Решение задач по цитологии на реализацию наследственной информации в клетке

Задача 112.
Последовательность нуклеотидов фрагмента цепи ДНК: ЦТАТТГЦАГЦТЦАГГ. Определите последовательность нуклеотидов на иРНК и порядок расположения аминокислот в соответствующем полипептиде. Объясните, что произойдет со структурой белка, если в первом триплете цепи ДНК произошло удвоение третьего нуклеотида? Для выполнения задания используйте таблицу генетического кода.
Решение:
В задаче надо определить последовательность аминокислот до и после мутации и сравнить их. На цепи ДНК строим иРНК (ГАУ-ААЦ-ГУЦ-ГАГ-ЦГЦ), затем, пользуясь генетическим кодом, определяем последовательность аминокислот (аспарагиновая кислота-аспарагин-валин-глутамин-аргинин). Теперь удваиваем третий нуклеотид в первом триплете и записываем новую цепь молекулы ДНК после мутации: ЦТА АТТ ГЦА ГЦТ ЦАГГ, на ней, используя принцип комплементарности, строим молекулу иРНК (ГАУ-УАА-ЦГУ-ЦГА-ГУЦ-Ц) и находим по генетическому коду аминокислоты (аспарагиновая кислота-(стоп-кодон)-аргинин-аргинин-валин). Получается, что после аспарагиновой кислоты синтез белка прекращается и в последующем образуется трипептид: аргинин-аргинин-валин. Сравнивая цепочки аминокислот, можно сделать вывод, что удвоение (вставка) нуклеотида полностью изменяет генетический код, цепочку аминокислот, а следовательно приводит к потере биохимических свойств белка-фермента. В живом организме не идет химическая реакция, что приводит к генной болезни (ферментопатии).  
 

Задача 113.
Какие изменения произойдут в строении белка, если в кодирующем его участке ДНК – ТАА ЦАА АТА АЦА ААА между 2-м и 3-м нуклеотидами включен цитозин, между 6-м и 7-м – тимин, и на конце еще один аденин?
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: ТАА ЦАА АТА АЦА ААА
иРНК: АУУ ГУУ УАУ УГУ УУУ.

Затем, пользуясь генетическим кодом, определяем последовательность аминокислот, получим: изолейцин — валин — тирозин — цистеин — фенилаланин. 
Теперь между 2-м и 3-м нуклеотидами включаем цитозин, между 6-м и 7-м – тимин, и на конце еще один аденин и записываем новую цепь молекулы ДНК после изменения:
ТАЦ АЦА АТА ТАА ЦАА ААА, на ней, используя принцип комплементарности, строим молекулу иРНК, получим:

 ДНК: ТАЦ АЦА АТА ТАА ЦАА ААА
иРНК: АЦГ УГУ УАУ АУУ ГУУ УУУ.

Пользуясь генетическим кодом, определяем последовательность аминокислот после изменения цепи в молекуле ДНК, получим: 
треонин — цистеин — тирозин — изолейцин — валин — фенилаланин.
Сравнивая цепочки аминокислот в пептидах, можно сделать вывод, что после изменения последовательности нуклеотидов в кодирующем участке ДНК, изменяется последовательность аминокислот в полипептиде, а следовательно синтезируется новый полипептид, что приводит к нарушению обмена веществ (ферментопатии).
 

Задача 114.
Одна цепочка ДНК содержит следующую последовательность азотистых оснований: ЦАТАГГЦТАГТЦ. Восстановите вторую цепочку ДНК, по ней постройте информационную РНК и определите последовательность аминокислот на данном участке молекулы.
Решение:
1-я цепь молекулы ДНК комплементарна 2-й (А — Т, Г — Ц). Используя правило комплементарности, в соответствии с кодом правой цепи ДНК записываем нуклеотиды левой цепи, получим:

1-я цепь ДНК: ЦАТ АГГ ЦТА ГТЦ
2-я цепь ДНК: ГТА ТЦЦ ГАТ ЦЦГ

По принципу комплементарности (Г = Ц, А = У) с генетического кода ДНК выстраиваются нуклеотиды иРНК (транскрибция) по 2-й цепочке ДНК, получим:

 ДНК: ГТА ТЦЦ ГАТ ЦЦГ
иРНК: ЦАУ АГГ ЦУА ГГЦ

Затем, пользуясь генетическим кодом, определяем последовательность аминокислот, получим: гистидин — аргинин — лейцин — глицин.
 

Задача 115.
Дана цепь ДНК: ЦЦА ЦТА АТГ ТАА. Определите:
А) Первичную структуру закодированного белка.
Б) Процентное содержание различных видов нуклеотидов в этом гене (в двух цепях).
В) Длину этого гена.
Г) Длину белка.
Решение:
Линейная длина одного аминокислотного остатка в полипептидной цепи – 0,35 нм;
длина одного нуклеотида — 0,34 нм.

А) На основе кода цепи ДНК строим иРНК пользуясь принципом комплементарности (А-У, Г-Ц), разбивая ее на триплеты (кодоны): Г-Г-У Г-А-У У-А-Ц А-У-У. Используя таблицу «Генетический код», можно построить белковую молекулу с соответствующими аминокислотами: глицин — аспарагиновая кислота — тирозин — изолейцин, т.е. полипептид состоит из 4 аминокислотных остатков.

Б) Посчитаем количество нуклеотидов в цепи ДНК, получим: общее число нуклеотидов — 12 шт.; число аденинов — 5; число тиминов — 3; число гуанинов — 1; числои цитозинов — 3. Теперь по принципу комплементарности можно посчитать нуклеотиды во второй цепи ДНК. Если в первой цепи 3 тимина, то во второй цепи будет 3 аденина (Т = А), если в первой цепи 3 цитозина, то во второй цепи будет 3 гуанина (Ц = Г), соответственно во второй цепи будет 1 цитозин напротив Г (Г = Ц) и 5 тимина напротив А (А = Т). Теперь можно посчитать нуклеотиды в двух цепях: А = 5 в первой цепи + 3 во второй цепи = 8, Т = А тоже 8, Г = 1 в одной цепи + 3 во второй цепи = 4, значит Ц тоже будет 4. Общее количество нкулеотидов в в двух цепях ДНК = 24 (12 •2 = 24). Теперь рассчитаем процентное содержание различных видов нуклеотидов в этом гене, получим: А = Т = 33,3% (824 • 100 = 33,3%); Г = Ц = 16,7% (424 • 100 = 16,7%).

В) Зная количество нуклеотида в цепи  можно вычислить длину ДНК: 12 х 0,34 нм = 4,08 нм.

Г) Зная длину аминокислотного остатка в полипептидной цепи, можно вычислить длину белка: 4 х 0,35 нм = 1,4 нм.
 

Задача 116.
У человека, свиньи и кролика белковый гормон инсулин различается лишь по одной аминокислоте: в положении 30 у кролика в цепи имеется серин, у свиней – аланин, у человека треонин. Установите какие точковые мутации могли привести к возникновению вариантов инсулина.
Решение:
Каждой аминокислоте белка соответствует комбинация из трех нуклеотидов ДНК. Как известно, в состав ДНК могут входить четыре азотистых основания: аденин (А), гуа­нин (Г), тимин (Т) и цитозин (Ц). Оказалось, что многим аминокислотам соответствует не один, а несколько кодонов. Аминокислоте серину соответствуют 6 кодонов – АГА, АГГ, АГТ, АГЦ, ТЦА и ТЦГ, аминокислоте аланину соответствуют 4 кодона – ЦГА, ЦГГ, ЦГТ и ЦГЦ, аминокислоте треонину 4 кодона — ТГА, ТГГ, ТГТ и ТГЦ. Из чего следует, что первые 4 кодона серина и по 4 кодона аланина и треонина отличаются друг от друга только первыми нуклеотидами, у серина это (А) аденин, у аланина — (Ц) цитозин, у треонина — (Т) тимин. Получается, что случайная ошибка в первом нуклеотиде кодона сможет привести к изменению в структуре белка. 
Таким образом, замена в цепи ДНК аденина (А) на цитозин (Ц) приводит к изменению в структуре белка, замена серина на аланин, т.е. к синтезу инсулина свиньи. Если произойдёт замена цитозина на тимин в данном положении цепи ДНК, то в структуре белка произойдёт замена аланина на треонин, что приведёт к синтезу инсулина человека. Очевидно, что точковые мутации в данном конкретном положении ДНК по замене нуклеотидов адениена, цитозин и тимина привели к возникновению этих вариантов
инсулина в процессе эволюции позвоночных животных.
 

Задача 117.
Помните, что ДНК представляет собой последовательность букв A, C, T и G. A связывается с T, а C связывается с G. Решение определяется последовательностью ДНК, такой как ACAC или ТG, и концентрацией в микромолярных единицах. (мкМ = 10^-6М).
Попробуйте смешать 5,0 мл 0,50 мкМ ACAC с 40 мл 0,50 мкг ТG. Определить, какие реагенты и в каком количестве должны присутствовать в конечном растворе.
Решение:
Последовательность ДНК до реакции — 1-я цепь: А-С-А-С
Последовательность ДНК после реакции — А-С-А-С + 2TG =   1-я цепь: А-С-А-С, 2-я цепь: Т-G-T-G
1. Рассчитаем количество реагентов AC в растворе, получим:

n(AC) = (5 • 0,50)/1000 = 0,0025 мкМ.

2. Рассчитаем количество реагентов T, G в растворе, получим:

n(TG) = (40 • 0,50)/1000 = 0,02 мкМ. Значит, ТG взято в избытке: 0,02 >  0,0025.

3. Определить, какие реагенты и в каком количестве должны присутствовать в конечном растворе.
Так как в реакцию вступают реагенты АC и TG в соотношении: n(AC) = 2n(TG), то 0,0025 мкМ (АС) прореагирует с 0,005 мкМ (ТG) (2•0,0025 =
= 0,005), n(прореаг.)(TG) = 0,005 мкМ.

Тогда можно рассчитать остаток ТG в конечном растворе, получим:

n(ост.)(TG) =  n(TG) — n(прореаг.)(TG) =  0,02 — 0,005 = 0,015 мкМ или 15 • 10^-9 молей.

Ответ: n(ост.)(TG) = 0,015 мкМ или 15 • 10^-9 молей.
 

Задание 118.
1. Фрагмент молекулы ДНК состоит из нуклеотидов, расположенных в следующей последовательности: А–А–Г–Т–Ц–Т–А–Ц–Г–Т–А–Т-Т-Ц-Т-А-А
1) Достройте комплементарную цепочку ДНК.
2) Найдите длину данного фрагмента ДНК.
3) Найдите массу данного фрагмента ДНК.
2. В молекуле ДНК на долю цитидиловых нуклеотидов (Ц) приходится 48%. Определите процентное содержание других нуклеотидов в этой ДНК.
3. Белок человека – миоглобин имеет молекулярную массу 16890 Da. Определите количество аминокислотных остатков в молекуле этого белка.
Решение:
Длина нуклеотида = 0,34 нм;
средняя молекулярная масса нуклеотида = 300 а.е.м. (атомных единиц массы);
средняя молекулярная масса аминокислоты = 110 а.е.м. (атомных единиц массы).

1. Фрагмент молекулы ДНК: А–А–Г–Т–Ц–Т–А–Ц–Г–Т–А–Т-Т-Ц-Т-А-А

1) 1-я цепь молекулы ДНК комплементарна 2-й (А — Т, Г — Ц). Используя правило комплементарности, в соответствии с кодом правой цепи ДНК записываем нуклеотиды 2-й цепи, получим:

1-я цепь ДНК: А–А–Г–Т–Ц–Т–А–Ц–Г–Т–А–Т–Т–Ц–Т–А–А
2-я цепь ДНК: Т–Т–Ц–А–Г–А–Т–Г–Ц–А–Т–А–А–Г–А–Т–Т

2) Для определения длины данного фрагмента ДНК нужно подсчитать количество нуклеотидов в фрагменте ДНК, получим: 17 шт.. Зная количество нуклеотидов в цепи и длину нуклеотида, можно вычислить длину ДНК, получим: 17 х 0,34 нм = 5,78 нм.
3) Для определения массы данного фрагмента ДНК нужно перемножить количество нуклеотидов в цепи и молярную массу нуклеотида, получим: 17 • 300 = 5100 г.

2. Определениее процентного содержания нуклеотидов в ДНК

Согласно принципу комплементарности цитозин всегда стоит в паре с гуанином, значит их количество одинаково, т.е. Ц = Г = 48%, а вместе они составляют 96%. Тогда на долю остальных нуклеотидов приходится 100% — 96% = 44%. Поскольку аденин всегда находится в паре с тимином, то А = Т = 4%, а на каждого из них приходится 4 : 2 = 2%.
Таким образом, в данном фрагменте ДНК содержится 48% цитозина, 48% гуанина, 2% аденина и 2% тимина.

3. Определение количества аминокислотных остатков в молекуле белка миоглобина

Зная молекулярную массу белка и среднюю молекулярную массу уминокислоты рассчитаем количество аминокислотных остатков в белке, получим:
16890/110 = 153,5 (приблизительно 153).