Определение последовательности аминокислот в первичной структуре синтезированного белка по кодогенной цепи ДНК
Генные мутации
Задача 138.
Одина из цепей ДНК имеет следующее строение (нуклотиды указаны в направлении от 3’ к 5’ концу): ТАТЦГЦЦЦГГТГ. Определите, какое строение будет иметь синтезированная на ней иРНК? Какова будет последовательность аминокислот в первичной структуре синтезированного белка? С какими антикодонами транспортные РНК смогут переносить эти аминокислоты? Что произойдет, если пятый нуклеотид в ДНК заменится на аденин?
Решение:
По принципу комплементарности (Г - Ц, Т – А, А - У) с генетического кода ДНК выстраиваются нуклеотиды иРНК (транскрибция). К кодонам иРНК подбираются комплементарные антикодоны-триплеты нуклеотидов тРНК, и соединяются водородными связями (кодон-антикодон) тоже по
принципу комплементарности. Каждый триплет тРНК приносит определенную аминокислоту, согласно генетическому коду.
Для удобства разобьем цепи ДНК и РНК на триплеты. Следовательно, при решении данной задачи необходимо записать:
мДНК: 3’-ТАТЦГЦЦЦГГТГ-5’
иРНК: 5’-АУАГЦГГГЦЦАЦ-3’.
Зная последовательность триплетов в иРНК по таблице «Генетический код» определим последовательность аминокислот в полипептидной цепи:
иле-ала-гли-гис.
Пользуясь принципом комплементарности с учетом антипараллельности антикодонов тРНК кодонам иРНК, определим антикодоны для аминокислот. Кодону иРНК 5’-АУА-3’ соответствует антикодон тРНК 3’-УАУ-5’ (5’-УАУ-3’). Кодону иРНК 5’-ГЦГ-3’ соответствует антикодон тРНК 3’-ЦГЦ-5’ (5’-ЦГЦ-3’). Кодону иРНК 5’-ГГЦ-3’ соответствует антикодон тРНК 3’-ЦЦГ-5’ (5’-ГЦЦ-3’). Кодону иРНК 5’-ЦАЦ-3’ - антикодон тРНК 3’-ГУГ-5’ (5’-ГУГ-3’).
Теперь построим цепи мДНК и иРНК после замены пятого нуклеотида в молкуле сДНК на нуклеотид (А), получим:
ДНК: 3’-ТАТ-ЦАЦ-ЦЦГ-ГТГ-5’
иРНК: 5’-АУА-ГУГ-ГГЦ-ЦАЦ-3’.
По таблице «Генетический код» определим последовательность аминокислот в полипептидной цепи после изменения в исходной цепи ДНК, получим:
иле-вал-гли-гис.
Сравнивая цепочки аминокислот в пептидах, можно сделать вывод, что после изменения последовательности нуклеотидов в кодирующем участке ДНК, изменяется последовательность аминокислот в полипептиде (вместо аланина встанет валин), а следовательно синтезируется новый полипептид, что приводит к нарушению обмена веществ (ферментопатии).
Ответ:
Схема решения задачи включает:
1) изначальная последовательность мДНК:
3’-ТАТЦГЦЦЦГГТГ-5’;
2) изначальная последовательность иРНК:
5’-АУАГЦГГГЦЦАЦ-3’;
3) фрагмент начального полипептида: иле-ала-гли-гис;
4) нуклеотидная последовательность антикодонов тРНК, кодирующие аминокислоты в полипептиде до мутации (указаны антикодоны в направлении от 5’ к 3’ концу): УАУ,ЦГЦ,ГЦЦ,ГУГ;
5) последовательность мДНК после мутации:
3’-ТАТЦАЦЦЦГГТГ-5’’;
5) последовательность иРНК после мутации:
5’-АУАГУГГГЦЦАЦ-3’;
6) фрагмент полипептида после мутации в ДНК: иле-вал-гли-гис;
7) если пятый нуклеотид в ДНК заменится на аденин, то изменится вся последовательность нуклеотидов в иРНК, соответственно последовательность аминокислот в полипептиде, полипептид изменит свои свойства, что приведет к изменению физиологической функции в клетке (организме).
Задача 139.
Какие изменения произойдут в строении молекулы полипептида, если в участке молекулы иРНК (нуклотиды указаны в направлении от 5’ к 3’ концу): АГАГЦЦГАГУУАУЦА второй нуклеотид заменился на цитозин, а шестой – на аденин? Используя таблицу генетического кода, напишите последовательности аминокислотных остатков в полипептиде до мутации иРНК и после нее. Укажите тип мутации.
Решение:
На основе участка молекулы иРНК: 5’-АГАГЦЦГАГУУАУЦА-3’, пользуясь генетическим кодом, определяем последовательность аминокислот до замены нуклеотидов, получим: арг-ала-глу-лей-сер.
После замены второго нуклеотида на нацитозин, а шестого – на аденин (генная мутация) получим участок новой молекулы иРНК:
5’-АЦАГЦАГАГУУАУЦА-3’.
Пользуясь генетическим кодом, определяем последовательность аминокислот после замены нуклеотидов, получим: тре-ала-глу-лей-сер.
Таким образом, после замены нуклеотидов в иРНК в строении молекулы белка произойдет замена первой молекулы аминокислоты аргинина на треонин, что приведет к нарушению физиологической функции данного белка.
Ответ:
Схема решения задачи включает:
1) изначальная последовательность иРНК:
5’- АГАГЦЦГАГУУАУЦА -3’;
2) фрагмент полипептида до мутации: арг-ала-глу-лей-сер;
3) последовательность иРНК после мутации:
5’-АЦАГЦАГАГУУАУЦА-3’;
3) фрагмент полипептида после мутации: тре-ала-глу-лей-сер.
4) если в участке молекулы иРНК: АГАГЦЦГАГУУАУЦА второй нуклеотид заменился на цитозин, а шестой – на аденин, то это генная (точечная) мутация, которая может привести к синтезу нового полипептида, что приведёт к нарушению физиологической функции глетки (организма).
Задача 140.
Даны антикодоны транспортных РНК (нуклотиды указаны в направлении от 5’ к 3’ концу): UCU, ACA, AGU, CCA, GAC. Определить:
1) структуру кодирующего гена;
2) установите фрагмент закодированного полипептида;
3) процент различных нуклеотидов в этом гене;
4) первичную структуру белка, синтезируемого после выпадения пятого нуклеотида в цепи мДНК;
5) Какие аминокислоты будут включены в молекулы полипептидов без изменений, даже если изменится первый нуклеотид в кодирующем их триплете (назовите одну).
Решение:
1. По принципу комплементарности (Г - Ц, Т – А, А - У) по тРНК восстановим иРНК. Антикодону тРНК 5’-UCU-3’ комплементарен кодон иРНК 5’-АGА-3’. Антикодону тРНК 5’-ACA-3’ комплементарен кодон иРНК 5’-UGU-3’. Антикодону тРНК 5’-AGU-3’ комплементарен кодон иРНК 5’-АСU-3’. Антикодону тРНК 5’-CCA-3’ комплементарен кодон иРНК 5’-UGG-3’. Антикодону тРНК 5’-GAC-3’ комплементарен кодон иРНК 5’-GUC-3’.
Таким образом, получаем иРНК:
5’-АGАUGUACUUGGGUC-3’.
2. Затем, пользуясь генетическим кодом, определяем последовательность аминокислот в полипептиде: арг-цис-тре-три-вал.
3. Используя принцип комплементарности (Г - Ц, Т – А, А - У), по иРНК можно восстановить последовательность нуклеотидов в матричной (транскрибируемой) ДНК:
3’-ТСТАCAТGААССCAG-5’.
Теперь опять же пользуясь принципом комплементарности (Г - Ц, Т – А) на полученной цепи мДНК строим цепь сДНК: AGAТGTАСТТGGGTC. Можно записать:
сДНК: 5’-AGAТGTАСТТGGGTC-3’
мДНК: 3’-ТСТАCAТGААССCAG-5’.
4. Посчитаем количество нуклеотидов в двухцепочечной молекуле ДНК: количество А = 8 столько же будет Т, поскольку они стоят в паре. Количество G = 7, столько же будет C, так как они тоже стоят в паре. Теперь определим общее число нуклеотидов в молекуле ДНК, получим 30 (8 + 8 + 7 + 7 = 30). Теперь рассчитаем процентное содержание А = Т = (8 . 100%)/30 = 26,7% и процентное содержание G = С = (7 . 100%)/30 = 23,3%. А + Т = 26,7% + 26,7% = 53,4%. G + С = 46,6% (23,3 . 2 = 46,6).
5. После выпадения пятого нуклеотида в цепи мДНК восстановим новую цепь мДНК:
3’-ТСТАAТGААССCAG-5’.
Пользуясь принципом комплементарности, по цепи мДНК можно восстановить иРНК (кодону ТСТ комплементарен кодон АGА, кодону AAT комплементарен кодон UUA, кодону СCC кодон GGG, нуклеотидам АG нуклеотиды UC. Таким образом, получаем иРНК:
5’-AGAUUACUUGGGUC-3’.
Пользуясь генетическим кодом, определяем последовательность аминокислот в полипептиде: арг-лей-лей-гли.
6. Аминокислота аргинин встречается в полипептиде до мутации и после мутации.
Ответ:
Схема решения задачи включает:
1) изначальная последовательность иРНК:
5’-АGАUGUACUUGGGUC-3’;
2) фрагмент полипептида до мутации: арг-цис-тре-три-вал;
3) последовательность ДНК:
5’-AGAТGTАСТТGGGTC-3’
3’-ТСТАCAТGААССCAG-5’,
нижняя цепь матричная (транскрибируемая);
ИЛИ
5’-GACCCAAGTACATCT-3’
3’-CTGGGTТCАTGTAGA-5’,
верхяя цепь матричная (транскрибируемая);
3) фрагмент полипептида: арг-цис-тре-три-вал.
4) процент различных нуклеотидов в этом гене:
А = Т = 26,7%; G = С = 23,3%;
5) фрагмент полипептида после мутации: арг-лей-лей-гли;
6) аминокислота аргинин (арг) будет включена в полипептид без изменений до и после мутации.
Задача 141.
Участок гена транскрибируется с образованием иРНК следующего вида: 5’-УГГЦАААГААЦАААА-3'. Какие изменения произойдут в полипептиде, что транслируется по данной иРНК, если перед транскрипцией в матричной цепи ДНК между 10 и 11 нуклеотидами включился цитозин, между 13 и 14 нуклеотидами - гуанин, а в конце добавился тимин?
Решение:
Для удобства разобьем иРНК на триплеты:
УГГ ЦАА АГА АЦА ААА.
Используя таблицу «Генетический код», определим последовательность аминокислот в пептиде, получим: три-глн-арг-тре-лиз.
По принципу комплементарности (Г - Ц, Т – А, А - У) с иРНК следующего вида: '5-УГГЦАААГААЦАААА-3' выставим нуклеотдную последовательность матричного участка цепи ДНК, получим:
мДНК: 3’-АЦЦГТТТЦТТГТТТТ-5’
иРНК: 5’-УГГЦАААГААЦАААА-3'.
После изменения в матричной ДНК построим новую цепь ДНК и иРНК, получим:
мДНК: 3’-АЦЦГТТТЦТТЦГТТГТТТ-5’
иРНК: 5’-УГГЦАААГААГЦААЦААА-3’.
Для удобства разобьем иРНК на триплеты:
УГГ ЦАА АГА АГЦ ААЦ ААА.
Используя таблицу «Генетический код», определим последовательность аминокислот в пептиде, получим: три-глн-арг-сер-асн-лиз.
Таким образом, после изменения в матричной цепи ДНК происходит синтез нового полипептида отличного от исходного, вместо тетрапептида образуется гегсапептид.
Ответ:
Схема решения задачи включает:
1) изначальная последовательность иРНК:
5’-УГГЦАААГААЦАААА-3';
2) изначальная последовательность мДНК:
3’-АЦЦГТТТЦТТГТТТТ-5’;
3) фрагмент начального полипептида: три-глн-арг-тре-лиз;
4) последовательность мДНК после мутации:
3’-АЦЦГТТТЦТТЦГТТГТТТ-5’;
5) последовательность иРНК после мутации:
5’-УГГЦАААГААГЦААЦААА-3’;
6) фрагмент полипептида после мутации в ДНК: три-глн-арг-сер-асн-лиз;
7) после изменения цепи мДНК изменится вся последовательность нуклеотидов в иРНК, соответственно последовательность аминокислот в полипептиде, что приведет к изменению физиологической функции в клетке (организме).
Задача 142.
Кодогенная цепь ДНК имеет следующее строение (нуклотиды указаны в направлении от 3’ к 5’ концу):
ГГЦТГГТГГЦГТГТАЦАА. В результате ионизирующего излучения шестой слева нуклеотид выпал из цепи (делеция нуклеотида). Как изменится строение закодированного в этой цепи ДНК полипептида в результате выпадения нуклеотида?
Решение:
По принципу комплементарности (Г - Ц, Т – А, А - У) с генетического кода ДНК выстраиваются нуклеотиды иРНК (транскрибция). Следовательно, при решении данной задачи необходимо записать:
мДНК: 3’-ГГЦТГГТГГЦГТГТАЦАА-5’
иРНК: 5’-ЦЦГАЦЦАЦЦГЦАЦАУГУУ-3’.
Зная последовательность триплетов в иРНК по таблице «Генетический код» определим последовательность аминокислот в полипептидной цепи.
Для удобства разобьем цепь иРНК на триплеты:
ЦЦГ АЦЦ АЦЦ ГЦА ЦАУ ГУУ.
Участок полипептидной цепи будет состоять из следующей последовательности аминокислот:
про-тре-тре-ала-гис-вал.
Теперь построим цепи мДНК и иРНК после выпадения шестого нуклеотида, получим:
мДНК: 3’-ГГЦТГТГГЦГТГТАЦАА -5’
иРНК: 5’-ЦЦГАЦАЦЦГЦАЦАУГУУ-3’.
По таблице «Генетический код» определим последовательность аминокислот в полипептидной цепи. Для удобства разобьем цепь иРНК на триплеты:
ЦЦГАЦАЦЦГЦАЦАУГУУ.
Должна получиться последовательность аминокислот:
про-тре-про-гис-мет.
Таким образом, эта мутация (делеция 6-го нуклеотида) приводит к нарушению синтеза исходного полипептида и новая молекула полипептида вряд ли будет полноценно выполнять свои функции. Происходит синтез нового полипептида отличного от исходного. Это пример точечной мутации, которая приводит к изменению физиологической функции клетки или даже организма.
Ответ:
Схема решения задачи включает:
1) фрагмент начального полипептида:
про-тре-тре-ала-гис-вал;
2) фрагмент полипептида после мутации в ДНК:
про-тре-про-гис-мет;
3) если выпадет шестой нуклеотид в, то изменится вся последовательность нуклеотидов в иРНК, соответственно последовательность аминокислот в полипептиде, полипептид изменит свои свойства, что приведет к изменению физиологической функции в клетке (организме).
Определение общей массы всех молекул ДНК в ядре клетки
Задача 143.
Общая масса всех молекул ДНК в 46 хромосомах одной соматической клетки человека составляет около 6 • 10-9 мг. Определите массу всех молекул ДНК в ядре клетки при сперматогенезе перед началом мейоза, и после окончания мейоза. Объясните полученные результаты.
Решение:
1. В соматической клетке хромосомный набор имеет вид: 2n2c, где 2n = 46 хромосом; 2с = 46 хроматид (6 . 10-9 мг).
2. Перед началом мейоза хромосомный набор остается диплоидным, но хромосомы двухроматидными - 2n4c, где 2n = 46 хромосомы; 4с (6 . 10-9 мг . 2 = 12 . 10-9 мг).
3. После окончания мейоза образуются сперматозоиды, которые будут содержать гаплоидный набор хромосом, но хромосомы будут имет одну хроматиду - nc, где n = 23 хромосомы; с (6 . 10-9 мг/2 = 3 . 10-9 мг).
Таким образом, при сперматогенезе у человека образуются сперматозоиды, содержащие 23 хромосомы, 23 хроматиды, ДНК 3 . 10-9 мг (с).
Ответ:
3 . 10-9 мг.
Количественные характеристики молекул ДНК и РНК при образовании белка известтной массы
Задача 144.
В ходе трансляции образован белок, имеющий массу 22000 Да. Дайте ответы на вопросы:
Каково количество аминокислот в данном белке (относительная молекулярная масса одной аминокислоты равна 100 Да)?
Каково количество нуклеотидов в молекуле зрелой иРНК, которая была транскрибирована на рибосоме?
Каково количество нуклеотидов в молекуле незрелой иРНК, которая была транскрибирована на рибосоме, если в процессе процессинга было удалено 40 нуклеотидов?
Каково количество нуклеотидов в матричной цепи ДНК?
Каково количествово нуклеотидов на участках интронов в матричной цепи ДНК?
Каково количество витков спирали на участке молекулы ДНК, где закодирован данный белок?
Решение:
1. Так как относительная молекулярная масса одной аминокислоты равна 100 Да, то количество аминокислот в молекуле белка определяется делением молекулярной массы белка на относительную молекулярную массу кослоты, получим:
N(ам-т) = Мr(белок)/Мr(ам-та) = 22000/100 = 220 аминокислот.
2. Зрелая иРНК состоит только из экзонов - оснований, которые кодируют последовательность аминокислот в полипептиде. За кодирование одной аминокислоты отвечает триплет (три нуклеотида), поэтому количество нуклеотидов в зрелой иРНК определяется умножением общего числа аминокислот белка на 3, получим:
N(нд) = N(ам-т) . 3 = 220 . 3 = 660 нуклеотидов.
3. Незрелая иРНК имеет в своем составе интроны (неинформативные участки) и экзоны (несущие информацию о белке). Так как в процессе процессинга было удалено 40 нуклеотидов (это интрон), то количество нуклеотидов в молекуле незрелой иРНК составляет сумму нуклеотидов экзона (660) и интрона (40):
N(нд) = 660 + 40 = 700 нуклеотидов.
4. Матричная цепь ДНК представляет собой последовательность нуклеотидов в цепи кодирующих наследственную информацию, ее нуклеотидная последовательность напрямую соответствует последовательности транскрипта РНК, т.е. она состоит из интронов и экзонов. Поэтому количество нуклеотидов в матричной цепи ДНК и в незрелой иРНК одинаково, т.е. составляет 700 нуклеотидов.
5. Количество нуклеотидов на участках интронов в матричной цепи ДНК равно числу нуклеотидов, которое было удалено в процессе процессинга незрелой иРНК, т.е. 40 нуклеотидов.
6. Так как матричная цепь ДНК состоит из 700 нуклеотидов, то это значит, что двойная спираль ДНК состоит из 700 пар нуклеотидов. На один виток спирали ДНК приходится 10 пар нуклеотидов.
Тогда количество витков спирали на участке молекулы ДНК равно:
70 витков (700 : 10 = 70).
Ответ:
1) количество аминокислот в белке: - 220;
2) количество нуклеотидов в молекуле зрелой иРНК - 660;
3) количество нуклеотидов в молекуле незрелой иРНК - 700;
4) количество нуклеотидов в матричной цепи ДНК - 700
5) количество нуклеотидов на участках интронов в матричной цепи ДНК – 40;
6) количество витков спирали на участке молекулы ДНК – 70.
