- Наука
- / Биология
Скованные одной цепью: задачи для вступительных экзаменов по биологии
…но сначала кое-что вспомним.
Итак, ДезоксирибоНуклеиновая Кислота (ДНК) – крупная молекула, функция которой – хранить, передавать из поколения в поколение и реализовывать генетическую информацию. В 1953 году Уотсон и Крик выяснили, что ДНК – это спираль из двух правозакрученных цепей. Каждая цепь состоит из отдельных звеньев – нуклеотидов, а каждый нуклеотид, в свою очередь, из сахара (дезоксирибозы), остатка фосфорной кислоты и азотистого основания.
Если сравнить ДНК с винтовой лестницей, остатки фосфорной кислоты и дезоксирибоза окажутся перилами, а азотистые основания – ступеньками.
Учёные выяснили и параметры молекулы ДНК:
- диаметр спирали – 2 нм;
- длина одного нуклеотида – 0,34 нм;
- на один виток спирали приходится 10 нуклеотидов;
- шаг спирали (виток) имеет длину 3,4 нм.
Прочитали? А теперь повторите про себя. Ещё раз. И ещё. Тогда вы легко решите типовые задачи № 1, 2 и 3.
Задача 1
Участок молекулы ДНК состоит из 50 пар нуклеотидов. Вычислите длину этого участка.
Дано: 50 пар нуклеотидов.
Найти: длину участка.
Решение: Вспоминаем, что длина нуклеотида – 0, 34 нм, записываем 50х0,34=17 нм (ДНК двухцепочечная, поэтому длина фрагмента равна длине одной цепи).
Ответ: 17 нм.
Задача 2
Длина участка молекулы ДНК составляет 476 нм. Определите число пар нуклеотидов в этом участке.
Дано: длина участка ДНК – 476 нм.
Найти: число пар нуклеотидов.
Решение: как мы успели запомнить, длина нуклеотида=0, 34 нм, тогда
476:0,34= 1400 пар нуклеотидов.
Ответ: 1400 пар нуклеотидов.
Задача 3
Найдите количество витков во фрагменте ДНК, который содержит 1500 пар нуклеотидов.
Дано: длина участка=1500 пар нуклеотидов.
Найти: количество витков.
Решение: на один виток спирали ДНК приходится 10 пар нуклеотидов, тогда
1500:10=150 нм.
Ответ: 150 нм.
Тигр-альбинос спешит на помощь
Для записи фрагментов ДНК зачастую используют только азотистые основания, потому что дезоксирибоза и остатки фосфорной кислоты всегда одинаковы. Если убрать «лишнее», получится своего рода текст. Им и записана вся наследственная информация.
Встречающиеся в молекуле ДНК азотистые основания – аденин (А), гуанин (Г или G), тимин (Т), цитозин (Ц или С) – расположены не беспорядочно, а согласно правилу:
- Против А должно быть Т;
- Против Т должно быть А;
- Против Г должно быть Ц;
- Против Ц должно быть Г;
Эта закономерность носит название «принцип комплементарности» (дополнительности): А комплементарен Т, Г комплементарен Ц.
При делении клетка должна передать ДНК клеткам-потомкам. Для этого две цепи ДНК родительской клетки расплетаются, и на каждой из них происходит достройка второй цепи. Благодаря принципу комплементарности, последовательность нуклеотидов в новых цепях в точности повторяет «исходник».
Задача 4
Участок правой цепи молекулы ДНК имеет последовательность нуклеотидов: А-Т-Г-Ц-А-А-Ц-Т-Т-Г-А-Ц-Г-Ц-А. Найдите нуклеотидную последовательность левой цепи.
Дано: ДНК А-Т-Г-Ц-А-А-Ц-Т-Т-Г-А-Ц-Г-Ц-А.
Найти: нуклеотидную последовательность левой цепи.
Решение: (нуклеотиды левой цепи ДНК подбираем по принципу комплементарности А-Т, Г-Ц)
ДНК А-Т-Г-Ц-А-А-Ц-Т-Т-Г-А-Ц-Г-Ц-А
ДНК Т-А-Ц-Г-Т-Т-Г-А-А-Ц-Т-Г-Ц-Г-Т.
Ответ: левая цепь ДНК имеет последовательность нуклеотидов Т-А-Ц-Г-Т-Т-Г-А-А-Ц-Т-Г-Ц-Г-Т.
При записи решения размещайте цепи на одной строке без переноса друг под другом. Это побережёт нервы вам и экзаменатору.
Чтобы не путать комплементарные нуклеотиды, можно использовать сочетания слов «Голубая Цапля» и «Тигр-Альбинос». Вы можете придумать что-то свое, Главная Цель – не Терять Адекватности во время экзаменов.
Азотистые основания подразделяются на пурины (А и Г) и пиримидины (Т и Ц). Пиримидины отличаются сравнительно небольшой величиной, а пурины почти в два раза превосходят по размеру «коллег». Диаметр спирали ДНК имеет относительно постоянный размер – 2 нм. Два пурина не смогли бы уместиться внутри цепи, а два пиримидина – оказались бы слишком далеко друг от друга. Только один пурин и один пиримидин могут образовать «ступеньку».
Отсюда можно сделать вывод, что число пуриновых оснований равно числу пиримидиновых, то есть А+Г=Т+Ц. Эта закономерность известна как правило Чаргаффа.
Задача 5
Сколько содержится нуклеотидов А, Т, Г во фрагменте молекулы ДНК, если в нём обнаружено 1200 нуклеотидов Ц, что составляет 20% от общего количества нуклеотидов в этом фрагменте ДНК?
Дано: Ц 20% — 1200 нуклеотидов.
Найти: нуклеотидов А, Т, Г.
Решение:
1. Ц комплементарен Г и их количество равно, то Г=20%, что составляет 1200 нуклеотидов.
2. Согласно правилу Чаргаффа А+Г = Т+Ц, все нуклеотиды в ДНК составляют 100%, тогда А+Г и Т+Ц по 50 %, следовательно 50-20=30% (А, Т).
3. Составляем пропорцию
1200 нуклеотидов – 20%
х нуклеотидов – 30%
30х1200:20=1800 нуклеотидов (А, Т)
Ответ: Г – 1200 нуклеотидов, А, Т – 1800 нуклеотидов.
Цепи ДНК удерживаются благодаря водородным связям между комплементарными основаниями. Так, между А и Т образуется двойная связь (А = Т), а между Г и Ц – тройная (Г = Ц). Эти связи достаточно слабы, и легко разрушаются в процессе самоудвоения ДНК или при экстремальном воздействии факторов среды (например, высокой температуры).
Разрушить тройную связь сложнее, чем двойную, поэтому в молекулах ДНК бактерий, живущих в термальных источниках преобладают Г-Ц пары.
Задача 6
Определите число водородных связей в фрагменте молекулы ДНК, если известно, что нуклеотидов с аденином – 10, с гуанином – 25.
Дано: А – 10, Г – 25.
Найти: водородные связи в ДНК.
Решение:
1. А=Т, Г=Ц, так как они комплементарны.
2. Считаем количество пар А – Т и умножаем на 2, так как между аденином и тимином образуются две водородные связи: 10х2=20 связей;
3. Считаем количество пар Г – Ц и умножаем на 3, так как между гуанином и цитозином образуются три водородные связи: 25х3=75 связей;
4. Тогда всего 20+75=95 водородных связей.
Ответ: 95 водородных связей.
Длина одного нуклеотида – 0,34 нм
На один виток спирали приходится 10 нуклеотидов
Шаг спирали (виток) имеет длину – 3,4 нм
Принцип комплементарности: А-Т, Г-Ц
Правило Чаргаффа: А+Г=Т+Ц
Водородные связи: А = Т, Г ≡ Ц.
Ни пуха ни пера!
1. Решение задач части С5.
2. Молекулярная биология изучает механизмы хранения и передачи наследственной информации. Задачи по молекулярной биологии встречаются в дв
Молекулярная биология изучает
механизмы хранения и передачи
наследственной информации.
Задачи по молекулярной биологии
встречаются в двух основных темах:
нуклеиновые кислоты,
генетический код.
3. Типы задач
Установление последовательности нуклеотидов в
ДНК, иРНК, антикодонов тРНК, используя принцип
комплементарности.
Вычисление количества нуклеотидов, их процентное
соотношение в цепи ДНК, иРНК.
Вычисление количества водородных связей в цепи
ДНК, иРНК.
Определение дины, массы ДНК, иРНК.
Определение последовательности аминокислот по
таблице генетического кода.
Определение массы ДНК, гена, белка, количества
аминокислот, нуклеотидов.
Комбинированные .
4. Требования к решению задач
ход решения должен соответствовать
последовательности процессов, протекающих в клетке
решать задачи осознано, обосновывать каждое
действие теоретически
запись решения оформлять аккуратно, цепи ДНК,
иРНК , тРНК прямые, символы нуклеотидов четкие,
расположены на одной линии по горизонтали
цепи ДНК, иРНК , тРНК размещать на одной строке
без переноса
ответы на все вопросы выписывать в конце решения
5.
ДНК
РНК
( дезоксирибонуклеиновая кислота)
(рибонуклеиновая кислота)
две цепи в спирали
одна цепь
состоят из нуклеотидов
Строение нуклеотида
1 дезоксирибоза
1 рибоза
2 остаток фосфорной кислоты
2 остаток фосфорной кислоты
3 азотистое основание:
3 азотистое основание:
А- аденин
А- аденин
Г – гуанин
Г – гуанин
Ц – цитозин
Ц – цитозин
Т — тимин
У — урацил
А-Т, Г-Ц
Принцип комплементарности
А-У, Г-Ц
Между азотистыми основаниями водородные связи
А = Т двойная ,
Г ≡ Ц тройная
Правила Чаргаффа
А=Т, Г=Ц А+Г = Т+Ц ( 100% в 2-х цепях)
*азотистые основания : 1. Пуриновые – А, Г
Функция: хранение наследственной информации
*Спираль ДНК:
1.Ширина 2 нм
2.Шаг спирали 10 пар нуклеотидов 3,4 нм
3.Длина нуклеотида 0, 34 нм
4.Масса ДНК 6·10-12
( 100 % в 1-й цепи)
2. Пиримидиновые – Ц, Т,У
Виды РНК и их функции:
1. иРНК или мРНК – 5%, считывает информацию с ДНК
и переносит её к рибосоме
2. тРНК – 10%, переносит аминокислоту
3. рРНК – 85%, входит в состав рибосом
6. Первый тип задач — задачи на установление последовательности нуклеотидов в ДНК, иРНК, антикодонов тРНК
Участок правой цепи молекулы ДНК имеет
последовательность нуклеотидов:
А-Г-Т-Ц-Т-А-А-Ц-Т-Г-А-Г-Ц-А-Т. Запишите
последовательность нуклеотидов левой цепи ДНК.
Дано:
ДНК А-Г-Т-Ц-Т-А-А-Ц-Т-Г-А-Г-Ц-А-Т
Решение: ( нуклеотиды левой цепи ДНК подбираем
по принципу комплементарности А-Т, Г-Ц)
ДНК
АГ Т Ц Т А А Ц Т Г А Г Ц А Т
ДНК
ТЦ А Г А Т Т Г А Ц Т Ц Г Т А
Ответ : левая цепь ДНК имеет последовательность
нуклеотидов Т-Ц-А-Г-А-Т-Т-Г-А-Ц-Т-Ц-Г-Т-А
7. Первый тип задач — задачи на установление последовательности нуклеотидов в ДНК, иРНК, антикодонов тРНК
Участок цепи молекулы ДНК имеет последовательность
нуклеотидов:
Ц-Т-А-А-Ц-Ц-А-Т-А-Г-Т-Т-Г-А-Г.
Запишите последовательность нуклеотидов иРНК.
Дано:
ДНК
Ц-Т-А-А- Ц-Ц-А-Т-А-Г-Т-Т- Г- А- Г
Решение: ( нуклеотиды иРНК подбираем по
принципу комплементарности к ДНК : А-У, Г-Ц)
ДНК
Ц Т А А ЦЦ А ТА ГТТ Г А Г
иРНК
Г А У У Г Г У АУЦААЦ У Ц
Ответ : иРНК имеет последовательность нуклеотидов
Г-А-У-У-Г- Г-У-А-У-Ц-А-А-Ц-У-Ц
8.
* Определите последовательность нуклеотидов иРНК,
антикодоны молекул тРНК , если фрагмент ДНК
имеет последовательность нуклеотидов
Г-Ц-Ц-Т-А-Ц-Т-А-А-Г-Т-Ц
Дано:
ДНК
Г-Ц-Ц-Т-А-Ц-Т-А-А-Г-Т-Ц
Решение: (нуклеотиды подбираем по принципу
комплементарности А-У, Г-Ц под ДНК сначала строим
иРНК, затем тРНК)
ДНК
Г ЦЦТА ЦТАА Г ТЦ
иРНК
ЦГ Г АУ Г АУУ ЦАГ
тРНК
Г ЦЦУА ЦУАА ГУ Ц
Ответ : иРНК имеет последовательность нуклеотидов
ЦГГАУГАУУЦАГ
антикодоны тРНК Г Ц Ц У А Ц У А А Г У Ц
9. Второй тип задач — на вычисление количества нуклеотидов, их процентное соотношение в цепи ДНК, иРНК.
В одной молекуле ДНК нуклеотидов с тимином Т -22% . Определите процентное
содержание нуклеотидов с А, Г, Ц по отдельности в этой молекуле ДНК.
Дано: Т -22%
Найти: % А, Г, Ц
Решение 1:
согласно правилу Чаргаффа А+Г = Т+Ц, все нуклеотиды в ДНК составляют 100%.
Так как тимин комплементарен аденину, то А=22%.
22+22=44% ( А+Т)
100- 44 =56% (Г+Ц)
Так как гуанин комплементарен цитозину, то их количество тоже равно, поэтому
56 : 2 =28% (Г, Ц)
Решение 2:
согласно правилу Чаргаффа А+Г = Т+Ц, все нуклеотиды в ДНК составляют 100% или
А+Г и Т+Ц по 50 %
Так как тимин комплементарен аденину, то А=22%.
следовательно 50 — 22=28% (Г, Ц, т.к. они комплементарны)
Ответ : А=22%, Г=28%, Ц=28%
10.
Сколько содержится нуклеотидов А, Т, Г, во фрагменте молекулы
ДНК, если в нем обнаружено 1500 нуклеотидов Ц, что составляет 30%
от общего количества нуклеотидов в этом фрагменте ДНК?
Дано: Ц- 30% =1500 нуклеотидов
Найти: количество нуклеотидов А, Т, Г
Решение:
Так как Ц комплементарен Г и их количество равно, то Г =30%,
что составляет 1500 нуклеотидов.
согласно правилу Чаргаффа А+Г = Т+Ц, все нуклеотиды в ДНК
составляют 100%
А+Г и Т+Ц по 50 % следовательно 50-30=20% (А, Т). Составим
пропорцию 30% — 1500
20% — ?
20х1500 : 30 =1000 нуклеотидов (А, Т)
Ответ: во фрагменте молекулы ДНК содержится:
Г=1500 нуклеотидов, А=1000 нуклеотидов, Т=1000 нуклеотидов.
11.
* Участок молекулы ДНК ( одна цепочка) содержит:
150 нуклеотидов – А, 50 нуклеотидов – Т,
300 нуклеотидов – Ц, 100 нуклеотидов — Г.
Определите : количество нуклеотидов во второй цепи с А, Т, Г,
Ц и общее количество нуклеотидов с А, Т, Ц, Г в двух цепях
ДНК.
Дано: нуклеотидов в 1-й цепи ДНК: А-150, Т-50, Ц-300, Г-100.
Найти: А, Т, Ц, Г в двух цепях ДНК.
Решение:
А=Т, Г=Ц, так как они комплементарны, поэтому во второй
цепи Т-150, А-50, Г-300, Ц-100
Всего нуклеотидов:
А(150+50)+Т(50+150)+Г(300+100)+Ц(100+300)=1200
Ответ: нуклеотидов во второй цепи Т-150, А-50, Г-300, Ц-100;
1200 нуклеотидов в двух цепях.
12.
*В состав иРНК входят нуклеотиды: аденина 28%, гуанина 16%, урацила 24%.
Определите процентный состав нуклеотидов в двуцепочечной молекулы ДНК,
информация с которой «переписана» на иРНК
Дано: нуклеотидов в иРНК: А-28%, У-24%, Г-16%.
Найти: % А, Т, Ц, Г в ДНК.
Решение:
Определяем процентное содержание цитозина в иРНК, учитывая, что сумма
всех нуклеотидов иРНК составляет 100%:
100 — ( 24+28+16) = 32% (Ц)
Учитывая принцип комплементарности ( А=Т, У=А, Г=Ц, Ц=Г), вычисляем
процентный состав нуклеотидов цепи ДНК, с которой была списана
информация на и РНК. Сумма всех нуклеотидов в двух цепях ДНК
составляет 100%:
Т=28:2=14%, Г= 32:2=16%, А=24:2=12%, Ц=16:2=8%
Вторая цепочка ДНК является комплементарной первой, следовательно, в ней
процентный состав нуклеотидов следующий:
А=14%, Ц=16%, Т=12%, Г=8%
В двуцепочечной ДНК процентное содержание нуклеотидов будет таким:
А = 12+14=26%, Т= 14+12=26%, Г=16+8=24%, Ц= 8+16=24%
Ответ: в двух цепях ДНК % состав нуклеотидов: Т -26%, А-26%,
Г-24%, Ц-24%
13. *Третий тип задач на вычисление количества водородных связей.
Две цепи ДНК удерживаются водородными связями. Определите
число водородных связей в этой цепи ДНК, если известно, что
нуклеотидов с аденином 12, с гуанином 20.
Дано: А-12, Г-20
Найти: водородных связей в ДНК
Решение:
А=Т, Г=Ц, так как они комплементарны
Между А и Т двойная водородная связь, поэтому 12х2=24 связи
Между Г и Ц тройная водородная связь, поэтому 20х3=60 связей
24+60=84 водородных связей всего
Ответ: 84 водородных связей.
14. *Четвертый тип задач определение длины, ДНК, иРНК
Участок молекулы ДНК состоит из 60 пар нуклеотидов. Определите длину
этого участка (расстояние между нуклеотидами в ДНК составляет 0, 34 нм)
Дано: 60 пар нуклеотидов
Найти: длину участка
Решение: длина нуклеотида 0, 34 нм
60х0,34= 20,4 нм
Ответ: 20,4 нм
Длина участка молекулы ДНК составляет 510нм. Определите число пар
нуклеотидов в этом участке.
Дано: длина участка ДНК 510нм
Найти: Определите число пар нуклеотидов
Решение: длина нуклеотида 0, 34 нм
510:0,34= 1500 нуклеотидов
Ответ: 1500 нуклеотидов
15.
Число нуклеотидов в цепи ДНК равно 100. Определите длину этого
участка
Дано: 100 нуклеотидов
Найти: длину участка
Решение: длина нуклеотида 0, 34 нм , ДНК состоит из 2-х цепей
значит 50 пар нуклеотидов.
50х0,34=17нм
Ответ: 17нм
Число нуклеотидов в цепи и-РНК равно 100. Определите длину этого
участка
Дано: 100 нуклеотидов
Найти: длину участка
Решение: длина нуклеотида 0, 34 нм , и-РНК состоит из одной цепи
100х0,34=34нм
Ответ: 34нм
16. « Биосинтез белка, генетический код»
на участке ДНК строится иРНК
иРНК переходит в цитоплазму
иРНК соединяется с рибосомой ( 2 триплета)
тРНК несет аминокислоту в рибосому
кодон иРНК комплементарен антикодону тРНК
в рибосоме из аминокислот образуется белок
ДНК- РНК- белок
20 аминокислот — 64 триплета
ДНК — иРНК — тРНк
3 нуклеотида =1 триплет =1 аминокислота = 1тРНК
17. Пятый тип задач — определение последовательности аминокислот по таблице генетического кода.
Фрагмент цепи ДНК имеет последовательность нуклеотидов:
ТГГАГТГАГТТА. Определите последовательность нуклеотидов на иРНК,
антикодоны тРНК и аминокислотную последовательность фрагмента
молекулы белка.
Дано: ДНК Т-Г-Г-А-Г-Т-Г-А-Г-Т-Т-А
Найти: иРНК, тРНК и аминокислотную последовательность белка
Решение: на участке ДНК по принципу комплементарности (А-У, Г-Ц)
построим иРНК, затем по цепи иРНК построим тРНК по принципу
комплементарности ( А-У, Г-Ц)
ДНК Т- Г- Г- А- Г- Т- Г- А- Г- Т- Т- А
иРНК А-Ц-Ц-У- Ц- А- Ц- У- Ц- А- А- У
тРНК У- Г- Г- А -Г- У- Г -А- Г- У- У-А
иРНК разделим на триплеты и по таблице генетического кода определим
аминокислотную последовательность белка:
А-Ц-Ц тре, У-Ц-А сер, Ц-У-Ц лей, А- А-У асн.
Ответ : иРНК А-Ц- Ц-У- Ц- А-Ц-У-Ц-А- А-У
тРНК У- Г -Г- А- Г-У- Г-А-Г- У- У-А
аминокислотную последовательность белка :тре, сер, лей, асн
18.
*Участок молекулы ДНК имеет следующее строение:
ГГА -АЦЦ-АТА-ГТЦ-ЦАА
Определите последовательность нуклеотидов соответствующего участка
иРНК. Определите последовательность аминокислот в полипептиде,
синтезируемом по иРНК. Как изменится последовательность аминокислот в
полипептиде, если в результате мутации пятый нуклеотид в ДНК будет
заменён на аденин? Ответ объясните.
Дано: ДНК ГГА -АЦЦ-АТА-ГТЦ-ЦАА
Найти: аминокислотную последовательность исходного белка, мутированного
Решение: определим иРНК по принципу комплементарности
ДНК ГГА -АЦЦ-АТА-ГТЦ- ЦАА
иРНК ЦЦУ- УГГ-УАУ-ЦАГ-ГУУ
По таблице генетического кода определим аминокислотную
последовательность белка:
про, три, тир, глн, вал
В результате мутации ДНК изменится , т.к. пятый нуклеотид в ДНК будет
заменён на аденин
ДНК ГГА — ААЦ-АТА-ГТЦ- ЦАА
иРНК ЦЦУ- УУГ-УАУ-ЦАГ-ГУУ
По таблице генетического кода определим аминокислотную
последовательность измененного белка: про, лей, тир, глн, вал,
Ответ: про, три, тир, глн, вал; про, лей, тир, глн, вал, так как изменился
нуклеотид в ДНК, то изменился нуклеотид иРНК, изменилась аминокислота и
структура белка.
19.
* Известно, что все виды РНК синтезируются на ДНК- матрице. Фрагмент
молекулы ДНК, на котором синтезируется участок центральной петли тРНК,
имеет следующую последовательность нуклеотидов АТАГЦТГААЦГГАЦТ.
Установите нуклеотидную последовательность участка тРНК, который
синтезируется на данном фрагменте, и аминокислоту, которую будет
переносить эта тРНК в процессе биосинтеза белка, если третий триплет
соответствует антикодону тРНК.
Дано: ДНК АТАГЦТГААЦГГАЦТ
Найти:
нуклеотидную последовательность участка тРНК
аминокислоту, которую будет переносить тРНК
Решение :
Так как тРНК синтезируются на ДНК, то построим тРНК по принципу
комплементарности (А-У, Г-Ц)
ДНК А Т А Г Ц Т Г А А Ц Г Г А Ц Т
тРНК У А У Ц Г А Ц У У Г Ц Ц У Г А
Третий триплет ( антикодон тРНК) ЦУУ , соответствует кодону на иРНК ГАА
(по принципу комплементарности), по таблице генетического кода этому
кодону соответствует аминокислота ГЛУ, которую переносить данная тРНК.
Ответ: тРНК УАУЦГАЦУУГЦЦУГА
аминокислота ГЛУ
20. Шестой тип задач — определение массы белка, количества аминокислот, нуклеотидов.
1. Фрагмент молекулы ДНК содержит 1230 нуклеотидных остатков. Сколько
аминокислот будет входить в состав белка?
Дано: 1230 нуклеотидов
Найти: количество аминокислот
Решение:
Одной аминокислоте соответствует 3 нуклеотда, поэтому 1230:3= 410
аминокислот.
Ответ: 410 аминокислот.
2. Сколько нуклеотидов содержит ген, кодирующий белок из 210 аминокислот?
Дано: 210 аминокислот
Найти: количество нуклеотидов
Решение:
Одной аминокислоте соответствует 3 нуклеотда, поэтому 210х3=630
нуклеотидов
Ответ: 630 нуклеотидов
21.
*Определите число аминокислот , входящих в состав
белка, число триплетов и число нуклеотидов в гене,
который кодирует этот белок, если в процессе
трансляции участвовало 30 молекул тРНК.
Дано: 30 тРНК
Найти: число аминокислот, триплетов, нуклеотидов в
гене
Решение:
1тРНК=1 аминокислоте, поэтому аминокислот 30
1 аминокислоте = 1 триплету, поэтому триплетов 30
1 триплет = 3 нуклеотида, поэтому 30х3=90
нуклеотидов.
Ответ: аминокислот 30, триплетов 30, 90 нуклеотидов
22.
* Молекулярная масса полипептида составляет 40000.
Определите длину кодирующего его гена, если
молекулярная масса одной аминокислоты в среднем равна
100, а расстояние между соседними нуклеотидами в цепи
ДНК составляет 0, 34 нм.
Дано: масса белка — 40000
масса аминокислоты — 100
расстояние между нуклеотидами 0,34нм
Найти: длину гена
Решение:
Так как белок ( полипептид) состоит из аминокислот,
найдем количество аминокислот 40000:100=400
1 аминокислота=3 нуклеотида, 400х3=1200 нуклеотидов
Ген состоит из нуклеотидов. Длина гена 1200х0,34=408нм
Ответ: длина гена 408нм
23. Комбинированные задачи
* Белок состоит из 100 аминокислот. Установите, во сколько раз
молекулярная масса участка гена, кодирующего данный белок,
превышает молекулярную массу белка, если средняя молекулярная
масса аминокислоты -110, а нуклеотида — 300.
Дано:
100 аминокислот,
молекулярная масса аминокислоты -110,
молекулярная масса нуклеотида — 300.
Найти : во сколько раз масса гена превышает массу белка.
Решение:
Так как ген — это участок ДНК, состоящий из нуклеотидов, то
определим их количество: одну аминокислоту кодируют 3 нуклеотида ,
то 100х3=300 нуклеотидов.
Молекулярная масса белка 100х110=11000,
Молекулярная масса гена 300х300=90000
Молекулярная масса участка гена, кодирующего данный белок,
превышает молекулярную массу белка: 90000: 11000 =8 раз
Ответ : в 8 раз
24.
Какую длину имеет участок молекулы ДНК, в котором
закодирована первичная структура инсулина, если
молекула инсулина содержит 51 аминокислоту, а один
нуклеотид занимает 0,34 нм в цепи ДНК? Какое число
молекул тРНК необходимо для переноса этого количества
аминокислот к месту синтеза? (Следует учитывать, что
одна тРНК доставляет к рибосоме одну аминокислоту.)
Ответ поясните.
Дано: 51 аминокислота, 1 нуклеотид 0,34 нм
Найти: длину ДНК, число тРНК
1)для кодирования одной аминокислоты
необходимо 3 нуклеотида, 51 х 3 = 153 нуклеотида;
2) участок ДНК имеет длину 0,34 х 153 = 52 нм
3) одна тРНК переносит одну аминокислоту,
поэтому тРНК 51 молекула
Ответ: длина ДНК 52 нм , число тРНК — 51
25. Энергетический обмен
1. Подготовительный (в пищеварительном канале,
лизосомах)
крахмал
глюкоза ( Е )
2. Бескислородный « гликолиз» ( в цитоплазме)
глюкоза
2 ПВК + 2АТФ
3 . Кислородный «дыхание» ( в митохондриях)
ПВК
СО2 +Н 2О + 36 АТФ
1 глюкоза = 38 АТФ
26.
В процессе гликолиза образовалось 42 молекулы
пировиноградной кислоты. Какое количество молекул глюкозы
подверглось расщеплению и сколько молекул АТФ образуется
при полном окислении?
Дано: 42 ПВК
Найти: кол-во глюкозы, кол-во АТФ при полном окислении.
Решение:
1) при гликолизе одна молекула глюкозы расщепляется с
образованием 2-х молекул пировиноградной кислоты (ПВК),
следовательно, гликолизу подверглось: 42 : 2 = 21 молекула
глюкозы;
2) при
полном окислении
одной
молекулы
глюкозы (бескислородный 2АТФ и кислородный этапы 36 АТФ)
образуется 38 молекул АТФ;
3) при окислении 21 молекулы образуется: 21 х 38 = 798
молекул АТФ.
Ответ: 21 молекула глюкозы, 798 молекул АТФ
27. Деление клетки
мейоз
митоз
Интерфаза
Профаза
Метафаза
Анафаза
Телофаза
2n2c 2n4c
2n4c
2n4c
2n2c
2n2c
6 . 10 -9 мг
12
. 10 -9
мг
12 . 10 -9 мг
Интерфаза
2n2c 2n4c
6 . 10 -9 мг
12 . 10 -9 мг
Профаза 1
2n4c
12 . 10 -9 мг
Метафаза 1
2n4c
12 . 10 -9 мг
Анафаза 1
n2c
6 . 10 -9 мг
Телофаза 1
n2c
6 . 10 -9 мг
Профаза 2
n2c
6 . 10 -9 мг
Метафаза 2
n2c
6 . 10 -9 мг
Анафаза 2
nc
3 . 10 -9 мг
Телофаза 2
nc
3 . 10 -9 мг
12 . 10 -9 мг
6 . 10 -9 мг
6 . 10 -9 мг
28.
Общая масса всех молекул ДНК в 46 хромосомах одной соматической
клетки человека составляет около 6 . 10 -9 мг. Определите, чему равна
масса всех молекул ДНК в ядре при овогенезе перед началом деления,
в конце телофазы мейоза I и мейоза II. Объясните полученные
результаты.
Дано: 46 хромосом = масса 6 . 10 -9 мг
Найти: массу ДНК: перед началом деления, в конце телофазы мейоза I
и мейоза II.
Решение:
1)перед началом деления в процессе репликации число ДНК
удваивается и масса ДНК равна 2 • 6 . 10 -9 = 12 . 10 -9 мг;
2)
первое деление мейоза редукционное, число хромосом
становится в 2 раза меньше, но каждая хромосома состоит из двух
молекул ДНК (сестринских хроматид), поэтому в телофазе мейоза I
масса ДНК равна 12 . 10 -9 : 2 = 6 . 10-9 мг;
3)после мейоза II каждое ядро в клетке содержит
однохроматидные хромосомы гаплоидного набора, поэтому в телофазе
мейоза II масса ДНК равна 6 . 10-9 : 2 = 3. 10-9 мг.
Ответ: масса ДНК перед началом деления 12 . 10 -9 мг, в конце
телофазы мейоза I — 6 . 10-9 мг, в конце телофазы мейоза II — 3. 10-9 мг
29. Список использованной литературы
§ 14. СТРУКТУРА НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ
Первичная структура нуклеиновых кислот
Первичная структура нуклеиновых кислот представляет собой порядок чередования нуклеотидов в полинуклеотидной цепи (рис. 40). Нуклеотиды в молекулах ДНК и РНК связаны друг с другом фосфодиэфирными мостиками между 3’- и 5’- углеродными атомами остатков пентоз.
Рис. 40. Первичная структура нуклеиновых кислот
Цепи ДНК и РНК обладают полярностью, каждая цепь имеет5’и -3’-концы (рис.40). Последовательность нуклеотидов в одиночной цепи ДНК и РНК записывается в направлении от 5’-конца к 3’-концу. Нумерация нуклеотидов также начинается с 5’- конца.
Вторичная структура ДНК
Вторичная структура (двойная спираль) была предложена американским генетиком Д.Уотсоном и английским физиком Ф.Криком в1953 г. Это открытие произвело переворот в исследовании нуклеиновых кислот. Предпосылкой для постулирования структуры двойной спирали послужили исследования других ученых. Э.Чаргафф и более поздние исследователи, изучая нуклеотидный состав ДНК различных видов организмов, сделали следующие выводы:
1. нуклеотидный состав ДНК разных тканей одного и того же вида одинаков;
2. нуклеотидный состав ДНК у разных видов различен;
3. нуклеотидный состав не зависит от возраста и питания;
4. в составе ДНК число остатков аденина всегда равно числу остатков тимина, а число остатков гуанина равно числу остатков цитозина. Из этого следует, что сумма пуриновых оснований равна сумме пиримидиновых – А+Г=Т+С.
Тогда же в 50-е гг. ХХ в., Р.Франклин и М.Уилкинс опубликовали рентгенограмму, полученную при рентгеноструктурном анализе нитей ДНК. Метод рентгеноструктурного анализа широко используется при исследовании пространственной структуры молекул. Предложенная Уотсоном и Криком модель пространственной организации ДНК объяснила результаты исследований выше названых ученых.
Согласно этой модели, ДНК состоит из двух цепей, закрученных в правую двойную спираль (рис. 41б.). При этом цепи располагаются антипараллельно (рис. 41а.), т.е. они ориентированы во взаимно противоположных направлениях. Плоские молекулы азотистых оснований расположены перпендикулярно оси двойной спирали. На внешней стороне двойной спирали расположены остатки дезоксирибозы и фосфорной кислоты. Цепи ДНК связаны друг с другом водородными связями, которые образуются между гуанином одной цепи и цитозином другой цепи, а также между тимином и аденином, расположенными в разных цепях. При этом между тимином и аденином образуются две водородные связи, а между гуанином и цитозином – три водородные связи (рис. 42.). Способность гуанина взаимодействовать в молекуле ДНК только с цитозином, а аденина – только с тимином называют комплементарностью, а основания гуанин и цитозин, аденин и тимин – комплементарными. Согласно принципу комплементарности, последовательность одной цепи будет определять последовательность другой цепи. Всегда против аденина будет находится тимин, а против гуанина – цитозин. Таким образом, цепи ДНК в двойной спирали будут комплементарны друг другу. Помимо водородных связей, возникающих при взаимодействии комплементарных оснований друг с другом, второй, не менее значительной, силой, стабилизирующей двойную спираль, является стэкинг – взаимодействие находящихся в стопке оснований. Основания расположены друг над другом и сближены своими плоскостями. В результате между ними возникают гидрофобные взаимодействия, а также дипольные взаимодействия p–связей.
Цепи ДНК (рис. 41б) при закручивании в двойную спираль образуют большую и малую борозды, ширина большой борозды – 2,2 нм, малой – 1,2 нм. На один виток спирали приходится 10 нуклеотидных остатков. Полный виток спирали имеет длину 3,4 нм. Диаметр двойной спирали 1,8 нм.
Параметры двойной спирали в зависимости от условий и состава ДНК могут несколько отличатся от той модели, которую предложили Уотсон и Крик. В настоящее время описаны и другие модели ДНК. Тем не менее во всех предложенных моделях сохраняется принцип комплементарности, и цепи ДНК закручены в двойную спираль.
Интересно знать! Цепи ДНК двух различных видов могут образовывать гибриды. Если ДНК двух различных видов смешать и нагреть (при этом произойдет расхождение цепей — плавление ДНК), а затем раствор охладить и выдержать в течение определенного времени, то некоторая часть ДНК будет образовывать гибридную двойную спираль, состоящую из цепей ДНК различных видов. Чем ближе родство двух видов, тем больше будет образовываться гибридных молекул. Данный подход используется для выяснения филогенетического родства видов.
Рис. 41. Параметры ДНК.
Рис. 42. Образование водородных связей между аденином и тимином, гуанином и цитозином в молекуле ДНК
Пространственная организация РНК
Природные РНК можно разделить на 2 группы: одноцепочечные и двухцепочечные РНК. Двухцепочечные РНК состоят из двух нитей РНК, комплементарных друг другу. Этот тип РНК встречается в составе некоторых вирусов. По своей организации двухцепочные РНК сходны с ДНК. Они закручены в двойную правую спираль, цепи РНК в них антипаралельны, между комплементарными основаниями образованы водородные связи, углеводнофосфатный скелет расположен снаружи спирали.
Большинство же природных РНК являются одноцепочечными. Несмотря на это, в своей структуре они могут иметь фрагменты двойной спирали, чередующиеся с линейными одноцепочечными участками РНК. Фрагменты двойной спирали образованы комплементарными участками РНК, расположенными в пределах одной цепи (рис. 43.). В некоторых случаях доля двухспиральных участков в РНК может достигать 75 – 90 %.
Рис. 43. Двухцепочечные шпильки в молекуле РНК
Задание 1. 37. Приведите ключевые химические связи в молекуле ДНК. Каково количество водородных связей между азотистыми основаниями ДНК?
Задание 2. 37. Опишите строение нуклеотида. Назовите пуриновые и пиримидиновые азотистые основания.
Задание 3. 37. Фосфодиэфирные связи в молекуле ДНК имеют определенное положение. Какое? Можно ли назвать данные связи ковалентными?
Задание 4. 37. Где и на какой матрице синтезируются разные виды РНК в клетке? Приведите функции известных вам видов РНК.
Задание 5. 37. Где и в каких клетках образуется АТФ? Зачем? Чем АТФ по строению отличается от нуклеотида РНК?
Задание 6. 37. Какие связи образуются внутри АТФ? Где они расположены? Что происходит с АТФ при уменьшении количества данных связей?
Ответы.
Задание 1.
1. В ДНК имеются две важнейшие химические связи.
2. Между азотистыми основаниями — водородные связи, между нуклеотидами ДНК имеются ковалентные фосфодиэфирные связи.
3. Между аденином и тимином — две водородные связи.
4. Между гуанином и цитозином — три водородные связи.
Задание 2.
1. Нуклеотид имеет в себе остаток фосфорной кислоты, углевод дезоксирибозу, азотистое основание.
2. Аденин и гуанин — пуриновые основания, цитозин, тимин, урацил — пиримидиновые основания.
Задание 3.
1. Фосфодиэфирные связи соединяют соседние нуклеотиды в ДНК.
2. Да, это ковалентная связь.
Задание 4.
1. рРНК синтезируются на участках ДНК хромосом, размещенных в ядрышковой середине ядра, где они строят тело рибосомы.
2. иРНК синтезируется с одной из цепей ДНК согласно принципу комплементарности и выносит данные о базовой структуре полипептидной цепи от ДНК к рибосомам.
3. тРНК синтезируются также на основе конкретных ДНК и обеспечивают перенос аминокислот к участку создания белка — на рибосомы.
4. Вирусные РНК несут данные о строении вируса, и поэтому представляют собой его генетический аппарат.
Задание 5.
1. Синтез АТФ происходит в результате реакций распада и окисления органических веществ в митохондриях, а также в процессе фотосинтеза в хлоропластах.
2. Прежде всего РНК — это полимер из нуклеотидов, в отличие от АТФ.
3. АТФ содержит в своей молекуле три остатка фосфорной кислоты, а нуклеотиды РНК имеют только один остаток фосфорной кислоты.
4. РНК содержит различные азотистые основания, АТФ — только аденин.
Задание 6.
1. Внутри АТФ образуются две макроэргические связи между остатками фосфорной кислоты.
2. При уменьшении количества данных связей выделяется энергия, а молекула АТФ гидролизуется до АДФ или до АМФ.
Смотреть еще: ЕГЭ по биологии онлайн тесты, видео уроки по биологии для подготовки, онлайн курсы по биологии ОГЭ.
НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ – биологические полимерные молекулы, хранящие всю информацию об отдельном живом организме, определяющие его рост и развитие, а также наследственные признаки, передаваемые следующему поколению. Нуклеиновые кислоты есть ядрах клеток всех растительных и животных организмов, что определило их название (лат. nucleus – ядро).
Состав полимерной цепи нуклеиновых кислот.
Полимерная цепь нуклеиновых кислот собрана из фрагментов фосфорной кислоты Н3РО3 и фрагментов гетероциклических молекул, представляющих собой производные фурана. Есть лишь два вида нуклеиновых кислот, каждая построена на основе одного из двух типов таких гетероциклов – рибозы или дезоксирибозы (рис. 1).
Рис. 1. СТРОЕНИЕ РИБОЗЫ И ДЕЗОКСИРИБОЗЫ.
Название рибоза (от лат. Rib – ребро, скрепка) имеет окончание – оза, что указывает на принадлежность к классу сахаров (например, глюкоза, фруктоза). У второго соединения нет группы ОН (окси-группа), которая в рибозе отмечена красным цветом. В связи с этим втрое соединение называют дезоксирибозой, т.е., рибоза, лишенная окси-группы.
Полимерная цепь, построенная из фрагментов рибозы и фосфорной кислоты, представляет собой основу одной из нуклеиновых кислот – рибонуклеиновой кислоты (РНК). Термин «кислота» в названии этого соединения употреблен потому, что одна из кислотных групп ОН фосфорной кислоты остается незамещенной, что придает всему соединению слабокислый характер. Если вместо рибозы в образовании полимерной цепи участвует дезоксирибоза, то образуется дезоксирибонуклеиновая кислота, для которой повсеместно принято широко известное сокращение ДНК.
Структура ДНК.
Молекула ДНК служит отправной точкой в процессе роста и развития организма. На рис. 2 показано, как объединяются в полимерную цепь два типа чередующихся исходных соединений, показан не способ синтеза, а принципиальная схема сборки молекулы ДНК.
В окончательном варианте полимерная молекула ДНК содержит в боковом обрамлении азотсодержащие гетероциклы. В образовании ДНК участвуют четыре типа таких соединений, два из них представляют собой шестичленные циклы, а два – конденсированные циклы, где шестичленное кольцо спаяно с пятичленным (рис. 3).
Рис. 3. СТРОЕНИЕ АЗОТСОДЕРЖАЩИХ ГЕТЕРОЦИКЛОВ, входящих в состав ДНК
На втором этапе сборки к свободным группам ОН дезоксирибозы присоединяются показанные выше азотсодержащие гетероциклические соединения, образуя у полимерной цепи боковые подвески (рис. 4).
Присоединенные к полимерной цепи молекулы аденина, тимина, гуанина и цитозина обозначают первыми буквами названий исходных соединений, то есть, А, Т, Г и Ц.
Сама полимерная цепь ДНК имеет определенную направленность – при мысленном продвижении вдоль молекулы в прямом и обратном направлении одни и те же группировки, входящие в состав цепи, встречаются на пути в разной последовательности. При движении в одном направлении от одного атома фосфора к другому вначале на пути следования идет группа СН2, а затем две группы СН (атомы кислорода можно не принимать во внимание), при движении в противоположном направлении последовательность этих групп будет обратной (рис. 5).
Рис. 5. НАПРАВЛЕННОСТЬ ПОЛИМЕРНОЙ ЦЕПИ ДНК. При описании того, в каком порядке чередуются присоединенные гетероциклы, принято использовать прямое направление, то есть от группы СН2 к группам СН.
Само понятие «направление цепи» помогает понять то, как располагаются две цепи ДНК при их объединении, а также имеет прямое отношение к синтезу белка.
На следующей стадии две молекулы ДНК объединяются, располагаясь таким образом, чтобы начало и концы цепей были направлены в противоположные стороны. В этом случае гетероциклы двух цепей обращены навстречу друг другу и оказываются расположенными неким оптимальным образом, имеется в виду, что между парами группировок С=О и NH2 , а также между єN и NH=, входящими в состав гетероциклов, возникают водородные связи (см. ВОДОРОДНАЯ СВЯЗЬ). На рис. 6 показано, как располагаются две цепи относительно друг друга и как при этом возникают водородные связи между гетероциклами. Самая важная деталь – состоит в том, что пары, связанные водородными связями, жестко определены: фрагмент А всегда взаимодействует с Т, а фрагмент Г – всегда с Ц. Строго определенная геометрия этих групп приводит к тому, что эти пары исключительно точно подходят друг другу (как ключ к замку), пара А-Т связана двумя водородными связями, а пара Г-Ц – тремя связями.
Водородные связи заметно слабее обычных валентных связей, но из-за большого их количества вдоль всей полимерной молекулы соединение двух цепей становится достаточно прочным. В молекуле ДНК содержится десятки тысяч групп А, Т, Г и Ц и порядок их чередования в пределах одной полимерной молекулы может быть различным, например, на определенном участке цепи последовательность может иметь вид: —А—А—Т—Г—Ц—Г—А—Т-. Поскольку взаимодействующие группы строго определены, то на противолежащем участке второй полимерной молекулы обязательно будет последовательность –Т—Т—А—Ц—Г—Ц—Т—А-. Таким образом, зная порядок расположения гетероциклов в одной цепи, можно указать их размещение в другой цепи. Из этого соответствия следует, что суммарно в сдвоенной молекуле ДНК количество групп А равно количеству групп Т, а количество групп Г – количеству Ц (правило Э.Чаргаффа).
Две молекулы ДНК, связанные водородными связями, показаны на рис. 5 в виде двух плоско лежащих цепей, однако в действительности они располагаются иным образом. Истинное направление в пространстве всех связей, определяемое валентными углами и стягивающими водородными взаимодействиями, приводит к определенном изгибам полимерных цепей и повороту плоскости гетероциклов, что приблизительно показано в первом видеофрагменте рис. 7 с помощью структурной формулы. Гораздо точнее всю пространственную конструкцию можно передать только с помощью объемных моделей (рис. 7, второй видеофрагмент). При этом возникает сложная картина, поэтому принято использовать упрощенные изображения, которые особенно широко применяют при изображении структуры нуклеиновых кислот или белков. В случае нуклеиновых кислот полимерные цепи изображают в форме плоских лент, а гетероциклические группировки А, Т, Г и Ц – в виде боковых стержней или простых валентных штрихов, имеющих различные цвета, либо содержащих на конце буквенные обозначения соответствующих гетероциклов (рис. 7, третий видеофрагмент).
Во время поворота всей конструкции вокруг вертикальной оси (рис. 
отчетливо видна спиральная форма двух полимерных молекул, которые как бы навиты на поверхность цилиндра, это широко известная двойная спираль ДНК.
При таком упрощенном изображении не исчезает основная информация – порядок чередования группировки А, Т, Г и Ц, определяющий индивидуальность каждого живого организма, вся информация записана четырехбуквенным кодом.
Строение полимерной цепи и обязательное присутствие четырех типов гетероциклов однотипно для всех представителей живого мира. У всех животных и высших растений количество пар А – Т всегда несколько больше, чем пар Г – Ц. Отличие ДНК млекопитающих от ДНК растений в том, что у млекопитающих пара А – Т на всем протяжении цепи встречается ненамного чаще (приблизительно в 1,2 раза), чем пара Г – Ц. В случае растений предпочтительность первой пары гораздо более заметна (приблизительно в 1,6 раза).
ДНК – одна из самых больших известных на сегодня полимерных молекул, у некоторых организмов ее полимерная цепь состоит из сотен миллионов звеньев. Длина такой молекулы достигает нескольких сантиметров, это очень большая величина для молекулярных объектов. Т.к. поперечное сечение молекулы всего 2 нм (1нм = 10–9 м), то ее пропорции можно сопоставить с железнодорожным рельсом длиной в десятки километров.
Химические свойства ДНК.
В воде ДНК образует вязкие растворы, при нагревании таких растворов до 60° С или при действии щелочей двойная спираль распадается на две составляющие цепи, которые вновь могут объединиться, если вернуться к исходным условиям. В слабокислых условиях происходит гидролиз, в результате частично расщепляются фрагменты –Р-О-СН2— с образованием фрагментов –Р-ОН и НО-СН2 , соответственно результате образуются мономерные, димерные (сдвоенные) или тримерные (утроенные) кислоты, представляющие собой звенья, из которых была собрана цепь ДНК (рис. 9).
Рис. 9. ФРАГМЕНТЫ, ПОЛУЧАЕМЫЕ ПРИ РАСЩЕПЛЕНИИ ДНК.
Более глубокий гидролиз позволяет отделить участки дезоксирибозы от фосфорной кислоты, а также группировку Г от дезоксирибозы, т.е., более детально разобрать молекулу ДНК на составляющие компоненты. При действии сильных кислот (помимо распада фрагментов –Р(О)-О-СН2-) отщепляются и группировки А и Г. Действие иных реагентов (например, гидразина) позволяет отделить группировки Т и Ц. Более деликатное расщепление ДНК на компоненты проводят с помощью биологического препарата – дезоксирибонуклеазы, выделяемой из поджелудочной железы (окончание —аза всегда указывает на то, что данное вещество представляет собой катализатор биологического происхождения – фермент). Начальная часть названия – дезоксирибонуклеаза – указывает, какое именно соединение расщепляет этот фермент. Все указанные способы расщепления ДНК ориентированы, в первую очередь, на детальный анализ ее состава.
Самая важная информация, содержащаяся в молекуле ДНК, – порядок чередования групп А, Т, Г и Ц , ее получают с помощью специально разработанных методик. Для этого создан широкий набор ферментов, которые находят в молекуле ДНК строго определенную последовательность, например, Ц—T—Г—Ц—A—Г (а также соответствующую ей последовательность на противоположной цепи Г—А—Ц—Г—Т—Ц) и вычленяют ее из состава цепи. Таким свойством обладает фермент Pst I (торговое наименование, оно образуется из названия того микроорганизма Providencia stuartii, из которого получают этот фермент). При использовании другого фермента Pal I удается найти последовательность Г—Г—Ц—Ц. Далее сопоставляются результаты, полученные при действии широкого набора различных ферментов по заранее разработанной схеме, в результате удается определить последовательность таких групп на определенном участке ДНК. Сейчас подобные методики доведены до стадии широкого применения, они используются в самых разнообразных областях, далеких от научных биохимических исследований, например, при идентификации останков живых организмов или установлении степени родства.
Структура РНК
во многом напоминает ДНК, отличие в том, что в основной цепи фрагменты фосфорной кислоты чередуются с рибозой, а не с дезоксирибозой (рис.). Второе отличие – к боковому обрамлению присоединяется гетероцикл урацил (У) вместо тимина (Т), остальные гетероциклы А, Г и Ц те же, что у ДНК. Урацил отличается от тимина отсутствием метильной группы, присоединенной к циклу, на рис. 10 эта метильная группа выделена красным цветом.
Рис. 10. ОТЛИЧИЕ ТИМИНА ОТ УРАЦИЛА – отсутствие у второго соединения метильной группы, выделенной в тимине красным цветом.
Фрагмент молекулы РНК показан на рис. 11, порядок следования группировок А, У, Г и Ц, а также их количественное соотношение может быть различным.
Рис.11. ФРАГМЕНТ МОЛЕКУЛЫ РНК. Основное отличие от ДНК – наличие группировок ОН в рибозе (красный цвет) и фрагмента урацила (синий цвет).
Полимерная цепь РНК приблизительно в десять раз короче, чем у ДНК. Дополнительное отличие в том, что молекулы РНК не объединяются в двойные спирали, состоящие из двух молекул, а обычно существуют в виде одиночной молекулы, которая на некоторых участках может образовывать сама с собой двухцепные спиральные фрагменты, чередующиеся с линейными участками. На спиральных участках взаимодействие пар соблюдается также строго, как в ДНК. Пары, связанные водородными связями и формирующие спираль (А—У и Г—Ц), возникают на тех участках, где расположение групп оказывается благоприятным для такого взаимодействия (рис. 12).
Для подавляющего большинства живых организмов количественное содержание пар А—У больше чем Г—Ц, у млекопитающих в 1,5–1,6 раза, у растений – в 1,2 раза. Существует несколько типов РНК, роли, которых в живом организме различны.
Химические свойства РНК
напоминают свойства ДНК, однако наличие дополнительных групп ОН в рибозе и меньшее (в сравнении с ДНК) содержание стабилизированных спиральных участков делает молекулы РНК химически более уязвимыми. При действии кислот или щелочей основные фрагменты полимерной цепи Р(О)-О-СН2 легко гидролизуются, группировки А, У, Г и Ц отщепляются легче. Если нужно получить мономерные фрагменты (подобные тем, что на рис. 9), сохранив при этом химически связанные гетероциклы, используют деликатно действующие ферменты, называемые рибонкулеазами.
Участие ДНК и РНК в синтезе белков
– одна из основных функций нуклеиновых кислот. Белки – важнейшие компоненты каждого живого организма. Мышцы, внутренние органы, костная ткань, кожный и волосяной покров млекопитающих состоят из белков. Это полимерные соединения, которые собираются в живом организме из различных аминокислот. В такой сборке управляющую роль играют нуклеиновые кислоты, процесс проходит в две стадии, причем на каждой из них определяющий фактор – взаимоориентация азотсодержащих гетероциклов ДНК и РНК.
Основная задача ДНК – хранить записанную информацию и предоставлять в тот момент, когда начинается синтез белков. В связи с этим понятна повышенная химическая устойчивость ДНК в сравнении с РНК. Природа позаботилась о том, чтобы сохранить по возможности основную информацию неприкосновенной.
На первой стадии часть двойной спирали раскрывается, освободившиеся ветви расходятся, и на группах А, Т, Г и Ц, оказавшихся доступными, начинается синтез РНК, называемой матричной РНК, поскольку она как копия с матрицы точно воспроизводит информацию, записанную на раскрывшемся участке ДНК. Напротив группы А, принадлежащей молекуле ДНК, располагается фрагмент будущей матричной РНК, содержащий группу У, все остальные группы располагаются друг напротив друга в точном соответствии с тем, как это происходит при образовании двойной спирали ДНК (рис. 13).
По указанной схеме образуются полимерная молекула матричной РНК, содержащая несколько тысяч мономерных звеньев.
На втором этапе матричная ДНК перемещается из ядра клетки в околоядерное пространство – цитоплазму. К полученной матричной РНК подходят так называемые транспортные РНК, которые несут с собой (транспортируют) различные аминокислоты. Каждая транспортная РНК, нагруженная определенной аминокислотой, приближается к строго обусловленному участку матричной РНК, нужное место обнаруживается с помощью все того же принципа взаимосоответствия групп А—У, и Г—Ц. В конечном итоге две аминокислоты, оказавшиеся рядом, взаимодействуют между собой, так начинается сборка будущей белковой молекулы (рис. 14).
Важная деталь состоит в том, что временное взаимодействие матричной и транспортной РНК проходит всего по трем группам, например, к триаде Ц—Ц—У матричной кислоты может подойти только соответствующая ей тройка Г—Г—А транспортной РНК, которая непременно несет с собой аминокислоту глицин (рис. 14). Точно также к триаде Г—А—У может приблизиться лишь набор Ц—У—А, транспортирующий только аминокислоту лейцин. Таким образом, последовательность групп в матричной РНК указывает, в каком порядке должны соединяться аминокислоты. Кроме того, система содержит в закодированном виде дополнительные регулирующие правила, некоторые последовательности из трех групп матричной РНК указывает на то, что в этом месте синтез белка должен остановиться, т.е. молекула достигла необходимой длины.
Показанный на рис. 14 синтез белка проходит с участием еще одного – третьего вида РНКислот, они входят в состав рибосом и потому их называют рибосомными. Рибосома, представляющая собой ансамбль определенных белков рибосомных РНК, обеспечивает взаимодействие матричной и транспортной РНК, играя роль конвейерной ленты, которая передвигает матричную РНК на один шаг после того, как произошло соединение двух аминокислот.
Основной смысл двухстадийной схемы, показанной на рис. 13 и 14, состоит в том, что полимерная цепь белковой молекулы собирается из различных аминокислот в намеченном порядке и строго по тому плану, который был записан в закодированном виде на определенном участке ДНК. Таким образом, ДНК представляет собой отправную точку всего этого запрограммированного процесса.
В процессе жизнедеятельности белки постоянно расходуются, и потому они регулярно воспроизводятся по описанной схеме, весь синтез белковой молекулы, состоящей из сотен аминокислот, проходит в живом организме приблизительно в течение одной минуты.
Первые исследования нуклеиновых кислот были проведены во второй половине 19 в., понимание того, что в ДНК зашифрована вся информация о живом организме, пришло в середине 20 в., структуру двойной спирали ДНК установили в 1953 Дж.Уотсон и Ф.Крик на основании данных рентгеноструктурного анализа, что признано крупнейшим научным достижением 20 столетия. В середине 70-х годов 20 в. появились методики расшифровки детальной структуры нуклеиновых кислот, а вслед за тем были разработаны способы их направленного синтеза. Сегодня ясны далеко не все процессы, происходящие в живых организмах с участием нуклеиновых кислот, и сегодня это одна из самых интенсивно развивающихся областей науки.
Михаил Левицкий