У	Третя основа
УУЦ	УЦЦ	УАЦ	УГЦ	Ц
УУА	Лей	УЦА	УАА	Терм	УГА	Терм	А
УУГ	УЦГ	УАГ	УГГ	Три	Г
Ц	ЦУУ	Лей	ЦЦУ	Про	ЦАУ	Гіс	ЦГУ	Арг	У
ЦУЦ	ЦЦЦ	ЦАЦ	ЦГЦ	Ц
ЦУА	ЦЦА	ЦАА	Глу	ЦГА	А
ЦУГ	ЦЦГ	ЦАГ	ЦГГ	Г
А	АУУ	ІЛей	АЦУ	Тре	ААУ	Асн	АГУ	Сер	У
АУЦ	АЦЦ	ААЦ	АГЦ	Ц
АУА	АЦА	ААА	Ліз	АГА	Арг	А
АУГ	Мет	АЦГ	ААГ	АГГ	Г
Г	ГУУ	Вал	ГЦУ	Ала	ГАУ	Асп	ГГУ	Глі	У
ГУЦ	ГЦЦ	ГАЦ	ГГЦ	Ц
ГУА	ГЦА	ГАА	Глу	ГГА	А
ГУГ	ГЦГ	ГАГ	ГГГ	Г

Примітка. Генетичний код ДНК містить комплементарні основи, а У замінений у ньому на Т.

Терм – термінатор (стоп-кодон); основи: А – аденін, Г – гуанін, Т – тимін, Ц – цитозин, У – урацил; амінокислоти: Ала – аланін, Арг – аргінін, Асн – аспарагін, Асп – аспарагінова кислота, Вал – валін, Гіс – гістидин, Глі – гліцин, Глу – глютамін, ІЛей – ізолейцин, Лей – лейцин, Ліз – лізин, Мет – метіонін, Про – пролін, Сер – серин, Тир – тирозин, Тре – треонін, Три – триптофан, Фен – фенілаланін, Цис – цистеїн.

61 кодон визначає відповідні амінокислоти, і всі амінокислоти, за виключенням триптофану та метіоніну, кодуються кількома кодонами. Кодони-синоніми звичайно утворюють групи, в яких дві перші основи в кодоні є загальними, а третя – варіює.

Генетичний код є універсальним, бо в усіх живих організмів одні й ті ж амінокислоти кодуються одними й тими ж триплетами. Цікаво, що певна амінокислота може кодуватися більш ніж одним триплетом. Згадайте, що число можливих триплетів 64, а число амінокислот 20. Крім того, код не перекривається, тобто кожна основа може належати тільки одному триплету

Механізм синтезу білків (поліпептидів) у клітині надзвичайно складний. Він вимагає участі іншого виду нуклеїнових кислот – рибонуклеїнової кислоти (РНК) та особливих клітинних органел – рибосом. (Мал. 15).

Мал. 15. Схема біосинтезу поліпептиду

Сучасні молекулярно-генетичні дослідження показали, що будова гена та принцип зчитування інформації для синтезу білка у еукаріотів (організмів, клітини яких мають справжнє ядро) відрізняється від такого у прокаріотів (одноклітинних організмів, які позбавлені справжнього ядра). Виявилося, що гени еукаріотів містять як кодовані ділянки, які несуть інформацію для синтезу специфічного білка (вони були названі екзонами), так і некодовані (названі інтронами). Причому, некодованих ділянок може бути в декілька разів більше, ніж кодованих. А у людини з усієї генетичної ДНК лише близько 5% складають кодовані ділянки.

Завдяки такій будові один і той же ген еукаріотів може нести інформацію для кодування не одного поліпептиду, як у прокаріотів, а, залежно від специфіки тканини, в якій вони функціонують, – великої кількості різних поліпептидів. Наприклад, деякі гени можуть нести код для синтезу майже 40 тис. поліпептидів. Це досягається за рахунок зміни порядку зчитування кодованих ділянок гена. Цікаво, що у людини, за сучасними даними, 74% генів працюють саме за таким принципом.