МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ
Для решения задач данного типа необходимы знания о строении и свойствах ДНК и РНК, принципе комплементарности, коде ДНК и его свойствах, механизме биосинтеза белка, этапах диссимиляции глюкозы, роли АТФ в клеточном метаболизме.
Основные биологические понятия:
ген – участок ДНК, в матричной цепи которого зашифрована информация о первичной структуре одной полипептидной цепи; матрица для синтеза всех видов РНК;
генетический код – система записи информации о порядке аминокислот в белковой молекуле в виде последовательности нуклеотидов ДНК или РНК;
триплет (кодон) – три последовательно соединенных нуклеотида ДНК или РНК, несущих информацию об определенной аминокислоте;
антикодон – кодовый триплет т-РНК, комплементарный кодону и-РНК и определяющий аминокислоту, которую переносит данная т-РНК;
комплементарность – свойство азотистых оснований избирательно соединяться друг с другом (А-Т (У), Ц-Г);
репликация – процесс удвоения ДНК в соответствии с принципом комплементарности;
транскрипция («переписывание») – процесс синтеза и-РНК на кодирующей цепи гена в соответствии с принципом комплементарности;
трансляция – процесс синтеза белковой молекулы на рибосоме в соответствии с последовательностью кодонов и-РНК;
правило Чаргаффа – правило соответствия количества пуриновых (А+Г) нуклеотидов в молекуле ДНК количеству пиримидиновых (Т+Ц) нуклеотидов. Следствие: в любой двуцепочной структуре нуклеиновых кислот количество адениловых нуклеотидов равно количеству тимидиловых (уридиловых), а количество гуаниловых нуклеотидов равно количеству цитидиловых, т. е. А = Т(У); Г = Ц;
экзон – фрагмент гена эукариот, несущий информацию о структуре белковой молекулы;
интрон – фрагмент гена эукариот, не несущий информации о структуре белковой молекулы;
зрелая и-РНК (матричная) – и-РНК эукариот, образовавшаяся в результате рестрикции и сплайсинга и состоящая только из экзонов;
диссимиляция глюкозы – процесс ферментативного расщепления и окисления глюкозы;
фосфорилирование – процесс образования АТФ из АДФ и остатка фосфорной кислоты;
гликолиз – процесс ферментативного расщепления глюкозы без участия кислорода до ПВК или молочной кислоты c образованием 2 молекул АТФ;
аэробный гликолиз – процесс ферментативного расщепления и окисления органических веществ (в том числе, глюкозы) до конечных продуктов с участием кислорода как акцептора электронов в ходе окислительного фосфорилирования;
дыхание – процесс окисления сложных органических веществ до более простых с целью аккумуляции энергии в АТФ;
репарация ДНК - процесс, позволяющий живым организмам восстанавливать повреждения, возникающие в ДНК. Все репарационные механизмы основаны на том, что ДНК - двухцепочная молекула, т.е. в клетке есть 2 копии генетической информации. Если нуклеотидная последовательность одной из двух цепей оказывается повреждённой (изменённой), информацию можно восстановить, так как вторая (комплементарная) цепь сохранена.
Некоторые параметры
- Один шаг это полный виток спирали ДНК-поворот на 3600
- Один шаг составляют 10 пар нуклеотидов
- Длина одного шага - 3,4 нм
- Расстояние между двумя нуклеотидами - 0,34 нм
- Молекулярная масса одного нуклеотида - 345 г/моль
- Молекулярная масса одной аминокислоты – 100 г/мол
-В молекуле ДНК: А+Г=Т+Ц (Правило Чаргаффа)
-Комплементарность нуклеотидов: А=Т; Г=Ц
-Цепи ДНК удерживаются водородными связями, которые образуются между комплементарными азотистыми основаниями: аденин с тимином соединяются 2 водородными связями, а гуанин с цитозином тремя.
-В среднем один белок содержит 400 аминокислот
Генетический код имеет следующие свойства.
1. Триплетность - каждой аминокислоте соответствует тройка нуклеотидов(64 кодона, 61 является смысловым и 3 - бессмысленными (терминирующими, stop-кодонами).
2. Непрерывность - отсутствие внутригенных знаков препинания;
Внутри гена каждый нуклеотид входит в состав значащего кодона (триплетность).
3.Колинеарность - соответствие линейной последовательности кодонов мРНК и аминокислот в белке.
4.Специфичность - каждой аминокислоте соответствуют только определенные кодоны, которые не могут использоваться для другой аминокислоты.
5.Однонаправленность - кодоны считываются в одном направлении.
6.Вырожденность, или избыточность,- одну аминокислоту может кодировать несколько триплетов.
7.Универсальность.
8.Неперекрываемость - каждый из триплетов генетического текста независим друг от друга, один нуклеотид входит в состав только одного триплета.
9.Помехоустойчивость - отношение числа консервативных замен к числу радикальных замен.
Типы мутаций
Генные мутации
Хромосомные мутации (аберрации)(делеции, дупликации, инверсии, транслокации).
Геномные мутации (полиплоидия, анеуплоидия).
Цитоплазматические мутации – изменения в ДНК митохондрий и пластид.
Соматические – мутации в соматических.
Раздел 1. Задачи по теме «Принцип комплементарности, правило Чаргаффа»
Для решения задач этого типа необходимо знание принципа комплементарности, строения и свойств ДНК и РНК, правило Чаргаффа.
Задача 1. Достроить вторую цепочку молекулы ДНК, имеющую следующую последовательность нуклеотидов в одной цепи: АТТЦГАЦГГЦТАТАГ. Определить ее длину, если один нуклеотид имеет длину 0,34 нм по длине цепи ДНК.
Решение:
1. Вторая цепочка ДНК строится по принципу комплементарности (А-Т, Г-Ц):
1-ая цепь ДНК – А Т Т Ц Г А Ц Г Г Ц Т А Т А Г
2-ая цепь ДНК – Т А А Г Ц Т Г Ц Ц Г А Т А Т Ц
2. L ДНК = L НУКЛ × n НУКЛ.
в одной цепи ДНК = 0,34нм × 15 = 5,1 нм
Ответ: вторая цепь ДНК имеет состав нуклеотидов
ТААГЦТГЦЦГАТАТЦ, длина ДНК составляет 5,1 нм.
При оформлении задач такого типа краткую запись того, что в задаче дано можно не записывать. При написании нуклеотидов в комплементарных цепях следует аккуратно комплементарные нуклеотиды размещать друг напротив друга.
Задача 2. В молекуле ДНК тимидиловых нуклеотидов 30, что составляет 15% от общего количества нуклеотидов. Определите количество других видов нуклеотидов в данной молекуле ДНК.
Решение:
1. По правилу Чаргаффа количество Т в ДНК = А; следовательно А будет 15%.
2. В сумме А+Т = 30%, что составляет 60 нуклеотидов.
3.Находим общее количество нуклеотидов в молекуле ДНК: х=3000/20=150
4. Г + Ц = 100%-30%=70%, значит Г=35%,Ц=35%
Г+Ц=90, значит Г=45, Ц=45.
Ответ: А=30(15%), Т=30(15%), Г=45(35%), Ц=45(35%).
При решении задач такого типа строгих регламентирующих правил оформления нет. Однако учитывайте, что в записи решения задачи по молекулярной биологии должен прослеживаться ход рассуждений и должна быть записана четкая последовательность действий.
Задача 3. Химический анализ показал, что 28% от общего числа нуклеотидов данной и-РНК приходится на адениловые, 6% - на гуаниловые, 40% - на урациловые нуклеотиды. Каков должен быть нуклеотидный состав соответствующего участка одной цепи гена, информация с которого «переписана» на данную и-РНК?
Решение:
1. Подсчитываем процентное содержание цитидиловых нуклеотидов в молекуле и-РНК: Ц = 100% -28% - 6% - 40% = 26%.
2. Зная, что и-РНК синтезируется с кодирующей цепи гена по принципу комплементарности (причем Т заменяется на У), подсчитываем процентный состав
нуклеотидов в одной цепочке гена:
Ц и-РНК = Г гена = 26%,
Г и-РНК = Ц гена = 6%,
А и-РНК = Т гена = 28%,
У и-РНК = А гена = 40%.
Ответ: нуклеотидный состав одной из цепей гена следующий: гуаниловых нуклеотидов – 26%, цитидиловых- 6%, тимидиловых - 28%, адениловых - 40%.
Задача 4. Химический анализ показал, что в составе и-РНК 20% адениловых нуклеотидов, 16% урациловых, 30% цитидиловых. Определите качественный состав нуклеотидов в ДНК, с которой была считана информация на и-РНК.
Решение:
1.Определяем в процентах содержание гуаниловых нуклеотидов в и-РНК:
Г (и-РНК)= 100%-(А+У+Ц)= 100%-(20%+16%+30%)= 34%
2.Определяем качественный состав цепи РНК и ДНК, с которой проходила транскрипция:
| и-РНК | А(20%) | У(16%) | Ц(30%) | Г(34%) |
| ДНК(1 цепь) | Т(20%) | А(16%) | Г(30%) | Ц(34%) |
| ДНК(2 цепь) | А(20%) | Т(16%) | Ц(30%) | Г(34%) |
3.Состав ДНК:
А=(20%+16%):2=18%
Т=(20%+16%):2=18%
Ц=(34%+30%):2=32%
Г=(34%+30%):2=32%
Ответ: А,Т=18%; Ц,Г =32%.
Задача 5. Последовательность нуклеотидов в цепи ДНК, которая является матрицей для транскрипции, имеет следующий вид: ААТ-ГТА-ТТГ-ТЦГ. Установите последовательность нуклеотидов в антикодонах т-РНК, которые принимают участие в биосинтезе белка, закодированного в данной молекуле ДНК.
Практическое применение принципа комплементарности для написания последовательностей нуклеотидов в молекулах нуклеиновых кислот:
Возможные варианты, приведенные в задачах:
1)ДНК и-РНК т-РНК
2)и-РНК ДНК и и-РНК антикодоны т-РНК
3)антикодоны т-РНК и-РНК ДНК
4)и-РНК 1 цепочка ДНК 2 цепочка ДНК
Каждая правильно восстановленная последовательность.
Ссылка на принцип комплементарности.
Решение:
ДНК: ААТ-ГТА-ТТГ-ТЦГ
иРНК: УУА-ЦАУ-ААЦ-АГЦ
тРНК: ААУ, ГУА, УУГ, УЦГ
Задача 6.
Молекулярная масс молекулы ДНК составляет 41400 г/моль. Определите количество нуклеотидов в молекуле и её длину.
Решение. Критерии.
1. Находим количество нуклеотидов в молекуле ДНК: 41400:345=120 (в двух цепях).
2. Длину определяем одной цепи, а значит, последовательность из 60 нуклеотидов. 60 
0,34 нм=20,4 нм.