Молекулярные основы наследственности с примерами решения типовых задач

Задача 1

На репликацию ДНК (удвоение, редупликацию)

Одна из цепочек ДНК имеет следующую последовательность нуклеотидов:

ГГТ ААА ТЦГ ГАГ ТАТ ГГТ АЦГ. Определите последовательность второй цепочки той же молекулы ДНК. Если известна последовательность нуклеотидов в первой цепочке, то для второй цепочки необходимо по принципу комплементарности заменить тимин на аденин, аденин на тимин, гуанин на цитозин, цитозин на гуанин.

Решение:

Первая цепочка ДНК: Г Г Т А А А Т Ц Г Г А Г Т А Т Г Г Т А Ц Г

ﺍﺍﺍ ﺍﺍﺍ ﺍﺍ ﺍﺍ ﺍﺍ ﺍﺍ ﺍﺍ ﺍﺍﺍ ﺍﺍﺍ ﺍﺍﺍ ﺍﺍ ﺍﺍﺍ ﺍﺍ ﺍﺍ ﺍﺍ ﺍﺍﺍ ﺍﺍﺍ ﺍﺍ ﺍﺍ ﺍﺍﺍ ﺍﺍﺍ

Вторая цепочка ДНК: Ц Ц А Т Т Т А Г Ц Ц Т Ц А Т А Ц Ц А Т Г Ц

после удвоения

Ответ: последовательность нуклеотидов второй цепи молекулы ДНК ЦЦА ТТТ АГЦ ЦТЦ АТА ЦЦА ТГЦ.

Задача 2

На определение строения м-РНК по структуре ДНК

Определите м-РНК, если фрагмент смысловой (кодогенной) цепи ДНК имеет следующую последовательность нуклеотидов: ЦТЦ ЦАТ ГАТ ААЦ ЦТГ, Поскольку транскрипция происходит по принципу комплементарности межмолекулярных взаимодействий нуклеотидов, образующих пары А-У, Г-Ц, следовательно м-РНК на данном участке будет иметь следующий вид:

Цепочка ДНК: ЦТЦ ЦАТ ГАТ ААЦ ЦТГ

Цепочка м-РНК: ГАГ ГУА ЦУА УУГ ГАЦ

В РНК, как отмечено выше, вместо азотистого основания тимина входит урацил.

Ответ: м-РНК ГАГ ГУА ЦУА УУГ ГАЦ.

Задача 3

На определение строения молекулы белка по структуре молекулы ДНК

Фрагмент смысловой молекулы ДНК состоит из нуклеотидов, расположенных в следующей последовательности: ТАЦ ААЦ ТГА ЦГЦ ТТТ АГА ЦТТ ЦАГ ЦЦЦ.

Определите состав и последовательность аминокислот в полипептидной

цепи, закодированной в этом участке гена.

Решение: В начале определяем строение м-РНК, исходя из принципа комплементарности А-У и Г-Ц, и помня, что в РНК вместо тимина азотистое основание урацил.

Цепочка ДНК: ТАЦ ААЦ ТГА ЦГЦ ТТТ АГА ЦТТ ЦАГ ЦЦЦ

Цепочка м-РНК: АУГ УУГ АЦУ ГЦГ ААА УЦУ ГАА ГУЦ ГГГ. По таблице генетического кода находим аминокислоты, которые закодированы в данной м-РНК, всего 9 триплетов:

1) кодону (триплету) АУГ соответствует аминокислота - метионин,

2) УУГ - лейцин,

3) АЦУ - треонин,

4) ГЦГ-аланин,

5) ААА - лизин,

6) УЦУ-серии,

7) ГАА - глутаминовая кислота,

8) ГУЦ-валин,

9) ГГГ - глицин.

Ответ: последовательность аминокислот в полипептидной цепи метионин-лейцин-треонин-аланин-лизин-серин-глютаминовая кислота-валин-глицин.

Задача 4

На определение структуры ДНК но строению молекулы белка.

Фрагмент молекулы белка миоглобина содержит аминокислоты, расположенные в следующем порядке: валин - аланин - глютаминовая кислота - тирозин - серин - глютамин.

Напишите структуру участка молекулы ДНК, кодирующего эту последовательность аминокислот?

Решение: 1. По таблице генетического кода находим триплеты, кодирующие каждую из указанных аминокислот: валин - ГУУ, аланин - ГЦУ, глютаминовая кислота - ГАА, тирозин - УАУ, серии - УЦУ, глютамин - ЦАА.

Полученная цепочка отражает строение молекулы м-РНК: ГУУ ГЦУ ГАА УАУ УЦА ЦАА.

2. После этого определяем строение цепочки ДНК, которая кодировала строение м-РНК.

Цепочка м-РНК: ГУУ ГЦУ ГАА УАУ УЦА ЦАА.

Ответ:

Кодогенная смысловая цепочка ДНК: ЦАА ЦГА ЦТТ АТА АГА ГТТ

ﺍﺍﺍ ﺍﺍ ﺍﺍ ﺍﺍ ﺍﺍﺍ ﺍﺍ ﺍﺍﺍ ﺍﺍ ﺍﺍ ﺍﺍ ﺍﺍ ﺍﺍ ﺍﺍ ﺍﺍﺍ ﺍﺍ ﺍﺍﺍ ﺍﺍ ﺍﺍ

Вторая цепочка ДНК: ГТТ ГЦТ ГАА ТАТ ТЦТ ЦАА.

Вторая цепочка ДНК достраивается по принципу комплементарности.

Задача 5

На определение антикодонов т-РНК по молекуле м-РНК.

Транспортная РНК доставляет аминокислоты к полирибосомам, как было отмечено выше. Вначале аминокислота активируется АТФ, затем с помощью фермента амино-ацил т-РНК - синтетазы присоединяется к участку т-РНК, образуя комплекс аминоациладенилат т-РНК - синтеза. На противоположном конце от места прикрепления активированной на т-РНК аминокислоты находится антикодон, который может взаимодействовать с комплементарным кодоном на молекуле м-РНК и передавать соответствующую аминокислоту для синтеза белка. Таким образом, антикодоны т-РНК осуществляют процесс трансляции: считывание информации с м-РНК на последовательность аминокислот в белковой молекуле.

Условие задачи: м-РНК имеет следующую последовательность кодонов:

1) АУГ 2) ЦЦЦ, 3) ГГЦ, 4) ААА, 5) УУУ, 6) ГГГ, 7) УГА. Определите последовательность к ним антикодонов т-РНК?

Решение: Поскольку считывание информации идет по принципу комплементарности, следовательно антикодоны т-РНК, доставляющие соответствующие аминокислоты, будут иметь следующий состав нуклеотидов: I) УАЦ, 2) ГГГ, 3) ЦЦГ, 4) УУУ, 5) ААА, 6) ЦЦЦ. Кодон УГА входит в нонсенс - кодоны - терминаторы (УАА, УАГ, УГА - три триплета) к ним нет т-РНК, и на этих кодонах заканчивается биосинтез белка, следовательно к этому триплету не будет и антикодона т-РНК.

Ответ: антикодоны т-РНК: 1) УАЦ, 2) ГГГ, 3) ЦЦГ, 4) УУУ, 5) ААА, 6) ЦЦЦ.

Задача 6

Определение структуры молекулы белка по мутантной моле-куле ДНК

Определите аминокислоты, входящие в молекулу белка, если она кодируется следующей последовательностью кодонов в фрагменте кодогенной цепи ДНК: ТАЦ АЦА АЦГ ЦАА АТА ТАЦ АЦА ГЦГ. Как изменится ответ, если, удалить четвертый, девятый, тринадцатый нуклеотиды?

Решение: 1. Вначале строим молекулу м-РНК (транскрипция). Цепочка ДНК: ТАЦ АЦА АЦГ ЦАА АТА ТАЦ АЦА ГЦГ

Цепочка м-РНК: АУГ УГУ УГЦ ГУУ УАУ АУГ УГУ ЦГЦ

2. Определяем по таблице генетического кода аминокислоты, соответствующие данным кодонам:

1) АУГ - метионин,

2) УГУ-цистеин,

3) УГЦ - цистеин,

4) ГУУ-валин,

5) УАУ-тирозин,

6) АУГ - метионин,

7) УГУ - цистеин,

8) ЦГЦ-аргинин.

Поскольку дано 8 кодонов фрагмента цепи ДНК, постольку в данный участок белка входит 8 аминокислот.

3. Строим смысловую цепь ДНК после утраты трех нуклеотидов. Изме­ненный кодогенный фрагмент цепочки ДНК: ТАЦ ЦАА ЦЦА АТА ТАЦ АЦА ГЦГ

Измененный фрагмент цепочки м-РНК: АУГ ГУУ ГГУ УАУ АУГ УГУ ЦГЦ

Ответ: аминокислоты, соответствующие данным кодонам;

1) АУГ-метионин,

2) ГУУ-валин,

3) ГГУ-глицин,

4) УАУ-тирозин,

5) АУГ-метионин

6) УГУ-цистеин,

7) УГЦ-аргинин.

Утрата 3-х нуклеотидов привела к перегруппировке кодовых триплетов, изменению информации в фрагменте молекулы белка, который включает уже не восемь, а только семь аминокислот, не стало двух аминокислот цистеина во 2-ом и 3-ем положениях, валин вместо четвертого положения встал на второе; в 3 третьем положении новая аминокислота - глицин, тирозин с пятого положения сместился на четвертое, последние три аминокислоты остались незатронутыми. Если бы было выпадение трех, рядом стоящих, нуклеотидов, то структура белка изменилась бы меньше.

Утрата первого нуклеотида привела бы к сдвигу считывания рамки информации, что повлекло к замене всех аминокислот в данном фрагменте белка.

Задача 7

На определение молекулярного веса белка и молекулярного веса и длины кодирующего его гена

Белок содержит 177 аминокислот. Какую длину и вес имеет определяющий его ген, а также какой вес имеет данный белок, учитывая, что средний молекулярный вес аминокислоты около 110, нуклеотида около 330, расстояние между двумя соседними нуклеотидами в молекуле ДНК 0,34 нм.

Решение: Исходный белок включает 177 аминокислот, вес одной аминокислоты около 110, следовательно молекулярный вес белка 177х110=19470.

Каждая аминокислота кодируется триплетом нуклеотидов, следовательно в гене содержится 177х3=531 нуклеотид. Молекулярный вес гена составляет 531х330=175.230; длина гена составляет 531х0,34 нм=180,54 нм.

Ответ: молекулярный вес белка 19470, молекулярный вес кодирующего его гена- 175230, длина гена 180,54 нм.

Задача 8

На определение состава нуклеиновых кислот

В молекуле ДНК на долю цитидиловых нуклеотидов приходится 30%. Определите процентное содержание других нуклеотидов, входящих в молекулу ДНК.

Решение: Используем правило Чаргаффа А=Т; Г=Ц. Отсюда следует, что гуаниловых нуклеотидов 30%, на долю А+Т приходится 100-(30+30)=40%. Адениловые и тимидиловые нуклеотиды в отдельности составляют 40:2=20%.

Ответ: В данную молекулу ДНК входит 30% гуаниловых, 20% адениловых и 20% тимидиловых нуклеотидов.

Задача 9

На определение состава нуклеиновых кислот

В молекуле ДНК обнаружено 600 тимидиловых нуклеотидов, составляю­щих 15% от общего количества нуклеотидов в этой молекуле ДНК. Сколько в ней содержится адениловых, гуаниловых, цитидиловых нуклеотидов.

Решение: по правилу Чаргаффа А =Т; Г =Ц 600, следовательно А= 600 нуклеотидов, или 15%. (А+Т)=600+600=1200 нуклеотидов или 30% . (Г+Ц)=100-30=70%, составляем пропорцию:

30% - 1200 нуклеотидов

70%- х нуклеотидов

нуклеотидов,

значит (Г+Ц)=2800 нуклеотидов, поскольку Г=Ц, следовательно

Г=1400 нуклеотидов,

Ответ: в молекуле ДНК содержится 600 адениловых, 1400 гуаниловых и

1400 цитидиловых нуклеотидов.

Таблица генетического кода

Кодоны матричной РНК
Первое снование	Второе основание				Третье основание
	У	Ц	А	Г
У	УУУ Фен	УЦУ Сер	УАУ Тир	УГУ Цис	У
	УУЦ Фен	УЦЦ Сер	УАЦ Тир	УГЦ Цис	Ц
	УУА Лей	УЦА Сер	УАА Стоп	УГА Стоп	А
	УУГ Лей	УЦГ Сер	УАГ Стоп	УГГ Три	Г
Ц	ЦУУ Лей	ЦЦУ Про	ЦАУ Гис	ЦГУ Арг	У
	ЦУЦ Лей	ЦЦЦ Про	ЦАЦ Гис	ЦГЦ Арг	Ц
	ЦУА Лей	ЦЦА Про	ЦАА Глн	ЦГА Арг	А
	ЦУГ Лей	ЦЦГ Про	ЦАГ Глн	ЦГГ Арг	Г
А	АУУ Иле	АЦУ Тре	ААУ Асн	АГУ Сер	У
	АУЦ Иле	АЦЦ Тре	ААЦ Асн	АГЦ Сер	Ц
	АУА Иле	АЦА Тре	ААА Лиз	АГА Арг	А
	АУГ Мет	АЦГ Тре	ААГ Лиз	АГГ Арг	Г
Г	ГУУ Вал	ГЦУ Ала	ГАУАсп	ГГУ Гли	У
	ГУЦ Вал	ГЦЦ Ала	ГАЦ Асп	ГГЦ Гли	Ц
	ГУА Вал	ГЦА Ала	ГАА Глу	ГГА Гли	А
	ГУГ Вап	ГЦГ Ала	ГАГ Глу	ГГГ Гли	Г