Практическое занятие № 2

Решение ситуационных задач по определению изменений в структуре нуклеиновых кислот в процессе синтеза белка, приводящие к различным заболеваниям

Цель: Закрепить полученные знания о составе, строении и функциях нуклеиновых кислот.

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.

Задачи 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.

Таблица генетического кода

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

Задание 1. Заполните таблицу.

Сравнительная характеристика    ДНК и РНК

Задание 2. Какие свойства ДНК подтверждают, что она является носителем генетической информации? Ответ поясните.

Задание 3.Полипептид состоит из следующих аминокислот:

Валин – аланин – глицин – лизин – триптофан – валин – серин.

а) Определите структуру участка ДНК, кодирующего эту полипептидную цепь;

б) Как изменится структура белка, если из кодирующего участка ДНК удалить 5-й и 13-й нуклеотиды;

в) Какие изменения произойдут в строении белка, если в кодирующем его участке ДНК между 10-м и 11-м нуклеотидом включить цитозин, между 13-м и 14-м – Тимин, а в конце включить аденин.

Задание 4.Четвертый пептид в нормальном гемоглобине состоит из следующих аминокислот: Валин, гистидин, лейцин, треонин, пролин, глутаминовая кислота, лизин. У больного серповидно- клеточной анемией состав следующий: Валин, гистидин, лейцин, треонин, пролин, глутаминовая кислота, лизин. Определите изменения в участке цепи ДНК, приводящие к заболеванию?

Задание 5. В составе фрагмента ДНК 3500 пар нуклеотидов. Анализ показал, что адениловые нуклеотиды составляют 32%. Определите число гуаниловых нуклеотидов. Какими закономерностями вы пользовались при решении задачи? Какова длина данного фрагмента ДНК?

Задание 6. В молекуле тРНК 40% – А, 10% – У, 30% – Г и 20% – Ц. Почему не соблюдается принцип комплементарности? Каков процентный состав нуклеотидов гена, кодирующего данную тРНК?

Задание 7. Какой процент нуклеотидов с цитозином содержит ДНК, если доля её адениновых нуклеотидов составляет 10% от общего числа. Ответ поясните, и  запишите соответствующее число.

Задание 8. Сколько нуклеотидов во фрагменте матричной цепи ДНК кодируют 55 аминокислот во фрагменте полипептида? Ответ поясните, и  запишите соответствующее число.

Задание 9. В двух цепях молекулы ДНК насчитывается 3000 нуклеотидов. Информация о структуре белка кодируется на одной из цепей. Подсчитайте сколько закодировано аминокислот на одной цепи ДНК. Ответ поясните, и  запишите соответствующее число.

Задание 10. В каких случаях изменение последовательности нуклеотидов ДНК не влияет на структуру и функции соответствующего белка? Ответ поясните.

Задание 11. Запишите обратную транскрипцию, т. е. постройте фрагмент двухцепочечной молекулы ДНК по предложенному фрагменту и-РНК, если цепочка и- РНК имеет следующую последовательность нуклеотидов: ГЦГ – АЦА – УУУ – УЦГ – ЦГУ – АГУ – АГА

Задание 12. Дана молекула ДНК с относительной молекулярной массой 69000, из них 8625 приходится на долю адениловых нуклеотидов. Найдите количество всех нуклеотидов в этой ДНК. Определите длину этого фрагмента.

Задание 13. Две цепи ДНК удерживаются друг против друга водородными связями. Определите число двойных и тройных водородных связей этой цепи ДНК, если известно, что нуклеотидов с тимином – 18, с цитозином – 32 в обеих цепях ДНК.

Сделайте вывод по работе.

ЗАДАЧИ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ

1. На фрагменте одной нити ДНК нуклеотиды расположены в последовательности: А–А–Г–Т–Ц–Т–А–Ц–Г–Т–А–Т. Определите процентное содержание всех нуклеотидов в этом фрагменте ДНК и длину гена.

2. На фрагменте одной цепи ДНК нуклеотиды расположены в следующем порядке: Г-Г-Ц-Ц-А-Т-Т-Т-Г-Ц-А-Т-А-Ц-Г-Т-… Определите структуру второй цепи ДНК и определите длину этого фрагмента ДНК.

3. Фрагмент первой цепи ДНК имеет следующий нуклеотидный состав:

Г–Г-Г-Ц-А-Т-А-А-Ц-Г-Ц-Т. Определите порядок чередования нуклеотидов во второй цепи. Какова длина данного фрагмента молекулы ДНК? Определите процент содержания каждого нуклеотида в данном фрагменте.

4. В молекуле ДНК цитозиновый нуклеотид составляет 20% от общего количества нуклеотидов. Определите, сколько остальных типов нуклеотидов в этой молекуле.

5. В молекуле ДНК тиминовые нуклеотиды составляют 10% от общего количества. Определить процентное содержание других видов нуклеотидов.

6. В ДНК зародыша сосны 21% нуклеотидов с аденином. Определите содержание (в %) нуклеотидов с тимином, цитозином и гуанином в молекуле ДНК.

7. В одной молекуле ДНК нуклеотиды с цитозином составляют 11% от общего числа нуклеотидов. Определите количество (в %) других нуклеотидов в молекуле ДНК.

8. Сколько содержится адениновых, тиминовых и цитозиновых нуклеотидов (в отдельности) во фрагменте молекулы ДНК, если в нём обнаружено 300 гуаниновых нуклеотидов, которые составляют 20% от общего количества нуклеотидов в этом фрагменте молекулы ДНК? Какова длина этого фрагмента ДНК?

9. Определите длину фрагмента ДНК, если ее цепочка состоит из 350 гуаниновых и 300 тиминовых нуклеотидов.

10. В молекуле ДНК находится 1250 нуклеотидов с тимином, что составляет 20% от их общего числа. Определите, сколько нуклеотидов с аденином, цитозином и гуанином содержится в отдельности в молекуле ДНК. Ответ поясните.

11.Участок молекулы ДНК имеет следующую структуру: ЦЦАТТАГГЦЦААГГТЦГТАТА. Определите структуру второй цепи ДНК и число тройных водородных связей в этом участке молекулы ДНК.

12. Участок молекулы ДНК, кодирующий часть полипептида, имеет следующее строение: АЦЦАТАГТЦЦААГГА. Определите число двойных и тройных водородных связей в этом участке молекулы.

13. На фрагменте одной цепи ДНК нуклеотиды расположены в следующем порядке:

Г-Г-Г-Ц-А-Т-А-Т-Г-Ц-Ц-Т-А-Ц-А-Т-… Определите структуру второй цепи ДНК и число двойных водородных связей в этом участке ДНК.

14. Молекулярная масса молекулы ДНК составляет 149730. Из них 42435 приходится на долю гуаниловых нуклеотидов. Найдите количество всех нуклеотидов в этой ДНК. Определите длину этого фрагмента ДНК.

15. Молекулярная масса молекулы ДНК равна 72450. Тиминовых нуклеотидов в данной молекуле 73. Определите количество других нуклеотидов и длину молекулы ДНК.

16. В состав молекулы ДНК входит 286 гуаниловых нуклеотида, а масса всех тиминовых нуклеотидов составляет 28980. Определите количество всех нуклеотидов и молекулярную массу молекулы ДНК.