Примеры решения задач на реалезацию наследственной информации в клетке.
Принцим комплементарности
Задача 106.
Восстановите формулу ДНК, если известно, что нуклеотидная последовательность иРНК выглядит так (указаны нуклеотиды в направлении от 5’ к 3’ концу): УУГЦЦЦУУУГГЦ. Какими антикодонами-триплетами будет закрываться эта цепочка при трансляции? Сколько нужно будет антикодонов-триплетов?
Решение:
Используя принцип комплементарности (Ц - Г, У – А, А - Т), по иРНК можно восстановить последовательность нуклеотидов матричной цепи ДНК:
мДНК: 3’-ААЦГГГАААЦЦГ-5’
иРНК: 5’-УУГЦЦЦУУУГГЦ-3’.
Теперь, опять же пользуясь принципом комплементарности (Ц – Г, А - Т), на полученной цепи мДНК строим цепь сДНК, получим схему молекулы ДНК:
сДНК: 5’-ТТГЦЦЦТТТГГЦ-3’
мДНК: 3’-УУГЦЦЦУУУГГЦ-5’.
К кодонам иРНК подбираются комплементарные антикодоны-триплеты нуклеотидов тРНК, и соединяются водородными связями (кодон-антикодон) тоже по принципу комплементарности и с учетом того что антикодоны тРНК антипараллельны кодонам иРНК.
Для удобства при решении задачи разобьем цепь иРНК на триплеты:
УУГ ЦЦЦ УУУ ГГЦ.
Кодону иРНК (5’- УУГ -3’) соответствует антикодон тРНК 3’-ААЦ-5’ (5’-ЦАА-3’), кодону иРНК (5’-ЦЦЦ-3’) - антикодон тРНК 3’-ГГГ-5’ (5’-ГГГ-3’), кодону иРНК (5’-УУУ-3’) - антикодон тРНК 3’-ААА-5’ (5’-ААА-3’), кодону иРНК (5’-ГГЦ-3’) - антикодон тРНК 3’-ЦЦГ-5’ (5’-ГЦЦ,-3’).
Выпишем антикодоны тРНК:
(5’-ЦАА-3’), (5’-ГГГ-3’), (5’-ААА-3’), (5’-ГЦЦ-3’).
Цепочка иРНК при трансляции будет закрываться 4 антикодонами-триплетами.
Ответ:
1) схема молекулы ДНК:
сДНК: 5’-ТТГЦЦЦТТТГГЦ-3’
мДНК: 3’-УУГЦЦЦУУУГГЦ-5’;
2) антикодоны тРНК, комплементарны кодонам иРНК:
УУГЦЦЦУУУГГЦ (указаны антикодоны в направлении от 5’ к 3’ концу): ЦАА,ГГГ,АААА,ГЦЦ;
3) количество антикодонов-триплетов равно 4.
Задача 107.
Белковая молекула имеет следующий состав и последовательность аминокислот: лизин-триптофан-глутамин-серин-метионин-гистидин-аланин-валин. Дайте графическую модель фрагмента гена. Сколькими способами может быть кодирован этот участок молекулы белка?
Решение:
1. Графическая модель фрагмента гена.
В условии задачи последовательность аминокислот в молекуле белка дана. Используя таблицу генетического кода в триплетах иРНК, можно установить строение и РНК.
По таблице генетического кода находим структуру триплетов лизина, их два – (ААА и ААГ), триптофана 1 иплет (УГГ), глутамина 2 триплета – (ГАА, ГАГ), серина – 6 триплетов: (УЦУ, УЦЦ, УЦА, УЦГ, АГУ, АГЦ), метионина один триплет – (АУГ), гистидина 2 триплета – (ЦАУ, ЦАЦ), аланина 4 триплета – (ГЦУ, ГЦЦ, ГЦА, ГЦГ), Валина 4 триплета – (ГУУ, ГУЦ, ГУА, ГУГ).
Пример графической модели фрагмента иРНК (нуклотиды указаны в направлении от 5’ к 3’ концу):
иРНК: 5’-АААУГГГААУЦУАУГЦАУГЦУГУУ-3’.
Используя комплементарный метод, составим матричную ДНК:
мДНК: 3’-ТТТАЦЦЦТТАГАТАЦГТАЦГАЦАА-5’;
иРНК: 5’-АААУГГГААУЦУАУГЦАУГЦУГУУ-3’.
Далее составим модель фрагмента гена, достроив смысловую цепь ДНК:
сДНК: 5’-АААТГГГААТЦТАТГЦАТГЦТГТТ-3’
мДНК: 3’-ТТТАЦЦЦТТАГАТАЦГТАЦГАЦАА-5’.
2. Количество кодирования участка молекулы белка определим, перемножив число вариантов триплетов для каждой аминокислоты, получим:
2.1.2.6.1.2.4.4 = 768.
Таким образом, данный в задаче участок молекулы белка может быть кодирован 768 способами.
Ответ:
1) последовательность иРНК
5’-АААУГГГААУЦУАУГЦАУГЦУГУУ-3’;
2) последовательность ДНК:
5’-ААА ТГГ ГАА ТЦТ АТГ ЦАТ ГЦТ ГТТ-3’
3’-ТТТ АЦЦ ЦТТ АГА ТАЦ ГТА ЦГА ЦАА-5’,
нижняя цепь матричная (транскрибируемая);
ИЛИ
5’-ААЦАГЦАТГЦАТАГАТТЦЦЦАТТТ-3’
3’- ТТГТЦГТАЦГТАТЦТААГГГТААА-5’;
верхяя цепь матричная (транскрибируемая);
3) участок полипептида может быть кодирован 768 способами.
Задача 108.
1) Дано: в молекуле ДНК содержится Г- 40%. Определите сколько % приходится на Т, А, Ц?
2) Дано (нуклотиды указаны в направлении от 3’ к 5’ концу): нить ДНК - ААТТТГГГЦЦЦАГГГТТТААА, синтезируйте иРНК, тРНК, определите молекулярную массу белка, если средняя молекулярная масса одной аминокислоты равна 110 а. е. м. (Da). Сколько мономеров содержит синтезируемый белок?
Решение:
1. Согласно принципу комплементарности гуанин всегда стоит в паре с цитозином, значит их количество одинаково, т.е. Г = Ц = 40%, а вместе они составляют 80%.
Тогда на долю остальных нуклеотидов приходится 100% - 80% = 20%. Поскольку тимин всегда находится в паре с аденином, то Т = А = 20%, а на каждого из них приходится 20 : 2 = 10%.
Ответ:
Ц = 40%; Т = 10%; А = 10%.
2. Известно, что комплементарные цепи нуклеиновых кислот антипараллельны (5’ концу одной цепи соответствует 3’ конец другой цепи). Синтез нуклеиновых кислот начинается с 5’ конца. Рибосома движется по иРНК в направлении от 5’ к 3’ концу.
Согласно правилу Чаргафа2 (Г = Ц, А = У) с генетического кода ДНК выстраиваются нуклеотиды тРНК (транскрибция). Учитывая всё это можно записать:
мДНК: 3’-ААТТТГГГЦЦЦАГГГТТТААА-5’
тРНК: 5’-УУАААЦЦЦГГГУЦЦЦАААУУУ-3’.
Точно так же записывается нуклеотидная последовательность иРНК:
ДНК: 3’-ААТТТГГГЦЦЦАГГГТТТААА-5’
иРНК: 5’-УУАААЦЦЦГГГУЦЦЦАААУУУ-3’.
Для удобства при решении задачи разобьем цепочку иРНК на триплеты:
УУА ААЦ ЦЦГ ГГУ ЦЦЦ ААА УУУ.
Используя таблицу генетического кода построим цепочку белка:
лей-асн-про-гли-про-лиз-фен.
Так как полипептид состоит из семи аминокислотных звеньев, то молекулярная масса белка равна:
М(белок) = 110 . 7 = 770 г/моль (DA).
Ответ:
1) нуклеотидная последовательность участка тРНК и иРНК совпадает:
5’-УУАААЦЦЦГГГУЦЦЦАААУУУ-3’;
2) фрагмент полипептида: лейцин – лей-асн-про-гли-про-лиз-фен; молекулярная масса белка: 770 г/моль.
Задача 109.
Участок цепи ДНК, кодирующий первичную структуру полипептида, состоит из 48 нуклеотидов. Определите число нуклеотидов на иРНК, кодирующих аминокислоты, число аминокислот в полипептиде и количество тРНК, необходимых для переноса этих аминокислот к месту синтеза. Ответ поясните.
Решение:
Если в кодирующей цепи ДНК 48 нуклеотидов, то в иРНК будет столько же нуклеотидов, так как они комплементарны (иРНК является копией мДНК). Количество тРНК будет 48:3 = 16, так как генетический код триплетен, и антикодон тРНК состоит их 3-х нуклеотидов. Количество аминокислот в белке будет тоже 16, так как одна тРНК доставляет к месту синтеза белка одну аминокислоту.
Ответ:
16 аминокислот и 16 тРНК.
Задача 110.
Одна из цепей ДНК имеет молекулярную массу 111780. Определите количество аминокислот, закодированных в ней, если известно, что согласно параметрам ДНК средняя молекулярная масса нуклеотида равна 300.
Решение:
Молекулярную массу ДНК надо разделить на молекулярную массу одного нуклеотида (будем считать, что Mr(н) равна 345 а.е.м.) , получим количество нуклеотидов: 111780/345 = 324 нуклеотидов. Так как 3 нуклеотида кодируют 1 аминокислоту, то 325 надо разделить на 3 и получить количество аминокислот в белке: 324/3 = 108.
Ответ:
108 аминокислот.
Задача 111.
Участок одной из двух цепей молекулы ДНК содержит 300 нуклеотидов с аденином (А), 100 нуклеотидов с тимином (Т), 180 нуклеотидов с гуанином (Г) и 200 нуклеотидов с цитозином (Ц). Какое число нуклеотидов с А, Т, Г и Ц содержится в двухцепочечной молекуле ДНК? Сколько аминокислот должен содержать белок, кодируемый этим участком молекулы ДНК?
Решение:
Учитывая, что в молекуле ДНК количество аденинов (А) равно количеству тиминов (Т), а количество гуанинов (Г) равно количеству цитозинов (Ц), т.е. (А = Т), (Г = Ц).
Согласно принципу комплементарности, если в цепи ДНК содержится нуклеотидов: А - 300, Т - 100, Г - 180, Ц – 200, то во второй цепи будет содержаться следующее количество: А – 100, Т – 300, Г – 200, Ц – 180. В двух цепях ДНК содержится нуклеотидов:
А = 300 + 100 = 400, значит, Т (Т = А) = 400; Ц = 200 + 180 = 380, значит, Г (Г = Ц) = 380. Информацию о структуре белка несет одна из двух цепей, число нуклеотидов в одной цепи ДНК: 300 + 100 + 180 + 200 = 780, поскольку одну аминокислоту кодирует 3 нуклеотида, поэтому в белке должно содержаться 780/3 = 260 аминокислот.
Ответ:
1) в двухцепочечной ДНК количество нуклеотидов следующее:
А = Т = 400, Ц = Г = 380;
2) количество аминокислот, кодируемое мДНК, содержащй 780 нуклеотидов, равно 260.
