Вычисление состава нуклеотидов в ДНК и РНК. Синтез пептидов
Задача 167.
Фрагмент кодирующей цепи ДНК гена белой лабораторной мыши содержит 1800 нуклеотидов. 600 из них принадлежат к интронам. Экзоны данного фрагмента гена содержат 300 – адениловых нуклеотидов, 200 – тимидиловых нуклеотидов, 100 – гуаниловых нуклеотидов.Вычислить длину данного фрагмента молекулы ДНК, количество кодонов в созревшей и-РНК, что соответствует данному фрагменту молекулы ДНК. Вычислить процентное содержание нуклеотидов каждого вида в созревшей иРНК и количество аминокислот в соответствующем фрагменте белка.
Решение:
Экзон - это кодирующая область гена, которая кодирует аминокислотную последовательность функционального белка. Интрон - это участки ДНК, которые не кодируют какую-либо аминокислотную последовательность в кодирующей области. Интроны распологаются между экзонами.
1. Вычисление длины данного фрагмента молекулы ДНК
Линейная длина одного нуклеотида в нуклеиновой кислоте:
lн = 0,34 нм = 3,4 ангстрем.
Зная число нуклеотида в цепи, можно вычислить длину ДНК:
lн = (1800/2) . 0,34 нм = 306 нм.
2. Вычисление количества кодонов в созревшей и-РНК
Каждая аминокислота кодируется последовательностью из 3-х нуклеотидов. Зная число нуклеотидов в одной цепи - 600 нуклеотидов (300 + 200 + 100 = 600), рассчитаем число кодонов, получим:
N(кодон) = 600/3 = 200 кодонов.
3. Вычисление процентного содержания нуклеотидов каждого вида в созревшей иРНК
Экзон данного фрагмента ДНК содежит 1200 нуклеотидов (1800 - 600 = 1200), из которых одна цепь содержит аденинов 300 штук, тиминов - 200 штук, гуанинов - 100 штук. По принципу комплементарности А всегда стоит в паре с Т (А = Т), а Г всегда образует пару с Ц (Г = Ц). Тогда вторая цепь экзона, согласно принципу комплементарности будет содержать 300 - тиминв, 200 - аденинов, 100 - цитозинов. Получим, что ибщее число аденинов равно 500 (300 в первой цепи и 200 во второй), тиминов - 500 (200 в первой цепи и 300 во второй), гуанинов 100 (содержатся в первой цепи) и цитозинов тоже 100 (содержатся во второй цепи).
Отсюда
А = Т = 500/1200 = 0,4167 или 41,67%;
Г = Ц = 100/1200 = 0,0833 или 8,33%.
4. Рассчитаем количество аминокислот в соответствующем фрагменте белка, получим:
N(аминокислота) = 200 кодонов = 200 аминокислот.
Задача 168.
Определенный участок одной цепочки ДНК содержит 200 А (аденинов), 400 Т (тиминов), 100 Г (гуанинов) и 200 Ц (цитозинов). Сколько А, Т, Г и Ц (по отдельности) содержится в двуцепочечной ДНК? Сколько аминокислот в белке, который кодируется этим участком ДНК? Сколько тРНК необходимо для проведения трансляции?
Решение:
1. По принципу комплементарности А всегда стоит в паре с Т, а Г всегда образует пару с Ц, значит вторая цепь ДНК содержит, соответственно, 200 Т (тиминов), 400 А (аденинов), 100 Ц (цитозинов) и 200 Г (гуанинов). Теперь можно посчитать нуклеотиды в двух цепях: А = 200 в первой цепи + 400 во второй цепи = 600, Т = А тоже 600, Г = 100 в одной цепи + 200 во второй цепи = 300%, значит Ц тоже будет 300.
2. Информацию о структуре белка несет одна из двух цепей, число нуклеотидов в одной цепи ДНК 200 + 400 + 100 + 200 = 900, поскольку одну аминокислоту кодирует 3 нуклеотида, поэтому в белке должно содержаться 900 : 3 = 300 аминокислот.
3. Количество тРНК, участвующих в трансляции, равно количеству кодонов иРНК, шифрующих аминокислоты. Каждый кодон содержит 3 нуклеотида, значит число тРНК равно 900 : 3 = 300.
Задача 169.
Известно, что все виды РНК синтезируются на ДНК-матрице. Фрагмент молекулы ДНК, на которой синтезируется участок центральной петли тРНК, имеет следующую последовательность нуклеотидов (верхняя цепь смысловая, нижняя транскрибируемая).
5’-ЦГААГГГГАЦААТГТ-3’
3’-ГЦТТЦЦЦЦТГТТАЦА-5’
Установите нуклеотидную последовательность участка тРНК, который синтезируется на данном фрагменте, обозначьте 5’ и 3’ концы этого фрагмента и определите аминокислоту, которую будет переносить эта тРНК в процессе биосинтеза белка, если третий триплет с 5’ конца соответствует антикодону тРНК. Ответ поясните. Для решения задания используйте таблицу генетического кода.
Решение:
Необходимо помнить, что все виды РНК (иРНК, тРНК, рРНК) синтезируются на ДНК, для этого есть разные гены. На основе кода матричной цепи ДНК строим тРНК, пользуясь принципом комплементарности (А - У, Г - Ц), получим (надо быть внимательными и помнить, что в иРНК отсутствует тимин, вместо него становится урацил):
ДНК: 3’-ГЦТТЦЦЦЦТГТТАЦА-5’
тРНК: 5’-ЦГААГГГГАЦААУГУ-3’
Далее разбиваем полученную тРНК на триплеты (кодоны):
5’-ЦГА-АГГ-ГГА-ЦАА-УГУ-3’
Находим третий триплет – ГГА – это есть антикодон, теперь, чтобы узнать аминокислоту, надо по данному антикодону построить соответствующий кодон в иРНК - ЦЦУ, и затем по таблице «Генетический код» определить кодируемую аминокислоту. В данном случае это аминокислота пролин.
Ответ: тРНК будет переносить пролин.
Задача 170.
При изучении нуклеотидного состава фрагмента молекулы ДНК кошки было установлено, что в пробе доля нуклеотидов с тимином составляет 33%. Пользуясь правилом Чаргаффа, описывающим количественные соотношения между различными типами азотистых оснований в ДНК (Г + T = A + Ц), рассчитайте в этой пробе процент нуклеотидов с гуанином.
Решение:
Согласно принципу комплементарности тимин всегда стоит в паре с аденином, значит их количество одинаково, т.е. Т = А = 33%, а вместе они составляют 66%. Тогда на долю остальных нуклеотидов приходится 100% - 66% = 34%. Поскольку гуанин всегда находится в паре с цитозином, то Г = Ц = 34%, а на каждого из них приходится 34 : 2 = 17%. Значит, процент нуклеотидов с гуанином составляет 17%.
Задачу можно решить и так. Пользуясь правилом Чаргаффа, описывающим количественные соотношения между различными типами азотистых оснований в ДНК (Г + T = A + Ц), рассчитаем в этой пробе процент нуклеотидов с гуанином, получим:
(Г + T = A + Ц);
Г = [100% - (T + A)]/2 = [100% - (33 + 33)]/2 = 17%.
Синтез пептидов
Задача 171.
Какие изменения произойдут в строении белка, если в кодирующем его участке ДНК:
Т – А – А – Ц – А – Г – А – Г – Г – А – Ц – Ц – А – А – Г… между 10 и 11 нуклеотидами включен цитозин, между 13 и 14 – тимин, а на конце рядом с гуанином прибавится еще один гуанин?
Решение:
Определим последовательность аминокислот до и после изменения ДНК и сравним их.
По принципу комплементарности (Г = Ц, А = У) с генетического кода ДНК выстраиваются нуклеотиды иРНК (транскрибция), получим:
ДНК: Т – А – А – Ц – А – Г – А – Г – Г – А – Ц – Ц – А – А – Г
иРНК: А - У - У - Г - У - Ц - У - Ц - Ц - У - Г - Г - У - У - Ц
Разобьем иРНК на триплеты, получим:
иРНК: АУУ ГУЦ УЦЦ УГГ УУЦ
Затем, пользуясь таблицей "Генетический код", определяем последовательность аминокислот, получим:
изолейцин - валин - серин - триптофан - фенилаланин.
Теперь между 10-м и 11-м нуклеотидами включаем цитозин, между 13-м и 14-м – тимин, и на конце прибавится еще один гуанин и записываем новую цепь молекулы ДНК после изменения:
Т – А – А – Ц – А – Г – А – Г – Г – А - Ц – Ц – Ц – А - Т – А – Г - Г,
на ней, используя принцип комплементарности, строим молекулу иРНК, получим:
ДНК: Т – А – А – Ц – А – Г – А – Г – Г – А - Ц – Ц – Ц – А - Т – А – Г - Г
иРНК: А - У - У - Г - У - Ц - У - Ц - Ц - У - Г - Г - Г - У - А - У - Ц - Ц
Разобьем иРНК на триплеты, получим:
иРНК: АУУ ГУЦ УЦЦ УГГ ГУА УЦЦ
Затем, пользуясь таблицей "Генетический код", определяем последовательность аминокислот, получим:
изолейцин - валин - серин - триптофан - валин - серин.
Сравнивая цепочки аминокислот в пептидах, можно сделать вывод, что после изменения последовательности нуклеотидов в кодирующем участке ДНК, изменяется последовательность и число аминокислот в полипептиде, а следовательно синтезируется новый полипептид, что приводит к нарушению обмена веществ (ферментопатии).
Задача 172.
Определите, чем отличаются пептиды, закодированные в участках иРНК, обозначенные буквами а и б. Какое свойство генетического кода иллюстрирует этот пример?
а) ...5'-ЦУУ-ГГЦ-УЦУ-УГУ-ГАЦ-ЦАЦ-ЦГУ-3'...
б) ...5'-УУА-ГГГ-АГУ-УГЦ-ГАУ-ЦАУ-АГГ-3'...
Решение:
Использая таблицу "Генетический код" построим последовательность аминокислот в пептидах, получим:
а) лейцин-глицин-серин-цистеин-аспарагиновая кислота-гистидин-аргинин;
б) лейцин-глицин-серин-цистеин-аспарагиновая кислота-гистидин-аргинин.
Таким образом, полипептиды не отличаются друг от друга, не смотря на отличный нуклеотидный состав иРНК.
Выводы:
1) этот пример характеризует избыточность (вырожденность) генетического кода: аминокислот всего 20, а триплетов, кодирующих аминокислоты 61, поэтому каждая аминокислота кодируется несколькими триплетами.
