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 – адениновых нуклеотидов, 200 – тимидиновых нуклеотидов, 100 – гуаниновых нуклеотидов и 600 цитозиновых. 1. Вычислите длину данного фрагмента молекулы ДНК. 2. Вычислите количество кодонов в созревшей иРНК, что соответствует данному фрагменту молекулы ДНК. 3. Вычислите процентное содержание нуклеотидов каждого вида в созревшей иРНК. 4. Вычислите 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 равна 0,34 нм или 3,4 ангстрем (А).
Зная число нуклеотидв в цепи, можно вычислить длину ДНК:
L(н) = (1800/2) . 0,34 = 306 нм.
2. Вычисление количества кодонов в созревшей иРНК
Каждая аминокислота кодируется последовательностью из 3-х нуклеотидов (триплеты). Зная, что число нуклеотидов в экзоне кодирующей цепи ДНК равно 1200 (300 + 200 + 100 + 600 = 1200), рассчитаем число кодонов, получим:
N(код.) = 1200/3 = 400 кодонов.
3. Вычисление процентного содержания нуклеотидов каждого вида в созревшей иРНК
Экзон данного фрагмента ДНК содежит аденинов 300 штук, тиминов - 200 штук, гуанинов - 100 штук, цитозинов 600 штук. По принципу комплементарности, напротив А в цепи экзона мДНК становится У в цепи иРНК, напротив Т в цепи мДНК становится А в цепи иРНК, напротив Г в в цепи мДНК становится Ц в цепи иРНК, напротив Ц в в цепи мДНК становится Г в цепи иРНК. Тогда иРНК будет содержать 300 - урацилов, 200 - аденилов, 100 – цитозилов, 600 гуанилов. Получим, что ибщее число нуклеотидов в цепи иРНК равно 1200 (У + А + Ц + Г = 300 + 200 + 100 + 600 = 1200).
Отсюда
У = (300/1200) х 100% = 25%;
А = (200/1200) х 100% = 16,67%;
Ц = (100/1200) х 100% = 8,33%;
Г = (600/1200) х 100% = 50%.
4. Рассчитаем количество аминокислот в соответствующем фрагменте белка
Так как число кодонов в созревающей иРНК равно 400, то и полипептид будет состоять их 400 аминокислот:
N(аминокислота) = 400 кодонов = 400 аминокислот.
Ответ:
1) длина данного фрагмента молекулы ДНК равна 306 нм;
2) количества кодонов в созревшей иРНК равно 400;
3) процентное содержание нуклеотидов каждого вида в созревшей иРНК следующее:
У = 25%, А = 16,67%, Ц = 8,33%, Г = 50%;
4) количество аминокислот в соответствующем фрагменте белка равно 400.
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 нуклеотид 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. Таким образом, А = Т = 600, Ц = Г = 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.
Ответ:
1) содержание нуклеотидов в фрагменте молекулы ДНК следующее:
А = Т = 600, Ц = Г = 300;
2) количество аминокислот в белке, который кодируется этим участком ДНК равно 300;
3) количество тРНК, участвующих в трансляции, равно количеству аминокислот в полипептиде – 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 – Т, А - У, Г - Ц), получим (надо быть внимательными и помнить, что в иРНК отсутствует тимин, вместо него становится урацил):
ДНК: 3’-ГЦТТЦЦГГТГТТАЦА-5’
тРНК: 5’-ЦГААГГЦЦАЦААУГУ-3’.
Далее разбиваем нуклеотидную цепь тРНК на триплеты (кодоны):
ЦГА, АГГ, ЦЦА, ЦАА, УГУ.
Находим третий триплет 5’-ЦЦА-3’ (ЦЦА) - это есть антикодон, теперь, чтобы узнать аминокислоту, надо по данному антикодону построить соответствующий кодон в иРНК, нужно учесть, что аникодон тРНК нтипараллелен кодону иРНК. Значит, антикодону тРНК 5’-ЦЦА-3’ соответствует кодон иРНК: 3’-ГГУ-5’ или 5’-УГГ-3’.
По таблице «Генетический код» этому кодону соотвтствует аминокислота триптофан (три). В данном случае это аминокислота пролин.
Ответ:
1) нуклеотидная последовательность участка тРНК:
5’-ЦГА АГГЦЦАЦААУГУ-3’;
2) нуклеотидная последовательность антикодона ЦЦА (третий) триплет соответствует кодону иРНК УГГ:
1) по таблице «Генетический код» этому кодону соотвтствует аминокислота три, которую будет переносить данная тРНК.
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 (нуклотиды указаны в направлении от 3’ к 5’ концу): ТААЦАГАГГАЦЦААГ 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 изменения ДНК и после изменения и сравним их.
1. По принципу комплементарности (Г = Ц, А = У, Т = А) с генетического кода ДНК выстраиваются нуклеотиды иРНК (транскрибция), получим:
мДНК: 3’-ТААЦАГАГГАЦЦААГ-5’
иРНК: 5’-АУУГУЦУЦЦУГГУУЦ-3’.
Для удобства решения задачи азобьем иРНК на триплеты, получим:
иРНК: АУУ ГУЦ УЦЦ УГГ УУЦ.
Затем, пользуясь таблицей "Генетический код", определяем последовательность аминокислот, получим:
иле-вал-сер-три-фен.
2. Теперь между 10-м и 11-м нуклеотидами включим цитозин, между 13-м и 14-м – тимин, и на конце прибавим еще один гуанин, и запишем новую цепь молекулы ДНК после изменения:
3’-ТААЦАГАГГАЦЦЦАТАГГ-5’.
Далее, используя принцип комплементарности, строим молекулу иРНК, получим:
мДНК: 3’-ТААЦАГАГГАЦЦ ЦАТАГГ-5’
иРНК: 5’-АУУГУЦУЦЦУГГГУАУЦЦ-3’.
Разобьем иРНК на триплеты, получим:
иРНК: АУУ ГУЦ УЦЦ УГГ ГУА УЦЦ.
Использая таблицу "Генетический код" построим последовательность аминокислот в пептиде, получим:
иле-вал-сер-три-вал-сер.
Таким образом, во втором полипептиде вместо фенилаланина становятся аминокислоты валин и 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).
Ответ:
Схема решения задачи включает:
1) изначальная последовательность иРНК:
5’-АУУГУЦУЦЦУГГУУЦ-3’;
2) фрагмент начального полипептида: иле-вал-сер-три-фен;
3) последовательность иРНК после мутации:
5’-АУУГУЦУЦЦУГГГУАУЦЦ-3’;
4) фрагмент полипептида после мутации в ДНК иле-вал-сер-три-вал-сер;
5) если между 10 и 11 нуклеотидами включен цитозин, между 13 и 14 – тимин, а на конце рядом с гуанином прибавится еще один гуанин, то синтезируется новый полипептид, что приведет к нарушению физиологической функции клетки (организма).
Задача 172.
Определите, чем отличаются пептиды, закодированные в участках иРНК, обозначенные буквами (а) и (б). Какое свойство генетического кода иллюстрирует этот пример?
а) 5'-ЦУУГГЦУЦУУГУГАЦЦАЦЦГУ-3';
б) 5'-УУАГГГАГУУГЦГАУЦАУАГГ-3'.
Решение:
Для удобства решения задачи разобьем цепочки обеих мРНК на триплеты:
а) ЦУУ ГГЦ УЦУ УГУ ГАЦ ЦАЦ ЦГУ;
б) УУА ГГГ АГУ УГЦ ГАУ ЦАУ АГГ.
Использая таблицу "Генетический код" построим последовательность аминокислот в пептидах, получим:
а) лей-гли-сер-цис-асп-гис-арг;
б) лей-гли-сер-цис-асп-гис-арг.
Таким образом, полипептиды не отличаются друг от друга, не смотря на отличный нуклеотидный состав иРНК.
Ответ:
1) пептиды, закодированные в участках иРНК, обозначенные буквами (а) и (б) не отличаются друг от друга и имеют вид
лей-гли-сер-цис-асп-гис-арг;
2) это объясняется избыточностью (вырожденностью) генетического кода (аминокислот всего 20, а триплетов, кодирующих эти аминокислоты 61, поэтому каждая аминокислота кодируется несколькими триплетами).
