Правила решения задач по молекулярной биологии на реализацию генетического кода
Задача 119.
Участок цепи мДНК имеет следующую последовательность нуклеотидов: 3’-ГТГТАТГГААГА-5’. Определите последовательность нуклеотидов на иРНК, антикодоны соответствующих тРНК и последовательность аминокислот в фрагменте молекулы белка, используя таблицу генетического кода.
Решение:
По принципу комплементарности (Г = Ц, А = У) с генетического кода мДНК выстраиваются нуклеотиды иРНК (транскрибция). К кодонам иРНК подбираются комплементарные антикодоны-триплеты нуклеотидов тРНК, и соединяются водородными связями (кодон - антикодон) тоже по принципу комплементарности.
Следовательно, при решении данной задачи необходимо записать:
мДНК: 3’-ГТГТАТГГААГА-5’;
иРНК: 5’-ЦАЦАУАЦЦУУЦУ-3’.
Для удобства, зная последовательность нуклеотидов в иРНК разобъём её на триплеты, получим:
ЦАЦ АУА ЦЦУ УЦУ.
Затем по таблице «Генетический код» определим последовательность аминокислот в полипептидной цепи:
Гис-Иле-Про-Сер.
Каждый триплет тРНК приносит определенную аминокислоту, согласно генетическому коду. Запишем антикодоны тРНК с учетом антипаралельности их кодонам иРНК, получим:
тРНК: 5’-ГУГ УАУ АГГ АГА-3’.
Ответ:
1) нуклеотидная последовательность иРНК: 5’-ЦАЦАУАЦЦУУЦУ-3’ соответствует нуклеотидной последовательности мДНК: 3’-ГТГТАТГГААГА-5’;
2) последовательность аминокислот во фрагменте полипептида находим по таблице генетического кода: Гис-Иле-Про-Сер;
3) антикодоны тРНК, кодирующие аминокислоты: Гис (5'- ГУГ -3'); Иле (5'-УАУ-3'); Про (5'-АГГ-3'); Сер (5'-АГА-3').
Задача 120.
Участок цепи мДНК: 3’-АЦЦ-АТА-ГТЦ-ЦАА-ГГА-5’.
Определите последовательность аминокислот в полипептиде.
Решение:
По принципу комплементарности (Г = Ц, А = У) с генетического кода мДНК выстраиваются нуклеотиды иРНК (транскрибция), получим:
мДНК: АЦЦ-АТА-ГТЦ-ЦАА-ГГА
иРНК: УГГ-УАУ-ЦАГ-ГУУ-ЦЦУ.
На основе триплетов иРНК и используя таблицу «Генетический код», можно построить белковую молекулу с соответствующими аминокислотами, получим:
Три-Тир-Глн-Вал-Про.
Ответ:
1) последовательность аминокислот во фрагменте полипептида находим по таблице генетического кода: Три-Тир-Глн-Вал-Про.
Задача 121.
В биосинтезе полипептида участвуют молекулы тРНК с антикодонами (5’-УАЦ-3’), (5’-УУУ-3’), (5’-ГЦЦ-3’), (5’-ЦАА-3’) в данной последовательности. Определите соответствующую последовательность нуклеотидов на иРНК, ДНК и последовательность аминокислот во фрагменте молекулы белка, используя таблицу генетического кода.
Решение:
Пользуясь принципом комплементарности с учетом антипараллельности антикодонов тРНК кодонам иРНК. Антикодону тРНК (5’-УАЦ-3’) соответствует кодон иРНК (5’-ГУА-3);, антикодону тРНК (5’-УУУ-3’) соответствует кодон (5’-ААА-3’), антикодону тРНК (5’-ГЦЦ-3’) соответствует кодон иРНК (5’-ГГЦ-3’), антикодону тРНК (5’-ЦАА-3’) кодон иРНК (5’-УУГ-3’).
Таким образом, получаем иРНК: 5’-ГУА -ААА-ГГЦ-УУГ-3’.
Используя принцип комплементарности, по иРНК можно восстановить
последовательность нуклеотидов одной цепи мДНК: 3’-ЦАТ-ТТТ-ЦЦГ-ААЦ-5’ (надо помнить, что в ДНК отсутствует урацил, вместо него становится тимин). Затем на основе мДНК строим сДНК, получим молекулу ДНК:
сДНК: 5’-ГТА-ААА-ГГЦ-ТТГ-3’
мДНК: 3’-ЦАТ-ТТТ-ЦЦГ-ААЦ-5’.
Зная последовательность кодонов в иРНК: 5’-ГУА -ААА-ГГЦ-УУГ-3’ по таблице «Генетический код» определим кодируемый белок, получим:
Вал-Лиз-Гли-Лей.
Ответ:
1) нуклеотидная последовательность иРНК: 5’-ГУА -ААА-ГГЦ-УУГ-3’;
2) последовательность ДНК:
5’-ГТА-ААА-ГГЦ-ТТГ-3’
3’-ЦАТ-ТТТ-ЦЦГ-ААЦ-5’,
нижняя цепь матричная (транскрибируемая)
ИЛИ
5’-ЦАА-ГЦЦ-ТТТ-ТАЦ -3’
3’-ГТТ-ЦГГ-ААА-АТГ -5’,
верхняя цепь матрмчная (транскрибируемая);
3) фрагмент полипептида: Вал-Лиз-Гли-Лей.
Задача 122.
В молекуле ДНК обнаружено 880 гyаниновых нуклеотидов, которые составляют 22% от общего количества нуклеотидов этой ДНК. Определите: а) сколько содержится других нуклеотидов (по отдельности) в этой молекуле ДНК; б) какова длина молкулы ДНК.
Решение:
а) расчет количества нуклеотидов (по отдельности) в молекуле ДНК
Длина нуклеотида = 0,34 нм.
Согласно принципу комплементарности гуанин всегда стоит в паре с цитозином, значит их количество одинаково, т.е. Г = Ц = 22%, а вместе они составляют 44%.
Тогда на долю остальных нуклеотидов приходится 100% - 44% = 56%. Поскольку аденин всегда находится в паре с тимином, то А = Т = 56%, а на каждого из них приходится 56/2 = 28%.
Зная процентное содержание гуаниновых нуклеотидов рассчитаем общее число нуклеотидов, получим:
Nобщ. = (880 . 100)/22 = 4000.
Так как Г = Ц по 880 каждого;
А = Т = 28%.
Отсюда
А = Т = (28 . 4000)/100 = 1120, по 1120 каждого.
б) Рассчёт длины молекулы ДНК
Поскольку молекула ДНК двухцепочечная, то чтобы узнать, сколько нуклеотидов в одной цепи, надо 4000 : 2 = 2000 пар нуклеотидов. Зная длину нуклеотида в цепи, можно вычислить длину ДНК :
2000 . 0,34 нм = 680 нм.
Ответ:
а) количество нуклеотидов каждого в отдельности, которое содержится в молекуле ДНК:
А = 1120, Т = 1120, Ц = 880, Г = 880;
б) длина молекулы ДНК равна 680 нм.
Задача 123.
Вирус коровьей оспы содержит двухцепочную ДНК. После внедрения в клетку-хозяина при участии собственной транскриптазы происходит синтез, как вирусной РНК, так и репликация вирусной ДНК. Составьте схему репликации ДНК, транскрипции и трансляции белков капсулы следующкго участка напрвляющей вирусной цепи ДНК:
5'-ГГТ ТЦА АЦЦ ТАЦ ГТА ЦЦА ЦАЦ-3'.
Решение:
1. Репликация ДНК
ДНК-полимераза работает строго в 5′ к 3′ направлении, добавляя нуклеотиды к 3′- концу растущей цепи. В ходе этого механизма фермент использует энергию гидролиза высвобождающихся при образовании связей между нуклеотидами – именно это позволяет ему преодолевать энергетический барьер для синтеза новых фрагментов.
Правая цепь молекулы ДНК комплементарна левой (А - Т, Г - Ц). Используя правило комплементарности, в соответствии с кодом известной цепи вирусной ДНК строим вторую цепь ДНК, получим следующую последовательность:
3'-ЦЦА АГТ ТГГ АТГ ЦАТ ГГТ ГТГ-5'.
Следовательно, необходимо записать:
ДНК: 5'-ГГТ ТЦА АЦЦ ТАЦ ГТА ЦЦА ЦАЦ-3'
ДНК: 3'-ЦЦА АГТ ТГГ АТГ ЦАТ ГГТ ГТГ-5'.
Нижняя цепь матричная.
2. Транскрипция иРНК
При участии собственной транскриптазы происходит синтез вирусной иРНК по принципу комплементарности (Г = Ц, А = У) с генетического кода вирусной ДНК выстраиваются нуклеотиды иРНК (транскрипция):
мДНК: 3'-ЦЦА АГТ ТГГ АТГ ЦАТ ГГТ ГТГ-5'
иРНК: 5'-ГГУ УЦА АЦЦ УАЦ ГУА ЦЦА ЦАЦ-3'.
3. Трансляции белков вирусной капсулы
Зная последовательность триплетов в иРНК и используя таблицу «Генетический код», можно построить белковую молекулу с соответствующими аминокислотами:
Гли-Сер-Тре-Тир-Вал-Про-Гис.
Ответ:
1) схема репликации ДНК (последовательность ДНК):
5'-ГГТ ТЦА АЦЦ ТАЦ ГТА ЦЦА ЦАЦ-3'
3'-ЦЦА АГТ ТГГ АТГ ЦАТ ГГТ ГТГ-5',
нижняя цепь матричная (танскрибируемая).
ИЛИ
5'-ГТГ ТГГ ТАЦ ГТА ГГТ ТГА АЦЦ-3'
3'-ЦАЦ АЦЦ АТГ ЦАТ ГГА АЦТ ТГГ-5',
верхняя цепь матричная (танскрибируемая);
2) схема транскрипции:
мДНК: 3'-ЦЦА АГТ ТГГ АТГ ЦАТ ГГТ ГТГ-5'
иРНК: 5'-ГГУ УЦА АЦЦ УАЦ ГУА ЦЦА ЦАЦ-3';
3) схема трансляции:
гли-сер-тре-тир-иал-про-гис.
иРНК: 3'-ЦЦААГТТГГАТГЦАТГГ ГТГ-5'
белок: гли-сер-тре-тир-иал-про-гис.
Задача 124.
В биосинтезе фрагмента молекулы белка последовательно участвовали молекулы тРНК в следующй последовательности (указаны антикодоны в направлении от 5’ к 3’ концу): ЦЦА, УЦУ, ГЦА, ААУ. Определите состав фрагментов молекул ДНК, иРНК и синтезируемого белка. Ответ поясните. Для решения задания используйте таблицу генетического кода.
Решение:
Пользуясь принципом комплементарности (Г = Ц, Т = А, А = У), по тРНК можно восстановить иРНК (антикодону ЦЦА комплементарен кодон УГГ, антикодону УЦУ комплементарен кодон АГА, антикодону
ГЦА комплементарен кодон УГЦ, антикодону ААУ комплементарен кодон АУУ.
Тогда последовательность нуклеотидов иРНК:
5'- УГГ АГА УГЦ АУУ -3'.
Используя принцип комплементарности, по иРНК можно восстановить последовательность нуклеотидов матричной цепи (надо быть внимательными и помнить, что в ДНК отсутствует урацил, вместо него становится тимин) ДНК:
3'-ЦТА-АГЦ-ЦГТ-АГТ-5'.
Следовательно, необходимо записать:
иРНК: 5'-УГГ АГА УГЦ АУУ-3'
мДНК: 3'-ТЦЦ ТЦТ АЦГ ТАА-5'.
Также, используя принцип комплементарности, составим смысловую цепь ДНК:
5'-АГГ АГА ТГЦ АТТ-3'.
Тогда молекула ДНК имеет вид:
5'-АГГ АГА ТГЦ АТТ-3'.
3'-ТЦЦ ТЦТ АЦГ ТАА-5'.
ИЛИ
5'-ААТ ГЦА ТЦТ ЦЦТ -3'
3'-ТТА ЦГТ АГА ГГА -5'.
Зная последовательность кодонов в иРНК: 5'-УГГ АГА УГЦ АУУ-3' по таблице «Генетический код» определим последовательность аминокислот в блке, получим: три-арг-цис-иле.
Ответ:
Схема решения задачи включает:
1) последовательность иРНК: 5'-УГГАГАУГЦАУУ-3';
2) последовательность ДНК:
5'-АГГАГАТГЦАТТ-3'.
3'-ТЦЦТЦТАЦГТАА-5',
нижняя цепь матричная (транскрибируемая);
ИЛИ
5'-ААТГЦАТЦТЦЦТ-3'
3'-ТТАЦГТАГАГГА-5',
верхяя цепь матричная (транскрибируемая);
3) фрагмент полипептида: три-арг-цис-иле.
Задача 125.
Ген содержит 1200 нуклеотидов. В одной из цепей содержится 130 нуклеотидов А, 150 нуклеотидов Т, 210 нуклеотидов Г и 110 нуклеотидов Ц. Сколько нуклеотидов каждого вида будет в молекуле ДНК, кодирующей белок? Сколько аминокислот будет закодировано данным фрагментом ДНК?
Решение:
Если в первой цепи ДНК содержится 130 аденинов, то во втрой цепи будет содеожаться 130 тиминв; если в первой цепи содржится 150 тиминов, то во второй цепи будет содержаться 150 аденинов; если в первой цепи содржится 210 гуанинов, то во второй цепи будет содержаться 210 цитозинов; если в первой цепи содржится 110 цитозинов, то во второй цепи будет содержаться 110 гуанинов. Следовательно, нуклеотидный состав второй цепи можно записать так:
А - 150, Т - 130, Г - 110, Ц – 210.
В двух цепях ДНК содержится нуклеотидов:
А 130 + 150 = 280, значит Т = А = 280;
Ц = 210 + 110 = 320, значит Ц = Г = 320.
Общее число нуклеотидов будет 1200 (А + Т + Ц + Г = 280 + 280 + 320 + 320 = 1200).
Информацию о структуре белка несет одна из двух цепей, число нуклеотидов в одной цепи ДНК равно 600 (1200/2 = 600), поскольку одну аминокислоту кодирует 3 нуклеотида, поэтому в белке должно содержаться 600/3 = 200 аминокислот.
Овет:
1) в молекуле ДНК содержится 280 аденинов, 280 тиминов, 320 цитозинов и 320 гуанинов;
2) белок, кодируемый этим участком молекулы ДНК, содержит 200 аминокислот.
Задача 126.
В одной молекуле ДНК нуклеотиды с аденином (А) составляют 31% от общего числа нуклеотидов. Определите количество (в %) нуклеотидов с тимином (Т), гуанином (Г), цитозином (Ц) в молекуле ДНК и объясните полученные результаты.
Решение:
Согласно принципу комплементарности аденин всегда стоит в паре с тимином, значит их количество одинаково, т.е. А = Т = 31%, а вместе они составляют 62%.
Тогда на долю остальных нуклеотидов приходится 100% - 62% = 38%. Поскольку гуанин всегда находится в паре с цитозином, то Г = Ц = 38%, а на каждого из них приходится 38/2 = 19%.
Ответ:
1) процентное содержание нуклеотидов в молекуле ДНК следующее:
Т = А = 31%, Ц = Г = 19%.
Задача 127.
Полипептидная цепь состоит из остатков аминокислот: валин-лейцин-гистидин-серин-изолейцин. Какова последовательность нуклеотидов на участке ДНК, кодирующем синтез этого полипептида? Какова длина данного участка ДНК?
Решение:
Длина нуклеотида = 0,34 нм.
Воспользуемся генетическим кодом для построения иРНК. Можно брать из него любой триплет, соответствующий аминокислоте. Для решения задачи, с учетом вырожденности генетического кода, для каждой предложенной по условию задачи аминокислоте будем брать первые кодоны из таблицы генетического кода, получим:
ГУУУУАЦАУУЦУАУУ.
По принципу комплементарности строим матричную ДНК, получим:
мДНК: 3’-ЦААААТГТААГАТАА-5’
иРНК: 5’-ГУУУУАЦАУУЦУАУУ-3’.
Так как общее число нуклеотидов участка мДНК равно 15, то, зная длину одного нуклеотида, определим длину участка ДНК, получим:
L(ДНК) = 15 . 0,34 = 5,1 нм.
Ответ:
1) последовательность нуклеотидов на участке ДНК, кодирующем синтез полипептида:
3’-ЦААААТГТААГАТАА-5’;
2) длина данного участка ДНК равна 5,1 нм.
