Строение молекул ДНК и РНК

Молекула ДНК - полимер, состоящий из двух цепочек нуклеотидов. Каждый нуклеотид состоит из азотистого основания, моносахарида дезоксиорибозы и остатка фосфорной кислоты. Азотистыые основания в ДНК бывают четырех типов: аденин (А), гуанин (Г) (пуриновые основания); тимин (Т), и цитозин (Ц) (пиримидиновые основания). Вдоль нити ДНК азотистые основания прочно связаны между собой через моносахарид и остаток фосфорной кислоты, между цепочками - через водородные связи. В целом структура ДНК напоминает лестницу. Вся «лестница» ДНК закручена в спираль. Между двумя цепочками азотистые основания располагаются закономерно: аденин всегда против тимина, гуанин - против цитозина, т.е. аденин комплементарен тимину, гуанин - цитозину (связаны двойной водородной связью, а гуанин и цитозин – тройной водородной связью) Вследствие такой комплементарности азотистых оснований порядок чередования нуклеотидов в обеих нитях ДНК оказывается взаимообусловленным. Комплементарность двух нитей молекулы ДНК приводит к тому, что число пуринов в нем равно числу пиримидинов [А = Т; Г = Ц или (А+ Г)/(Т + Ц)= 1]. Количественное соотношение нуклеотидов в молекуле ДНК известны в виде правил Чаргаффа: 1. Содержание аденина равно содержанию тимина: Σ А = Σ Т или Σ А / Σ Т = 1

2. Содержание гуанина равно содержанию цитозина: Σ Г = Σ Ц или Σ Г / Σ Ц = 1

3. Сумма пуриновых нуклеотидов равна сумме пиримидиновых оснований:

Σ (А + Г) = Σ (Т + Ц) или Σ (А + Г) / Σ (Т + Ц) = 1

4. Количество комплементарных оснований А + Т и Г + Ц у разных живых организмов различно. Отношение Σ (А + Т) / Σ (Г + Ц) является важнейшей характеристикой ДНК, как показатель специфичности её нуклеотидного состава.

Комплементарностью определяется точное воспроиз­ведение последовательности оснований при копировании (репли­кации) молекул ДНК

Репликация — единственно возможный способ увеличения числа молекул ДНК, на который указывает сама структура этих молекул. С помощью фермента ДНК-полимеразы разрываются сла­бые водородные связи между двумя цепями ДНК, образуются одноцепочечные нити (цепи родительской ДНК расплетаются, и каждая из них служит матрицей, определяющей последователь­ность оснований в новой, комплементарной цепи ДНК (дочер­ней).

Рис. 2 Репликация ДНК

Затем к каждой цепочке достраиваются по принципу комплементарности нуклеотиды (А-Т, Г-Ц), образуя две двухцепочные молекулы ДНК.

Синтез новых нитей ДНК протекает всегда в направлении от 5' атома углерода сахара к 3' атому. Репликация имеет полуконсервативный характер — в каждой вновь образуе­мой молекуле ДНК одна нить происходит от родительской моле­кулы, а вторая синтезируется заново (матричный синтез).

ДНК выполняет разнообразные функции:

1) хранит генетическую (наследственную) информацию, записанную в виде последовательности нуклеотидов;

2) передает наследственную информацию из ядра в цитоплазму. Для этого с ДНК снимает копию и-РНК и переносит информацию к рибосомам — месту синтеза белка;

3) передает наследственную информацию от материнской клетки к до­черним клеткам, для чего перед делением клетки ДНК реплицируется.

Кроме ДНК, в клетке имеются РНК.

Молекула РНК — полимер, ее мономерами являются нуклеотиды. В отличие от ДНК рибонуклеиновая кислота — это:

1) одноцепочечная молекула;

2) вместо сахара дезоксирибозы в РНК входит сахар рибоза;

3) в состав нуклеотидов входит азотистое основание не тимин, а урацил;

4) состоит из меньшего количества нуклеотидов, чем ДНК.

Генетический код

Перевод информации с «языка» нуклеотидов на «язык» аминокислот осуществляется с помощью генетического кода.

Генетический код – это код с помощью которого последовательность оснований в молекуле ДНК определяет последовательность расположения аминокислот в образуемом белке. Это своеобразный словарь, переводящий текст записанный с помощью четырёх нуклеотидов в белковый текст, записанный с помощью 20 аминокислот. Единицей генетического кода является кодон.

Свойства генетического кода:

1.Код триплетен — каждая из 20 аминокислот зашифрована последова­тельно расположенными тремя нуклеотидами.

2.Код вырожден (избыточен) — каждая аминокислота шифруется более чем одним кодоном (от двух до шести).

3.Код специфичен — каждый кодон шифрует только одну аминокислоту.

4.Код универсален — один триплет кодирует одну и ту же аминокислоту у всех живых организмов.

5.Код неперекрываем — каждый нуклеотид входит лишь в какой-либо один триплет и переписывание информации происходит строго потриплетно.

6. Генетический код коллениарен, т.е. последовательность аминокислот в белке соответствует линейной последовательности кодонов в и-РНК.

7. Код линеен Кодоны прочитываются по­следовательно в направлении закодированной записи от

5'-конца к 3'-концу

8.Триплеты УАА, УАГ, УГА обозначают прекращение синтеза одной полипептидной цепи, так как к ним нет аминокислот. Они находятся в конце каждого гена.

Генетический код в настоящее время расшифрован для всех 20 аминокислот и составлен по и-РНК в виде таблицы. (Табл. 1.)

Основания кодонов
первое	второе	третье
		У	Ц	А	Г
У	У	Фен	Фен	Лей	Лей
	Ц	Сер	Сер	Сер	Сер
	А	Тир	Тир	-	-
	Г	Цис	Цис	-	Три
Ц	У	Лей	Лей	Лей	Лей
	Ц	Про	Про	Про	Про
	А	Гис	Гис	Глн	Глн
	Г	Apr	Apr	Apr	Apr
А	У	Иле	Иле	Иле	Мет
	Ц	Тре	Тре	Тре	Тре
	А	Асн	Асн	Лиз	Лиз
	Г	Сер	Сер	Apr	Apr
Г	У	Вал	Вал	Вал	Вал
	Ц	Ала	Ала	Ала	Ала
	А	Асп	Асп	Глу	Глу
	Г	Гли	Гли	Гли	Гли

Таблица.1. Соответствие кодонов и-РНК аминокислотам

 

Обозначения аминокислот:

Ала — аланин, Apr — аргинин,

Асп — аспарагиновая кислота,

Асн — аспарагин, Вал — валин,

Гис — гистидин, Гли — глицин,

Глн — глутамин,

Глу — глутаминовая кислота,

Иле — изолейцин, Лей — лейцин,

Лиз — лизин, Мет — метионин,

Про — пролин, Сер — серин,

Тир — тирозин, Тре — треонин,

Три — триптофан,

Фен — фенилаланин, Цис — цистеин.

Биосинтез белка

ДНК непосредственного участия в синтезе белков не принимает. Информа­цию несет посредник и-РНК, которая по принципу комплементарности считывает (копирует) с ДНК информацию при участии фермента РНК-полимеразы. Переписывание информации происходит с одной нити ДНК и назы­вается транскрипцией (лат. transcriptio — переписывание). Если в переписыва­емой нити ДНК стоит нуклеотид гуанин (Г), то фермент РНК-полимераза включает в РНК цитозин (Ц); если тимин (Т) — РНК-полимераза включает аденин (А); если стоит аденин (А), фермент включает урацил (У).

Схема строения ДНК и транскрипции и-РНК.

ДНК Т – Г – Г – Т – А – Т

А – Ц – Ц – А – Т – А

и – РНК У – Г – Г – У – А – У

У эукариот и-РНК еще незрелая, поэтому в ядре и при выходе из него происходит ее процессинг — дозревание (вырезание неинформативных участков – интронов – и другие процессы), в результате чего РНК укорачивается.

Информационная РНК является копией не всей молекулы ДНК, а только ее части — одного гена, несущего информацию о структуре белка. Готовая и-РНК отходит от ДНК и направляется к месту синтеза белка.

Перевод информации с и-РНК на последовательность аминокислот называется трансляцией (от лат. translatio — передача). В этом процессе участвуют т-РНК, функция которых состоит в том, чтобы доставить аминокислоты к рибосомам и найти им своё место в полипептидной цепи, предусмотренное кодом.

 

 

Рис 3. Схема репликации, транскрипции и трансляции генетического материала в клетке

Решения типовых задач

Репликация молекулы ДНК

Задача № 1. Участок одной из цепей ДНК имеет следующую последовательность нуклеотидов: ГГАГЦАТАЦ… Определите последовательность нуклеотидов во второй цепи.

Решение

Построение второй цепочки ДНК идёт по принципу комплементарности: аденин – Тимин, гуанин - цитозин (А – Т, Г – Ц). Поэтому последовательность нуклеотидов во второй цепи ДНК будет следующей:

Первая цепочка ДНК: Г Г А Г Ц А Т А Ц…

Вторая цепочка ДНК: Ц Т Т Ц Г Т А Т Г

 

Транскрипция

Задача № 2. Укажите последовательность нуклеотидов участка молекулы и-РНК, которая образовалась на участке гена с последовательностью нуклеотидов: ЦТГГЦТТАГЦЦГ….

Решение.

Образование и-РНК идёт по тому же механизму, что и самокопирование ДНК: к цитозину присоединяется гуанин, к гуанину – цитозин, к тимину – аденин, однако к аденину ДНК присоединяется не Тимин, а урацил РНК. Таким образом, для решения задачи достаточно произвести замену нуклеотидов по схеме: Ц → Г; Г → Ц; А → У; Т → А. В результате получаем:

Цепочка ДНК – Ц Т Г Г Ц Т Т А Г Ц Ц Г

Цепочки и-РНК – Г А Ц Ц Г А А У Ц Г Г Ц

Задача № 3. Определите последовательность нуклеотидов молекулы и-РНК и аминокислотный состав белка, если известна последовательность комплементарной цепи ДНК:

3' А Ц А Т Ц Г Г Г Ц Ц Т А Ц Г Ц Г А Т Т Т А А А 5'

Решение:

По условию задачи нам дана комплементарная нить ДНК, поэтому вначале по принципу комплементарности мы строит нить ДНК-матрицы:

Комплементарная ДНК 3' А Ц А Т Ц Г Г Г Ц Ц Т А Ц Г Ц Г А Т Т Т А 5'

ДНК-матрица 5' У Г У А Г Ц Ц Ц Г Г А У Г Ц Г Ц У А А А У 3'

А затем используя тот же принцип находим последовательность нуклеотидов в и – РНК:

3' А Ц А У Ц Г Г Г Ц Ц У А Ц Г Ц Г А У У У А 5'

Синтез белка

Задача № 4. Дана одна из цепей различных молекул ДНК:

а) Т - А – Ц – А – А – Г – Т – А – Ц – Т – Т – Г – Т – Т – Т – Ц – Т – Т -

б) Т – А – Ц – Г – Т – Т – Г – Ц – Т – Г – Ц – Ц – Т – Г – Ц – Ц – Г – Г –

Напишите последовательности и-РНК, в которые они будут транскрибироваться, и аминокислотные последовательности, которые будут получены при трансляции этой и-РНК

Решение:

а) ДНК Т - А – Ц – А – А – Г – Т – А – Ц – Т – Т – Г – Т – Т – Т – Ц – Т – Т –

и-РНК А – У – Г – У – У – Ц – А – У – Г – А – А – Ц – А – А – А – Г –А – А –

аминокислоты Мет – Фен – Мет – Асн – Лиз – Глу –

б) ДНК Т – А – Ц – Г – Т – Т – Г – Ц – Т – Г – Ц – Ц – Т – Г – Ц – Ц – Г – Г –

и-РНК А – У – Г – Ц – А – А – Ц – Г – А – Ц – Г – Г – А – Ц – Г – Г – Ц – Ц –

аминокислотная

последовательность Мет – Гли – Арг – Арг – Тре – Ала –

Задача № 5. Фрагмент молекулы ДНК, кодирующий часть полипептида, имеет следующее строение:

АТАГТЦЦААГГА. Определите последовательность аминокислот в полипептиде.

Решение. Известна одна цепь ДНК, с которой снимается и-РНК. Строим и-РНК по условию задачи УАУЦАГГУУЦЦУ. Разбиваем её на триплеты: УАУ, ЦАГ, ГУУ, ЦЦУ. По таблице генетического кода последовательно находим для каждого триплета соответствующую аминокислоту и строим участок искомого полипептида: тирозин – глутамин – валин – пролин

Итак: цепочка ДНК - АТА ГТЦ ЦАА ГГА

триплеты и-РНК - УАУ ЦАГ ГУУ ЦЦУ

полипептид - Тир – Глн – Вал – Про

Задача № 6. С какой последовательности аминокислот начинается белок, если он закодирован такой последовательностью нуклеотидов: 3' …АЦГЦЦЦАТГГЦЦГГТ…5'

Каким станет начало цепочки аминокислот синтезируемого белка, если под влиянием облучения третий нуклеотид удалён из молекулы ДНК?

Решение:

Вначале по принципу комплементарности находим строение участка молекулы и – РНК. образующейся на данном отрезке молекулы ДНК:

Нить матрица ДНК: 3' …АЦГЦЦЦАТГГЦЦГГТ…5'

Информационная РНК: 5' …ТГЦГГГУАЦЦГГЦЦА…3'

Затем, обращаясь к генетическому коду наследственности и каждого триплета нуклеотидов, начиная с первого, находим и выписываем соответствующую ему аминокислоту:

и-РНК: …ТГЦ ГГГ УАЦ ЦГГ ЦЦА…

Аминокислоты: цистеин – глицин – тирозин – аргинин – пролин

После удаления третьего нуклеотида из молекулы ДНК, на её основе по принципу комплементарности синтезируется следующая и – РНК и аминокислотная последовательность:

Нить матрица ДНК: 3' …АЦГ ЦЦЦ АТГ ГЦЦ ГГТ…5'

Новая матрица ДНК: 3' …АЦГ АТГ ГЦЦ ГГТ…5'

Информационная РНК: 5' …ТГЦ УАЦ ЦГГ ЦЦА…3'

Задача № 7. Часть молекулы белка имеет такую последовательность аминокислот: - аланин – тирозин - лейцин – аспаргин –. Какие тРНК (с какими антикодонами) участвуют в синтезе этого белка.

Решение. По таблице генетического кода находим кодоны и-РНК: ГЦУ, УАУ, ЦУУ и ААУ.

Антикодоны т-РНК будут комплементарны кодонам и-РНК: ЦГА, АУА, ГАА и УУА.

Таким образом:

Кодоны и-РНК: ГЦУ, УАУ, ЦУУ, ААУ

Антикодоны т-РНК: ЦГА, АУА, ГАА, УУА.

Задача № 8. Как изменится структура белка, если из участка гена АЦАТТТАААГТЦ удалить второй и 10-й слева нуклеотиды?

Решение. Превоначально строим и-РНК: УГУАААУУУЦАГ, а затем разбив её на триплеты строим участок искомого белка в норме: цистеин – лизин – фенилаланин – глутамин. По условию задачи из цепи ДНК удаляется второй и десятый (слева) нуклеотиды. Остаётся ААТТТАААТЦ. По полученному участку строим цепь и-РНК – УУАААУУУАГ, вновь разбив её на триплеты, находим строение участка белка после произошедших изменений в ДНК: лейцин – аспаргин – лейцин.

До замены: ДНК АЦАТТТАААГТЦ

и-РНК УГУАААУУУЦАГ,

белок цистеин – лизин – фенилаланин – глутамин

После замены: ДНК ААТТТАААТЦ.

и-РНК УУАААУУУАГ

белок лейцин – аспаргин – лейцин

Задача № 9. Полипептид состоит из следующих аминокислот: лизин – валин – серин – глутаминовая кислота. Определите структуру участка ДНК, кодирующего указанный полипептид.

Решение. Дана последовательность аминокислот в полипептиде. По этим сведениям нетрудно установить строение и-РНК, которая управляла синтезом данного полипептида. По таблице генетического кода находим структуру триплета для лизина (ААА), валина (ГУУ), серина (УЦУ), глутаминовой кислоты (ГАА). Подобрав кодирующие триплеты составляем и-РНК для данного полипептида: ААА, ГУУ, УЦУ, ГАА. По цепочке и-РНК можно восстановить участок цепи ДНК с которой она снималась. Урацил встал против аденина ДНК, гуанин против цитозина и т.д. Следовательно, участок интересующей нас цепи ДНК будет иметь следующее строение: ТТТЦАААГАЦТТ

Но ДНК состоит из двух цепочек. Зная строение одной цепи, по принципу комплементарности достраиваем вторую. Целиком участок двухцепочечной ДНК, кодирующий данный полипептид, будет иметь следующее строение: Т Т Т Ц А А А Г А Ц Т Т

׀ ׀ ׀ ׀ ׀ ׀ ׀ ׀ ׀ ׀ ׀ ׀

А А А Г Т Т Т Ц Т Г А А

Аминокислоты: цис – тир – арг – про

Задача № 10. Фрагмент сложного белка состоит из 100 аминокислотных остатков._. Какую длину (нм) имеет определяющий его ген, если виток спирали ДНК составляет 3,4 нм, а каждый виток содержит 10 пар нуклеотидов

Дано: 600 аминок-т Виток спирали – 10 пар нуклеотидов Виток спирали – 3,4 нм	Решение: 1. Определяем количество нуклеотидов: 60 ∙ 3 = 180 2. Определяем количество витков спирали ДНК: 180: 10 = 18 3. Определяем длину гена: 18 ∙ 3,4 = 61,2 нм Ответ: длина гена 61.2 нм
Длина гена -?

Задача № 11. Молекула вновь синтезированного белка содержит 110 аминокислотных остатков. Известно, что участок транскрибируемой цепи ДНК содержал два интрона (отрезка, которые не несут генетическую информацию, относящуюся к синтезу белка) по 40 и 26 нуклеотидов соответственно. Перед трансляцией в иРНК произошла мутация – делеция 10 нуклеотидов. Сколько всего нуклеотидов содержал указанный участок цепи молекулы ДНК? При расчётах наличие стоп кодонов не учитывайте.

Решение

1.Зная, что генетический код триплетен, т.е. каждая из 20 аминокислот зашифрована последова­тельно расположенными тремя нуклеотидами, мы можем найти количество нуклеотидов кодирующих данный белок:

110 (аминокислот) ∙ 3 (нуклеотида) = 330 нуклеотидов

2. По условию задачи участок транскрибируемой цепи ДНК содержал два интрона по 40 и 26 нуклеотидов соответственно, а так же учитывая то, что перед трансляцией в и-РНК произошла мутация – делеция 10 нуклеотидов, мы можем найти количество нуклеотидов, которые содержал указанный участок цепи молекулы ДНК.

330 + 40 + 26 + 10 = 406 (нуклеотидов)

Ответ: 406 нуклеотидов содержал указанный участок цепи молекулы ДНК

Задача № 12. Какова молекулярная масса молекулы ДНК бактериофага Т4, если в ней закодировано около 250 различных белков? Извест­но, что каждый белок состоит в среднем из 305 мономеров, а молекулярная масса нуклеотида около 300.

Дано: 250 белков 1 белок содержит 305 аминокислот Масса 1 нуклеотида - 300

Решение: 1. Находим количество аминокислот составляющих 250 белков 250 (белков) ∙ 305 (мономеров) = 76250 (мономеров) 2. Зная, что генетический код триплетен, находим количество нуклеотидов 76250 (аминокислот) ∙ 3 (нуклеотида) = 228750 (нуклеотида) 3. Находим молекулярную массу ДНК-матрицы 228750 ∙ 2 = 457500 4. Так ДНК образована двумя нуклеотидными цепочками, то соответственно масса молекулы ДНК будет равна: 457500 ∙ 2 = 915000 Ответ: масса молекулы ДНК 915000

Найти: массу молекулы ДНК