Практическое занятие №4

Механизм кодирования наследственной информации.

Генетический код, его свойства. Работа с таблицей генетического кода.

Этапы биосинтеза белка. Транскрипция. Трансляция.

Решение задач, моделирующих принцип кодирования наследственной информации.

Конструирование сборки белковой молекулы, закодированной в ДНК.

Цель: сформировать знания о генетическом коде, свойствах кода, особенностях процессов транскрипции и трансляции, принципах синтеза белков.

Оборудования: таблицы, иллюстрирующие процессы транскрипции и трансляции, модель ДНК, строение молекул ДНК, генетический код.

Освоены следующие компетенции:

ОК1. ОК2. ОК3. ОК4. ОК5. 

Необходимые пояснения:

• относительная молекулярная масса одного нуклеотида принимается за 345 г/моль
• молекулярная масса одной аминокислоты – 110-120 г/моль
• расстояние между нуклеотидами в цепи молекулы ДНК (= длина одного нуклеотида) - 0, 34 нм
• комплементарность нуклеотидов: А=Т; Г=Ц
• правила Чаргаффа:
  1. ∑(А) = ∑(Т)
  2. ∑(Г) = ∑(Ц)
  3. ∑(А+Г) = ∑(Т+Ц)

• цепи ДНК удерживаются водородными связями, которые образуются между комплементарными азотистыми основаниями: аденин с тимином соединяются двумя водородными связями, а гуанин с цитозином - тремя.

Ген – это участок ДНК, кодирующий определенный белок. Малейшее изменение структуры ДНК ведет к изменениям белка, что в свою очередь изменяет цепь биохимических реакций с его участием, определяющих тот или иной признак или серию признаков.

Первичная структура белка, т.е. последовательность аминокислотных остатков, зашифрована в ДНК в виде последовательности азотистых оснований аденина (А), тимина (Т), гуанина (Г) и цитозина (Ц). Каждая аминокислота кодируется одной или несколькими последовательностями из трех нуклеотидов – триплетами (кодонами).

Синтезу белка предшествует перенос его кода с ДНК на информационную РНК (иРНК) – транскрипция. При транскрипции выполняется принцип дополнения, или комплементарности: А, Т, Г и Ц в ДНК соответствуют У (урацил), А, Ц и Г в иРНК.

Непосредственно синтез белка, или трансляция, происходит на рибосоме: аминокислоты, подносимые к рибосоме своими транспортными РНК (тРНК), соединяются в полипептидную цепь белка соответственно триплетам оснований иРНК.

Однозначная связь между последовательностями нуклеотидов в ДНК и аминокислот в полипептидной цепи белка позволяет по одной из них определить другую. Зная изменения в ДНК, можно сказать, как изменится первичная структура белка.

При решении задач этого типа необходимо помнить и обязательно указывать в пояснениях следующее:

• каждая аминокислота доставляется к рибосомам одной тРНК, следовательно, количество аминокислот в белке равно количеству молекул тРНК, участвовавших в синтезе белка;

• каждая аминокислота кодируется тремя нуклеотидами (одним триплетом, или кодоном), поэтому количество кодирующих нуклеотидов всегда в три раза больше, а количество триплетов (кодонов) равно количеству аминокислот в белке;

• каждая тРНК имеет антикодон, комплементарный кодону иРНК, поэтому количество антикодонов, а значит и в целом молекул тРНК равно количеству кодонов иРНК;

• иРНК комплементарна одной из цепей ДНК, поэтому количество нуклеотидов иРНК равно количеству нуклеотидов ДНК. Количество триплетов, разумеется, также будет одинаковым.

Актуализация опорных знаний

1. Назовите нуклеиновые кислоты, охарактеризуйте роль нуклеиновых кислот.

2. Назовите типы РНК.

3. В каком органоиде происходит синтез белков?

4. Что является мономерами молекулы белка?

5. Сколько аминокислот входит в состав белка?

6. Какое строение имеют аминокислоты?

7. Какое строение имеет молекула белка?

8. Какую роль играют белки в организме человека?

Примеры задач по теме «Код ДНК. Синтез белка».

Пример №1. Фрагмент молекулы ДНК состоит из нуклеотидов, расположенных в следующей последовательности: ТАААТГГЦААЦЦ.

Определите состав и последовательность аминокислот в полипептидной цепи, закодированной в этом участке гена.

Решение:

1) Выписываем нуклеотиды ДНК и, разбивая их на триплеты, получаем кодоны цепи

молекулы ДНК: ТАА–АТГ–ГЦА–АЦЦ.

2) Составляем триплеты иРНК, комплементарные кодонам

ДНК, и записываем их строчкой ниже:

ДНК: ТАА–АТГ–ГЦА–АЦЦ

Таблица генетического кода

иРНК: АУУ–УАЦ–ЦГУ–УГГ.

3) По таблице кодонов определяем, какая аминокислота закодирована каждым триплетом

иРНК: Иле–Тир–Арг–Трп.

Пример №2. Фрагмент молекулы содержит аминокислоты:

аспарагиновая кислота–аланин–метионин–валин.

Определите:

а) структуру участка молекулы ДНК, кодирующего эту последовательность аминокислот;

б) количество (в %) различных видов нуклеотидов в этом участке гена (в двух цепях);

в) длину этого участка гена.

Решение:

1) По таблице кодонов находим триплеты иРНК, кодирующие каждую из указанных

аминокислот.

Белок: Асп– Ала– Мет– Вал

иРНК: ГАЦ–ГЦА–АУГ–ГУУ

Если аминокислоте соответствуют несколькими кодонов, то можно выбрать любой из

них.

2) Определяем строение той цепочки ДНК, которая кодировала строение иРНК. Для этого

под каждым кодоном молекулы иРНК записываем комплементарный ему кодон

молекулы ДНК:

1-я цепь ДНК: ЦТГ–ЦГТ–ТАЦ–ЦАА.

3) Чтобы определить количество (%) нуклеотидов в этом гене, необходимо, используя

принцип комплементарности (А–Т, Г–Ц), достроить вторую цепь ДНК:

2-я цепь ДНК: ГАЦ–ГЦА–АТГ–ГТТ.

Находим количество нуклеотидов в двух цепях – 24 нуклеотида, из них А = 6.

Составляем пропорцию: 24 нуклеотида – 100%

6 нуклеотидов – х% х = 25%.

По правилу Чаргаффа количество аденина в молекуле ДНК равно количеству тимина, а

количество гуанина равно количеству цитозина. Поэтому:

Т = А = 25% Т + А = 50%, следовательно

Ц + Г = 100% – 50% = 50%. Ц = Г = 25%.

в) Молекула ДНК всегда двухцепочечная, ее длина равна длине одной цепи. Длина

каждого нуклеотида составляет 0,34 нм, следовательно:

12 нуклеотидов x 0,34 = 4,08 нм.

Пример №3. Химический анализ показал, что 16% общего числа нуклеотидов данной и-РНК приходится на аденин, 29% — на гуанин, 42% — на цитозин. Определите процентный состав азотистых оснований ДНК, «слепком» с которой является данная и-РНК.

Решение:

1) Определяем процентное содержание уридиловых нуклеотидов в и-РНК:

100% — (16% + 29% + 42%) = 13%.

2) Определяем процентный состав той из цепочек ДНК, «слепком» с которой является

данная и-РНК (по принципу комплементарности):

А = 13% : 2 = 6,5%; Т = 16% : 2 = 8%;

Г = 42% : 2 = 21%; Ц = 29% : 2= 14,5%.

3) Вторая цепочка ДНК будет комплементарна первой:

А = 8%; Т = 6,5%; Г= 14,5%; Ц = 21%.

4) В целом в молекуле ДНК процент нуклеотидов будет равен:

А = 6,5% + 8% = 14,5%; Т = 8% + 6,5% = 14,5%;

Г = 21% + 14,5% = 35,5%; Ц = 14,5% + 21% = 35,5%.

Пример № 4. Белок состоит из 158 аминокислот. Какую длину имеет определяющий его ген, если расстояние между двумя соседними нуклеотидами в спиральной молекуле ДНК составляет 0,34?

Решение:

1) Т.к. каждая аминокислота кодируется тремя нуклеотидами, то:

158 × 3= 474 (нуклеотида)

2) Находим длину гена: 474 × 3,4= 161,16 (нм)

Пример № 5. В синтезе белковой молекулы приняли участие 145 молекул т-РНК. Определите число нуклеотидов в и-РНК, гене ДНК и количество аминокислот в синтезированной молекуле белка.

Решение:

1) Т.к. каждая т-РНК переносит 1 аминокислоту, то число аминокислот в данном белке = 145.

2) Так как каждая аминокислота кодируется тремя нуклеотидами, то число нуклеотидов в и-РНК будет: 145 × 3= 435.

3) Т.к. и-РНК синтезируется по нити ДНК, то число нуклеотидов в одной нити ДНК = 435, а в двух цепях 435 × 2=870.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Задачи для самостоятельной работы

 Задание 1. Последовательность нуклеотидов в начале гена, хранящего информацию о белке инсулине, начинается так: АААЦАЦЦТГЦТТГТАГАЦ. Напишите последовательности аминокислот, которой начинается цепь инсулина.

 Задание 2. Участок гена имеет следующее строение, состоящее из последовательности нуклеотидов: ЦГГЦГЦТЦААААТЦГ. Укажите строение соответствующего участка белка, информация о котором содержится в данном гене. Как отразится на строении белка удаление из гена четвертого нуклеотида?

 Задание 3. Вирусом табачной мозаики (РНК-содержащий вирус) синтезируется участок белка с аминокислотной последовательностью: Ала – Тре – Сер – Глу – Мет-. Под действием азотистой кислоты (мутагенный фактор) цитозин превращается в урацил. Какое строение будет иметь участок белка вируса табачной мозаики, если все цитидиловые нуклеотиды подвергнутся указанному химическому превращению?

 Задание 4. При синдроме Фанкони (нарушение образования костной ткани) у больного с мочой выделяются аминокислоты, которым соответствуют кодоны в иРНК: АУА, ГУЦ, АУГ,

УЦА, УУГ, ГУУ, АУУ. Определите, выделение каких аминокислот с мочой характерно для синдрома Фанкони, если у здорового человека в моче содержатся аминокислоты аланин, серин, глутаминовая кислота и глицин.

 Задание 5. С какой последовательности аминокислот начинается белок, если он закодирован такой последовательностью нуклеотидов: АЦГ ЦЦЦ АТГ ЦЦЦ ГГТ АЦЦ? Каким станет начало полипептидной цепи синтезируемого белка, если под влиянием рентгеновских лучей пятый нуклеотид окажется выбитым из молекулы ДНК?

 Задание 6. Определите порядок следования аминокислот в участке молекулы белка, если известно, что он кодируется такой последовательностью нуклеотидов ДНК: ТГА ТЦЦ ГТТ ТАТ ГЦГ ЦЦЦ. Как изменится белок, если химическим путем будут удалены девятый и тринадцатый нуклеотиды?

 Задание 7. Исследования показали, что в и-РНК содержится 34% гуанина, 18% урацила, 28% цитозина и 20% аденина. Определите процентный состав азотистых оснований в

участке ДНК, являющейся матрицей для данной и-РНК.

 8 Задание. Исследования показали, что в иРНК содержится 18% гуанина, 36% урацила, 22% цитозина. Определите процентный состав азотистых оснований в участке ДНК, являющегося матрицей для данной иРНК.

Задание 9. Химическое исследование показало, что 30 % общего числа нуклеотидов данной информационной РНК приходится на урацил, 26 % - на цитозин, 24 % - на аденин. Что можно сказать о нуклеотидном составе соответствующего участка двухцепочечной ДНК, слепком с которого является и-РНК?

    Задание 10. Полипептидная цепь одного белка животных имеет следующее начало: лизин —глутамин — треонин — аланин— аланин — аланин — лизин... С какой последовательности нуклеотидов начинается ген, соответствующий этому белку?

Найдите длину данного участка ДНК.

 Задание 11. Какой последовательностью нуклеотидов ДНК кодируется участок белка, если он имеет следующее строение: пролин — валин — аргинин — пролин — лейцин — валин —аргинин? Определите длину участка ДНК.

 Задание 12 . Фрагмент молекулы белка содержит аминокислоты:

глутамин – серин – лизин– валин- пролин. Определите: структуру участка молекулы ДНК, кодирующего эту последовательность аминокислот; количество (в %) различных видов нуклеотидов в этом участке гена.

 Задание 13. Белок состоит из 315 аминокислот. Установите число нуклеотидов участков молекул ДНК и и-РНК, которые кодируют данный белок, а также число молекул т-РНК, необходимых для переноса этих аминокислот к месту синтеза белка. Ответ поясните.

 Задание 14. Какую длину имеет участок ДНК, в которой закодирована первичная структура белка, если молекула его содержит 124 аминокислоты, а один нуклеотид занимает 0,34 нм в цепи ДНК? Сколько молекул т-РНК будет участвовать в переносе этого количества аминокислот к месту синтеза?

 Задание 15. Сколько нуклеотидов содержит молекула ДНК, в которой закодирован белок, состоящий из 330 аминокислот? Какую длину имеет ДНК?

 Задание 16. Белковая молекула образована 98 аминокислотами. Сколько т-РНК принимало участие в синтезе этого белка? Определите число нуклеотидов в и-РНК и в молекуле ДНК.

 Задание 17. Участок одной из двух цепей молекулы ДНК содержит 420 нуклеотидов с тимином, 210 нуклеотидов с аденином, 120 с цитозином и 300 нуклеотидов с гуанином. Какое количество нуклеотидов с А, Т, Ц, и Г содержится в двух цепях молекулы ДНК? Сколько аминокислот должен содержать белок, кодируемый этим участком молекулы ДНК? Ответ поясните.

 Задание 18. Ген содержит 1500 нуклеотидов. В одной из цепей содержится 150 нуклеотидов А, 200 нуклеоти­дов Т, 250 нуклеотидов Г и 150 нуклеотидов Ц. Сколько нуклеотидов каждого вида будет в цепи ДНК, кодирую­щей белок? Сколько аминокислот будет закодировано данным фрагментом ДНК?

 Задание 19. Антикодоны тРНК поступают к рибосомам в следующей последовательности нуклеотидов УЦГ, ЦГА, ААУ, ЦЦЦ. Определите последовательность нуклеотидов на иРНК, последовательность нуклеотидов на ДНК, кодирующих определенный белок и последовательность аминокислот во фрагменте молекулы синтезируемого белка, используя таблицу генетического кода.

 Задание 20. Фрагмент молекулы ДНК, на котором синтезируется участок тРНК, имеет следующую последовательность нуклеотидов АТА-ГЦТ-ГАА-ЦГГ-АЦТ. Установи­те нуклеотидную последовательность участка тРНК который синтезируется на данном фрагменте. Какой кодон иРНК будет соответствовать антикодону этой, тРНК, если она переносит к месту синтеза белка аминокислоту ГЛУ. Ответ поясните.

 Задание 21. В процессе трансляции участвовало 30 молекул т-РНК. Определите число аминокислот, входящих в состав синтезируемого белка, а также число триплетов и нуклеотидов в гене, который кодирует этот белок.

 Задание 22. Одна из цепей ДНК имеет последовательность нуклеотидов: ЦАТ-ГГЦ-ТГТ–ТЦЦ–ГТЦ... Объясните, как изменится структура молекулы белка, если произойдет удвоение четвертого триплета нуклеотидов в цепи ДНК?

 Задание 23. Последовательность нуклеотидов в ДНК, хранящего информацию о белке инсулине, начинается так: -АААЦАЦЦТГЦТТГТАГАЦ-.

Напишите последовательность аминокислот, которой начинается цепь инсулина (воспользуйтесь таблицей генетического кода).

 Задание 24. Фрагмент иРНК имеет следующее строение: -ГАУГАГУАЦУУЦААА-. Определите антикодоны тРНК и последовательность аминокислот, закодированную в этом фрагменте. Также напишите фрагмент молекулы ДНК, на котором была синтезирована эта иРНК.

 Задание 25. Фрагмент ДНК имеет следующую последовательность нуклеотидов -ТТАГЦЦГАТЦЦГ-. Установите нуклеотидную последовательность иРНК, которая синтезируется на данном фрагменте, и последовательность нуклеотидов, соответствующих антикодону тРНК.

 Задание 26. В результате мутации во фрагменте молекулы белка аминокислота треонин (тре) заменилась на глутамин (глн). Определите аминокислотный состав фрагмента молекулы нормального и мутированного белка и фрагмент мутированной иРНК, если в норме иРНК имеет последовательность -ГУЦАЦАГЦГАУЦААУ-. Ответ поясните. Для решения задания используйте таблицу генетического кода.

 Задание 27. В биосинтезе фрагмента молекулы белка участвовали последовательно молекулы тРНК с антикодонами ААГ, ААУ, ГГА, УАА, ЦАА. Определите аминокислотную последовательность синтезируемого фрагмента молекулы белка и нуклеотидную последовательность участка двухцепочечной молекулы ДНК, в которой закодирована информация о первичной структуре молекулы белка. Объясните последовательность ваших действий. Для решения задачи используйте таблицу генетического кода.

 Задание 28. В биосинтезе полипептида участвовали тРНК с антикодонами УУА, ГГЦ, ЦГЦ, АУУ, ЦГУ. Определите нуклеотидную последовательность участка каждой цепи молекулы ДНК, который несет информацию о синтезируемом полипептиде, и число нуклеотидов, содержащих аденин (А), гуанин (Г), Тимин (Т) и цитозин (Ц) в двуцепочной молекуле ДНК. Ответ поясните.

Задание 29. Фрагмент одной из цепей ДНК имеет следующее строение: -ГГЦТЦТАГЦТТЦ-. Постройте на ней иРНК и определите последовательность аминокислот во фрагменте молекулы белка (для этого используйте таблицу генетического кода).

 Задание 30. Сделайте вывод по работе.