Антипов Е. В. Сборник задач по молекулярной биологии и медицинской генетике с
 Скачать 0.98 Mb.
|
|
ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА ПО НАДЗОРУ В СФЕРЕ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ НЕГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ САМАРСКИЙ МЕДИЦИНСКИЙ ИНСТИТУТ «РЕАВИЗ» (НОУ ВПО СМИ «РЕАВИЗ») Кафедра естественнонаучных дисциплин Антипов Е.В. СБОРНИК ЗАДАЧ ПО МОЛЕКУЛЯРНОЙ БИОЛОГИИ И МЕДИЦИНСКОЙ ГЕНЕТИКЕ С РЕШЕНИЯМИ Утверждено Редакционно-издательским советом института в качестве учебного пособия для студентов лечебного и стоматологического факультетов С А М А Р А Издательство РЕАВИЗ 2012 2 УДК ББК Составитель Антипов Е.В. Сборник задач по молекулярной биологии и медицинской генетике с решениями: учеб. пособие / сост. Антипов Е.В. – Самара: Изд-во НОУ ВПО СМИ «РЕАВИЗ», 2012. – 168 с. В учебном пособии приведены основные понятия молекулярной биологии и генетики, необходимые для решения задач. Предложены примеры решения типовых задач. УДК ББК © НОУ ВПО СМИ «РЕАВИЗ», 2012 3 СОДЕРЖАНИЕ Основные понятия молекулярной биологии и генетики, необходимые для решения задач ......................................................4 Раздел I. Задачи по молекулярной биологии ..........................10 Раздел II. Задачи по медицинской генетике............................28 1. Моногибридное скрещивание ..............................................28 1.1. Полное доминирование ..................................................38 1.2. Неполное доминирование...............................................38 2. Полигибридное скрещивание...............................................48 2.1. Дигибридное скрещивание.............................................48 2.2. Тригибридное скрещивание ..........................................56 3. Наследование по типу множественных аллелей ................68 4. Пенетрантность .....................................................................76 5. Взаимодействие неаллельных генов ...................................84 5.1. Комплементарность .......................................................85 5.2. Полимерия........................................................................87 5.3. Эпистаз ............................................................................91 6. Наследование признаков, сцепленных с полом..................98 7. Сцепленное наследование .................................................114 7.1. Полное сцепление..........................................................118 7.2. Неполное сцепление......................................................120 8. Анализ родословных ...........................................................131 9. Популяционная генетика ....................................................138 Приложение 1. Таблица генетического кода ........................155 Приложение 2. Наследственные болезни и аномалии .........156 4 ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ МОЛЕКУЛЯРНОЙ БИОЛОГИИ И ГЕНЕТИКИ, НЕОБХОДИМЫЕ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ Молекулярная биология – наука, изучающая основные свойства и проявления живого на молекулярном уровне: структурно- функциональную организацию генетического аппарата клеток и меха- низм реализации наследственной информации. Генетика – наука о закономерностях наследственности и изменчиво- сти живых организмов и методах управления ими. Наследственность – свойство организмов обеспечивать материаль- ную и функциональную преемственность между поколениями. Изменчивость – свойство организмов приобретать новые признаки и свойства. Нуклеиновые кислоты – полинуклеотиды, природные высокомоле- кулярные органические соединения, обеспечивающие хранение и пере- дачу наследственной информации в живых организмах. Различают де- зоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК) и рибонуклеиновые кислоты (РНК). Дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК) – нуклеиновые кислоты, содержащие в качестве углеводного компонента дезоксирибозу, а в ка- честве азотистых оснований аденин (А), гуанин (Г), цитозин (Ц), тимин (Т). ДНК – первичный носитель генетической информации почти у всех организмов (кроме РНК-содержащих вирусов). Рибонуклеиновые кислоты – нуклеиновые кислоты, содержащие в качестве углеводного компонента рибозу, а в качестве азотистых осно- ваний аденин (А), гуанин (Г), цитозин (Ц), урацил (У). Различают не- сколько классов РНК в соответствии с их функциями и структурными особенностями: рибосомальная (рРНК), транспортная (тРНК), информа- ционная или матричная (иРНК или мРНК), гетероядерная (гяРНК). Ген – участок молекулы ДНК, кодирующий первичную структуру полипептида, молекулы тРНК, рРНК, или взаимодействующий с регуля- торным белком, единица генетической (наследственной) информации. Интрон – участок гена эукариот, который не несет генетической ин- формации кодирующую синтез полипептида; расположен между экзо- нами. 5 Экзон – участок гена эукариот, несущий генетическую информацию, кодирующую синтез полипептида. Репликация (редупликация) – процесс самовоспроизведения мак- ромолекул нуклеиновых кислот, обеспечивающий точное копирование генетической информации и передачу ее от поколения к поколению. Транскрипция – биосинтез молекул РНК на соответствующих уча- стках ДНК, первый этап реализации генетической информации в живых клетках. Процессинг – совокупность реакций, ведущих к превращению пер- вичных продуктов транскрипции и трансляции в функционирующие молекулы. Сплайсинг – особый тип процессинга в клетках эукариотических ор- ганизмов, которому подвергаются предшественники всех мРНК (про- мРНК), а также некоторые тРНК и рРНК. При сплайсинге в молекулах этого типа некодирующие последовательности нуклеотидов (интроны) удаляются, а кодирующие последовательности нуклеотидов (экзоны) сшиваются, образуя зрелые мРНК. Трансляция – синтез полипептидных цепей белков по матрице иРНК согласно генетическому коду. Генетический код – свойственная живым организмам единая систе- ма записи наследственной информации о последовательности амино- кислот в белке с помощью последовательности нуклеотидов в ДНК и иРНК. Кодон – единица генетического кода, триплет нуклеотидов ДНК (иРНК), кодирующий одну аминокислоту. Антикодон – триплет нуклеотидов тРНК, комплементарный кодону иРНК и связывающийся с ним в рибосоме при трансляции. Аллель – форма существования гена, определяющая возможность развития конкретного варианта данного признака. Чаще всего у гена два аллеля – доминантный и рецессивный, но встречаются случаи множест- венного аллелизма. Геном – совокупность генов, характерных для гаплоидного набора хромосом данного вида организмов. Генотип – совокупность аллелей гена или группы генов, контроли- рующих анализируемый признак у данного организма. 6 Фенотип – совокупность признаков и свойств особи, которые фор- мируются в процессе взаимодействия генотипа с окружающей средой. Кариотип – совокупность признаков хромосомного набора (число, размер, форма хромосом), характерных для того или иного вида. Гены аллельные – гены, расположенные в одних и тех же локусах гомологичных хромосом, ответственные за развитие одного признака. Гены неаллельные – гены, расположенные в различных локусах го- мологичных хромосом или в разных парах хромосом. Генетическая карта хромосомы – схема взаимного расположения генов, находящихся в одной группе сцепления. Группа сцепления – гены одной хромосомы. Гены сцепленные – гены, расположенные в одной хромосоме, обра- зующие группу сцепления и наследуемые совместно. Хромосомы – органоиды клеточного ядра, являющиеся носителями генов и определяющие наследственные свойства клеток и организмов. Аутосомы – все хромосомы в клетках раздельнополых животных, растений и грибов, за исключением половых хромосом. Половые хромосомы – хромосомы, определяющие различие карио- типов особей разных полов у раздельнополых организмов. Локус – местоположение определенного гена (его аллелей) на гене- тической карте хромосомы. Гомологичные хромосомы – парные хромосомы, одинаковые по форме, размерам, характеру наследственной информации, несущие в одних и тех же локусах аллели одного и того же гена, но разные по про- исхождению – одна из гомологичных хромосом получена данной осо- бью от отца, другая – от матери. Гаплоидный набор хромосом – одинарный, половинчатыйнабор хромосом, когда из каждой пары гомологичных хромосом имеется толь- ко одна (у человека – 23 хромосомы). Диплоидный набор хромосом – двойной,полныйнабор хромосом (у человека – 46 хромосомы). Гаметы – половые клетки (яйцеклетки и сперматозоиды). Гомозигота – особь, гомологичные хромосомы которой несут оди- наковые аллели того или иного гена. 7 Гетерозигота – особь, у которой гомологичные хромосомы несут различные аллели (альтернативные формы) того или иного гена. Кроссинговер – обмен участками несестринских хроматид гомоло- гичных хромосом во время их конъюгации в профазе первого деления мейоза. Кроссоверные гаметы – гаметы, при образовании которых произо- шел кроссинговер. Кроссоверные особи (рекомбинанты) – особи, развившиеся в ре- зультате слияния кроссоверных гамет. У этих особей в фенотипе появ- ляются новые, по сравнению с родителями, сочетания признаков. Плейотропия – множественное действие гена, способность гена воз- действовать на несколько признаков. Признак – какое-либо качество организма, по которому можно от- личить один организм от другого. Альтернативные признаки – контрастные взаимоисключающие признаки. Доминантный признак – признак, проявляющийся у гибридов пер- вого поколения или в гетерозиготном состоянии. Преобладающий при- знак. Рецессивный признак – подавляемый признак, проявляющийся только в гомозиготном состоянии и не проявляющийся у гибридов пер- вого поколения, но передающийся по наследству. Аутосомный признак – признак, который определяется геном, рас- положенным в аутосомах. Признак, сцепленный с полом – признак, который определяется ге- ном, расположенным в половых хромосомах. Голандрический признак – признак, который определяется геном, расположенным в Y-хромосоме. Наследование – передача наследственной информации от родителей потомству. а) Независимое наследование – свободное комбинирование при- знаков, гены которых локализованы в разных парах гомологичных хро- мосом. б) Сцепленное наследование – совместное наследование признаков, гены которых локализованы в одной хромосоме. 8 в) Сцепленное с полом наследование – наследование признаков, гены которых локализованы в половых хромосомах. г) Промежуточное наследование (неполное доминирование) – проявление в фенотипе гетерозиготной особи промежуточного, по срав- нению с гомозиготными родителями, признака. Скрещивание (гибридизация) – объединение наследственной ин- формации двух клеток. а) Моногибридное скрещивание – скрещивание организмов, в ко- тором анализ производят по одной паре альтернативных признаков. б) Дигибридное скрещивание – скрещивание организмов, в кото- ром анализ производят по двум парам альтернативных признаков. в) Полигибридное скрещивание – скрещивание организмов, в ко- тором анализ производят по многим парам альтернативных признаков. г) Анализирующее скрещивание – скрещивание особи, генотип которой неизвестен, с гомозиготной по рецессиву особью. Пенетрантность (степень пробиваемости гена в признак) – частота проявления аллеля определенного гена у разных особей определенной группы организмов. Экспрессивность – степень фенотипического проявления 1 и того же гена у разных особей определенной группы организмов. Комплементарность – типвзаимодействия неаллельных генов, при которомразвитие признака может определяться не одной, а двумя или более парами неаллельных генов, располагающихся в разных хромосо- мах. Полимерия – обусловленность определенного признака нескольки- ми парами неаллельных генов, обладающих одинаковым действием. Эпистаз (противоположное действие генов) – явление, при котором ген одной аллельной пары (супрессор) в доминантном (доминантный эпистаз) или рецессивном (рецессивный эпистаз – криптомерия, или ги- постаз) состоянии может подавлять развитие признака, который контро- лируется другой парой генов. Решетка Пеннета – таблица, в которой по горизонтали и вертикали вписываются все возможные генотипы гамет родительских особей, а искомые генотипы потомков находятся в ячейках полученной решетки. 9 Мейоз – способ деления клеток, в результате которого происходит редукция (уменьшение) числа хромосом и переход клеток из диплоид- ного состояния в гаплоидное. Митоз – непрямое деление, основной способ деления эукариотиче- ских клеток. Мутации – внезапные, естественные или вызванные искусственно наследуемые изменения генетического материала, приводящие к изме- нению тех или иных признаков организма. Популяция –совокупность особей одного вида, скрещивающихся между собой и имеющих определенный ареал обитания. Панмиксия – свободное скрещивание разнополых особей с разными генотипами в популяции перекрестнооплодотворяющихся организмов. 10 РАЗДЕЛ I ЗАДАЧИ ПО МОЛЕКУЛЯРНОЙ БИОЛОГИИ Решение данного типа задач основано на знании центральной догмы молекулярной биологии (рис. 1): Рис. 1. Центральная догма молекулярной биологии Она говорит о том, что для осуществления синтеза полипептидов ге- нетическая информация, закодированная в ДНК в составе хроматина, переписывается (процесс транскрипции, происходит в ядре) по прин- ципу комплементарности азотистых оснований на информационную РНК (иРНК или матричная мРНК), которая переходит из ядра в цито- плазму, где принимает участие в процессе трансляции: переводе ин- формации с языка нуклеотидов на язык аминокислот, т. е. процессе син- теза полипептида. Указанные процессы осуществляются по принципу комплементарности молекул ДНК. Согласно этому принципу, аденин (А) всегда в норме соединяется с тимином (Т) – в ДНК или урацилом (У) в РНК. Гуанин (Г) всегда в норме соединяется с цитозином (Ц). Между А и Т образуются две водородные связи, а между Г и Ц – три. Записывается принцип комплементарности следующим образом: А – Т (У) Г – Ц 11 В результате после двухразового использования принципа компле- ментарности (после транскрипции и трансляции) последовательность аминокислот в белке будет точно соответствовать последовательности триплетов (кодонов) в ДНК. В пределах одного гена, который кодирует полипептид, участок мо- лекулы ДНК подразделяется на функционально различные единицы. Отличительная черта строения многих генов эукариот – прерывистость структуры смысловой части. Смысловые участки, несущие информацию о последовательности аминокислот в белке – экзоны, чередуются с уча- стками некодирующих последовательностей – интронами. Часто ин- троны по длине могут превосходить экзоны. Наличие избыточных по- следовательностей приводит к тому, что длина гена может быть в не- сколько раз больше, чем требуется для кодирования аминокислот в бел- ке. Гаплоидный набор хромосом человека содержит 3,5 × 10 нуклеотид- ных пар, что по количеству соответствует примерно 1,5 млн. пар генов. Однако данные по изучению генома человека показывают, что организм человека имеет не более 100 тыс. генов. Это значит, что в клетках чело- века только 1% ДНК выполняет кодирующие функции. В отношении оставшихся 99% существуют разные гипотезы, обосновывающие их ре- гуляторные и структурные функции. Затем в ходе созревания РНК в ядре из нее удаляются интроны, а концы соседних экзонов сшиваются стык в стык. Процесс удаления последовательностей РНК, соответст- вующих нитронам, и соединение участков с транскрибируемыми после- довательностями экзонов называется сплайсингом. Кроме того транс- крибируемая молекула модифицируется добавлением метилированного Г-нуклеотида на 5'-конце (кэпирование) и поли-А-последовательности на 3'-конце. Модифицированные участки играют важную роль в ини- циации белкового синтеза, защищают транскрипт тРНК от деградации. Имеются данные, свидетельствующие о том, что поли-А-конец участву- ет в транспорте зрелой мРНК из ядра в цитоплазму и продлевает ее функционирование там. Весь суммарный процесс формирования зрелых молекул РНК из предшественников называется процессингом. Созрев- шая мРНК выходит в цитоплазму, прикрепляется к рибосоме, где гене- тическая информация транслируется в белковую последовательность. Большинство интронных последовательностей, по-видимому, не обла- 12 дают специфическими функциями. Однако один и тот же транскрипт РНК может подвергаться сплайсингу по-разному, следовательно, с од- ного транскрипта в ходе сплайсинга способны образоваться несколько различных РНК. Такой сплайсинг называется альтернативным. Альтер- нативный сплайсинг сообщает клетке дополнительную генетическую пластичность. Информация о первичной структуре полипептидов (последователь- ности аминокислот в них) записана в ДНК в виде трехбуквенного кода, составленного из первых букв названий четырех азотистых оснований, входящих в состав ДНК (АТГЦ). Каждой аминокислоте соответствует определенный триплет из трех соседних нуклеотидов. Например, ами- нокислоте фенилаланин в ДНК соответствует код он ААА, а аминокис- лоте серии – АГА. Свойственная живым организмам единая система записи наследственной информации о последовательности аминокислот в белке с помощью последовательности нуклеотидов в ДНК и иРНК на- зывается генетическим кодом. Свойства генетического кода 1. Триплетность. Одну аминокислоту кодирует последовательность из трех нуклеотидов, названная триплетом, или кодоном. Каждая аминокислота шифруется тремя стоящими рядом нуклеотидами. В этом случае из четырех нуклеотидов образуется 4 3 = 64 триплета. 2. Вырожденность (избыточность). Большинство аминокислот кодируется более, чем одним кодоном (2, 4 или 6). Исключение составляют аминокислоты метионин и триптофан, которые зашифрованы 1 кодоном. Каждая из них кодируется только одним триплетом. Для кодирования 20 аминокислот используется 61 комбинация нуклеотидов. Триплет АУГ, кодирующий метионин, называют стартовым. С него начинается синтез белка. Три кодона (УАА, УАГ, УГА) несут информацию о прекращении синтеза белка. Их называют триплетами терминации (синонимы: стоп-кодоны, нонсенс-кодоны, терминальные кодоны, «знаки препинания»). 3. Универсальность. У всех организмов на Земле одни и те же триплеты кодируют одинаковые аминокислоты. Такая универсальность генетического кода свидетельствует о единстве происхождения всего многообразия живых форм на Земле в процессе биологической эволюции. 4. Однозначность (специфичность). Во всех генах у всех эукариот каждый триплет кодирует только одну аминокислоту. 13 5. Коллинеарность – совпадение последовательностей аминокислот в синтезируемой молекуле белка с последовательностью триплетов в иРНК. 6. Линейность (непрерывность и неперекрываемость кодонов при считыва- нии). Это означает, что последовательность нуклеотидов считывается триплет за триплетом без пропусков, при этом соседние триплеты не перекрывают друг друга, т.е. каждый отдельный нуклеотид входит в состав только одного триплета при за- данной рамке считывания. Примеры решения задач по молекулярной биологии Задача 1.1 Фрагмент ДНК имеет следующий нуклеотидный состав: АЦГТЦГАГГ. Напишите дочерние молекулы ДНК, образовавшиеся в процессе реп- ликации данного фрагмента ДНК. Дано: Структура участка ДНК: АЦГТЦГАГГ Решение: Репликация (самокопирование) молекулы ДНК происходит полукон- сервативным способом, то есть к каждой исходной полинуклеотидной цепи ДНК по принципу комплементарности достраивается новая поли- нуклеотидная цепь. В итоге образовавшиеся дочерние ДНК являются копиями исходной молекулы ДНК. исходная ДНК: АЦГТЦГАГГ дочерняя ДНК: ТГЦАГЦТЦЦ Задача 1.2 Одна из исходных цепей ДНК имеет следующий состав нуклеотидов: АТТГГЦТАГ. Напишите нуклеотидный состав молекулы мРНК, синте- зированной (переписанной) с данного участка ДНК. Дано: Структура участка ДНК: АТТГГЦТАГ Решение: Процесс синтеза мРНК на ДНК-матрице называется транскрипцией. Нуклеотиды мРНК присоединяются к цепи ДНК по принципу компле- ментарности: аденину (А) ДНК соответствует урацил (У) мРНК, гуани- 14 ну (Г) ДНК соответствует цитозин (Ц) мРНК, тимину (Т) ДНК соответ- ствует аденин (А) мРНК. исходная ДНК: АТТГТЦААГ мРНК: ТААЦАГТТЦ Задача 1.3 Дан участок полипептида, состоящий из трех аминокислот: МЕТ-АСП-ВАЛ. Пользуясь таблицей генетического кода, закодируйте в кодонах ДНК этот участок. Сколько нуклеотидов содержится в коди- рующем участке молекулы ДНК? Дано: трипептид мет-асп-вал Решение: Пользуясь таблицей генетического кода, найдем, каким кодонам (триплетам) мРНК будет соответствовать данная последовательность аминокислот в полипептиде. Затем, по принципу комплементарности построим цепь ДНК. Обратите внимание, что по свойству вырожденно- сти генетического кода: большинство аминокислот кодируется более, чем одним кодоном. Поэтому можно записать несколько альтернатив- ных вариантов последовательности нуклеотидов в мРНК. полипептид: МЕТ-АСП-ВАЛ мРНК: АУГ– ГАУ-ГУУ ДНК: ТАЦ-ЦТА-ЦАА В данном кодирующем участке молекулы ДНК содержится 9 нуклео- тидов (по свойству триплетности генетического кода – каждый триплет состоит из трех нуклеотидов; в данном случае имеется три кодона, по- этому нуклеотидов будет 9). Задача 1.4 Кодирующий участок ДНК состоит из следующих нуклеотидов: ГЦА ТТТ АГА ТГА ААТ ЦАА? 1) Напишите состав кодонов мРНК, транскрибируемой с этой цепи; 2) Определите состав соответствующих антикодонов тРНК, участ- вующих в трансляции; 3) Какие аминокислоты переносят соответствующие тРНК? 15 Дано: Структура участка ДНК: ГЦА ТТТ АГА ТГА ААТ ЦАА Решение: Составляем цепь мРНК по принципу комплементарности, затем оп- ределяем соответствующие антикодоны тРНК (по принципу комплемен- тарности). Аминокислоты, переносящие найденные тРНК, находим по таблице генетического кода, используя триплеты мРНК (но не тРНК). исходная ДНК: ГЦА ТТТ АГА ТГА ААТ ЦАА мРНК: ЦГУ ААА УЦУ АЦУ УУА ГУУ тРНК: ГЦА УУУ АГА УГА ААУ ЦАА полипептид: АЛА – ГЛИ – ЦИС – ФЕН – ТРИ – АСП Ответ: если участок ДНК представлен следующей последовательно- стью нуклеотидов ГЦАТТТАГАТГАААТЦАА, то полипептид будет состоять из аминокислот: аланина, глицина, цистеина, фенилаланина, триптофана и аспарагина. Задача 1.5 Нуклеотиды в одном из генов располагаются в следующей последо- вательности: АААГААЦАЦ. Как изменится последовательность амино- кислот в полипептидной цепочке, кодируемой данным участком гена, если в всех кодонах заменить первые нуклеотиды: в первом кодоне А на Г, во втором – Г на А, в третьем – Ц на Т? Дано: Структура ДНК: АААГААЦАЦ Решение: Пользуясь таблицей генетического кода, определим последователь- ность аминокислот в полипептиде, которая кодируется исходными ко- донами: исходные кодоны: ААА ГАА ЦАЦ исходные аминокислоты: ФЕН – ЛЕЙ – ВАЛ Затем запишем последовательность новых кодонов и новых амино- кислот: новые кодоны: ГАА ААА ТАЦ исходные аминокислоты: ЛЕЙ – ФЕН – МЕТ Следовательно, замена первого нуклеотида в каждом кодоне изменя- 16 ет их смысловую функцию – образуется другой белок, что ведет к но- вым признакам у организма. Задача 1.6 Полипептид состоит из следующих аминокислот: валин – аланин – глицин – лизин – триптофан – валин – серин – глутаминовая кислота – указанный полипептид. Дано: Структура полипептида Решение: полипептид: вал – ала – гли – лиз – три – вал – сер – глу мРНК: ААА – ГУУ – УГГ – УУУ – ГУУ – АЦГ – ЦГУ – АГЦ ДНК: ТТТ – ЦАА – АЦЦ – ААА – ЦАА – ТГЦ – ГЦА – ТЦГ ААА – ГТТ – ТГГ – ТТТ – ГТТ – АЦГ – ЦГТ – АГЦ Ответ: если полипептид представлен следующей последовательностью аминокислот валин – аланин – глицин – лизин – триптофан – валин – серин – глутаминовая кислота, то структура участка ДНК, кодирующего данный полипептид, следующая: ТТТ – ЦАА – АЦЦ – ААА – ЦАА – ТГЦ – ГЦА – ТЦГ ААА – ГТТ – ТГГ – ТТТ – ГТТ – АЦГ – ЦГТ – АГЦ Задача 1.7 Ген состоит из 3 одинаковых смысловых (экзоны) и 4 одинаковых несмысловых (интроны) участков, причем интроны состоят из 120 нук- леотидов каждый, а весь ген имеет 1470 нуклеотидов. Сколько кодонов будет иметь про-мРНК, каждый экзон, мРНК и белок, закодированный в этом гене? Решение: Находим количество кодонов в про-мРНК. Один кодон состоит из трех нуклеотидов. Всего нуклеотидов 1470, значит в про-мРНК: (1470 / 3) = 490 кодонов. мРНК состоит только из экзонов, общая длина которых будет: (1470 – 120 × 4) = 990 нуклеотидов. Следовательно, мРНК состоит из: (990 / 3) = 330 кодонов. Столько же будет аминокислот в белке. Каждый экзон состоит из: (330 / 3) = 110 кодонов. 17 Ответ: про-мРНК содержит 490 кодонов, мРНК – 330 кодонов, экзон – 110 кодонов, белок – 330 аминокислот. Задача 1.8 Известно, что определенный ген эукариотической клетки содержит 4 интрона (два по 24 нуклеотида и два по 36 нуклеотидов) и 3 экзона (два по 120 нуклеотидов и один 96 нуклеотидов). Определите: количество нуклеотидов в мРНК; количество кодонов в мРНК; количество амино- кислот в полипептидной цепи; количество тРНК, участвующих в транс- ляции. Дано: 3 экзона (2 по 120 и 1 по 96) 4 интрона (2 по 24 и 2 по 36) Решение: Данная задача на этапы реализации генетической информации. Пер- вым этапом является транскрипция, в результате проведения которой мы получаем про-мРНК. Вторым этапом реализации является процес- синг – вырезание несмысловой части про-мРНК и получение цепи мат- ричной РНК. Третьим этапом является трансляция в рибосомах и полу- чение полипептидной цепи. Для определения количества аминокислот в цепи используем такие свойства генетического кода, как коллинеар- ность и триплетность. Определим количество нуклеотидов в про-мРНК, так как она являет- ся слепком с гена, который ген состоит из суммы экзонной и интронной частей 2×120 + 1×96 + 2×24 + 2×36 = 456 определим количество нуклеотидов в зрелой мРНК, удалив интроны 456 – (2 × 24 + 2 × 36) = 336 определим количество кодонов в зрелой мРНК, используя свойство триплетности генетического кода 336 / 3 = 112 определим количество аминокислот в полипептидной цепи, исполь- зуя принцип коллинеарности 112 кодонов = 112 аминокислот определим количество тРНК, участвующих в трансляции, учитывая 18 что одна молекула тРНК доставляет в рибосому одну молекулу аминокислоты 112 аминокислот = 112 тРНК Ответ: если ген состоит из 4 интрона (2 по 24 нуклеотида и 2 по 36 нук- леотидов) и 3 экзона (2 по 120 нуклеотидов и 1 по 96 нуклеотидов), то: – количество нуклеотидов в мРНК – 336; – количество кодонов в мРНК – 112; – количество аминокислот в полипептидной цепи – 112; – количество тРНК, участвующих в трансляции – 112. Задача 1.9 Как изменится соотношение нуклеотидов в ДНК, копией которой яв- ляется следующая мРНК – УУГГАЦЦГГУУА, если произошли следую- щие изменения: после 1-го триплета был вставлен тимин, после второго и третьего добавлен аденин. Дано: мРНК Мутации по типу вставки нуклеотидов Решение: Для решения данной задачи используем свойство обратной транс- крипции и принципа комплементарности. I 1. Определяем структуру ДНК мРНК У У Г Г А Ц Ц Т Г У У А ДНК А А Ц Ц Т Г Г А Ц А А Т Т Т Г Г А Ц Ц Т Г Т Т А 2. Определяем количество нуклеотидов А и Т от общего количества нуклеотидов (примем за 100%). Для этого используем Правила Чаргаффа 1. Сумма пуриновых оснований = сумме пиримидиновых (А+Г=Ц+Т) 2. А+Ц=Г+Т 3. А=Т 4. Г=Ц 5. Количество комплементарных пар в ДНК не равно (А+Т не равно Г+Ц) 19 Всего нуклеотидов 24 – 100% Т = А = 25% Адениновых 6 – x х = 25% 3. Определяем количество нуклеотидов Г и Ц Всего нуклеотидов 24 – 100% Ц = Г = 25% Гуаниновых 6 – х х = 25% Находим соотношение нуклеотидов, согласно 5 правилу Чаргаффа: А + Т / Г + Ц = 1 II 1. Определяем структуру ДНК после мутаций ДНК А А Ц Т Ц Т Г А Г АЦ А А А Т Т Т Г А Г А Ц Т Ц Т Г Т Т Т А 2. Определяем количество нуклеотидов А и Т в ДНК после произо- шедшей мутации: Всего нуклеотидов 30 – 100% Т = А = 33,3% Адениновых 10 – х х = 33,3% 3. Определяем количество Г и Ц Всего нуклеотидов 30 – 100% Ц = Г = 16,7% Гуаниновых 5 – х х = 16,7% 4. Соотношение А+Т / Г+Ц = 1,99 Ответ: соотношение нуклеотидов в исходной ДНК и мутированной из- менилось с 1 до 1,99. Задача 1.10 Исследования показали, что нуклеотидный состав мРНК следующий: 30% приходится на гуанин, 10% – на цитозин, 16% – на аденин и 44% – на урацил. Определите процентный состав по нуклеотидам той части ДНК, слепком которой является изученная мРНК. Дано: Гуанин – 30% Цитозин – 10% Аденин – 16% Урацил – 44% 20 Решение: Для определения структуры одной цепи ДНК используем свойство обратной транскрипции. Вторую цепь получаем по принципу компле- ментарности (А-Т; Г-Ц). Для вычисления процентного состава нуклео- тидов в ДНК, повторяющиеся нуклеотиды суммируем. иРНК 1) ДНК 2) ДНК 3) ДНК 30% -Г 30% – Ц – Г – 30% Ц – 40% Ц – 20% 10% -Ц 10% – Г – Ц – 10% Г – 40% Г – 20% 16% – А 16% – Т – А – 16% А – 60% А – 30% 44% – У 44% – А – Т – 44% Т – 60% Т – 30% Ответ: если в иРНК процентный состав нуклеотидов: Г – 30%, Ц – 10%, А – 16%, У – 44%, то в ДНК он представлен следующим образом: Г и Ц – по 20%, А и Т – по 30%. Задача 1.11 Известно, что расстояние между нуклеотидами в цепочках ДНК со- ставляет 34×10 -11 м. Какую длину имеет ген, определяющий белок, со- стоящий из 134 аминокислот? Дано: Количество аминокислот – 134 Расстояние между нуклеотидами 34×10 -11 м Решение: Белок, состоящий из 134 аминокислот, определяется участком ДНК, имеющим в своем составе 402 нуклеотида (134×3). Указанную величину расстояния в ДНК между нуклеотидами необходимо умножить на циф- ру 401, так как 1 нуклеотид надо отнять. 34×10 -11 м × 401 ≈ 13634×10 -11 м ≈ 1,36 × 10 -7 Ответ: длина данного гена равняется ≈ 1,36×10 -7 м. Задача 1.12 Известно, что расстояние между нуклеотидами в цепочках ДНК со- ставляет 34×10 -11 м. Какую длину имеет ген, определяющий гемоглобин, включающий 287 аминокислот? Дано: Количество аминокислот в гемоглобине – 287 Расстояние между нуклеотидами 34×10 -11 м 21 Решение: Для решения данной задачи используем явление обратной трансля- ции, что позволяет определить количество триплетов в мРНК по коли- честву аминокислот. Путем обратной транскрипции определяем количе- ство триплетов в ДНК. Зная, что код триплетен, определяем общее ко- личество нуклеотидов в цепи ДНК. Длину структурного гена вычисля- ем, используя расстояние между нуклеотидами. 1. Определяем количество триплетов в мРНК 287 аминокислот = 287 триплетов в мРНК 2. Определим количество триплетов в ДНК 287 триплетов мРНК = 287 триплетов ДНК 3. Определяем количество нуклеотидов в ДНК 287 × 3 = 861 4. Определяем длину структурного гена, кодирующего молекулу ге- моглобина (861 – 1) × 34×10 -11 Ответ: если в молекуле гемоглобина 287 аминокислот, то длина цис- трона, кодирующего гемоглобин, составляет (861 – 1) × 34×10 -11 м. Задачи по молекулярной биологии Задача 1.13 Какая последовательность аминокислот зашифрована в следующем участке ДНК: АЦАТТТАГЦТГГААТЦАА? Задача 1.14 Смысловая нить ДНК, соответствующая гену вазопрессина (гормона гипофиза, повышающего кровяное давление), содержит следующую по- следовательность нуклеотидов: АЦААТААААЦТТЦТААЦАГГАГЦАЦЦА. Определите последовательность нуклеотидов во второй нити ДНК; последовательность нуклеотидов в иРНК, число аминокислот, входящих в состав вазопрессина. 22 Задача 1.15 В настоящее время известно много редких форм гемоглобина, у ко- торых в результате мутаций произошло замещение той или иной амино- кислоты в α-цепи. 1) В α-цепи нормального гемоглобина А пятая и шестая аминокисло- ты представлены аланином. У гемоглобина Торонто пятая аминокислота аланин замещена аспарагином, у гемоглобина Париж шестая аминокис- лота аланин заменена аспарагином. Определите участок ДНК, кодирующий пятую и шестую аминокис- лоты α-цепи, для нормального гемоглобина А и для гемоглобинов То- ронто и Париж. 2) В α-цепи нормального гемоглобина А 15-я аминокислота пред- ставлена глицином, 16-я – лейцином. У гемоглобина Интерлакси – Окс- форд 15-я аминокислота глицин заменена аспарагином, у гемоглобина J 16-я аминокислота лейцин заменена глутамином. Определите участок ДНК, кодирующий 15-ю и 16-ю аминокислоты α-цепи, у нормального гемоглобина и у обоих измененных. Задача 1.16 Четвертый пептид в нормальном гемоглобине (гемоглобин А) состо- ит из следующих аминокислот: валин – гистидин – лейцин – треонин – пролин – глутаминовая кислота – лизин. 1) У больного с симптомом спленомегалии при умеренной анемии обнаружили следующий состав четвертого пептида: валин – гистидин – лейцин – треонин – пролин – лизин – глутаминовая кислота – лизин. Определите изменения, произошедшие в ДНК, кодирующей четвер- тый пептид гемоглобина, после мутации. 2) У больного серповидноклеточной анемией состав аминокислот четвертого пептида гемоглобина следующий: валин – гистидин – лейцин – треонин – пролин – валин – глутаминовая кислота – лизин. Определите изменения в участке ДНК, кодирующем четвертый пеп- тид гемоглобина, приведшие к заболеванию. Задача 1.17 Как изменится структура белка, если из кодирующего его ДНК ААТАЦАТТТАААГТЦ удалить 5-й и 13-й слева нуклеотиды? 23 Задача 1.18 Начальный участок цепи В инсулина представлен следующими ами- нокислотами: фенилаланин – валин – аспарагиновая кислота – глутамин – гистидин – лейцин – цистеин – глицин – серин – гистидин. Определите количественные соотношения А+Т и Г+Ц в цепи ДНК, кодирующей этот участок инсулина. Задача 1.19 Какие изменения произойдут в строении белка, если в кодирующем его участке ДНК – ТААЦАААГААЦАААА между 10-м и 11-м нуклео- тидами включить цитозин, между 13-м и 14-м – тимин, а на конце при- бавить еще один аденин? Задача 1.20 Участок ДНК, кодирующий полипептид, имеет в норме следующий порядок азотистых оснований: ААААЦЦААААТАЦТТАТАЦАА. Во время репликации третий слева аденин выпал из цепи. Определите структуру полипептидной цепи, кодируемой данным участком ДНК, в норме и после выпадения аденина. Задача 1.21 Исследования показали, что 34% общего числа нуклеотидов данной иРНК приходится на гуанин, 18% на урацил, 28% – на цитозин и 20% – на аденин. Определите процентный состав азотнокислых оснований двухцепочечной ДНК, слепком с которой является указанная иРНК. Задача 1.22 Известно, что расстояние между двумя соседними нуклеотидами в спирализованном состоянии молекулы ДНК, измеренной вдоль оси спи- рали составляет 34×10 -11 м. Какую длину имеют структурные гены, оп- ределяющие молекулу белка, включающего 112 аминокислот? Задача 1.23 Какую длину имеет часть молекулы ДНК, кодирующая инсулин бы- ка, если известно, что молекула инсулина белка имеет 51 аминокислоту, а расстояние между двумя соседними нуклеотидами в ДНК равно 34×10 11 м? 24 Задача 1.24 Ген состоит из 3 одинаковых смысловых и 4 одинаковых не смысло- вых участков, причем интроны состоят из 120 нуклеотидов каждый, а весь ген имеет 1470 нуклеотидов. Сколько кодонов будет иметь про- мРНК, каждый экзон, мРНК и аминокислот в белке, закодированного в этом гене? Задача 1.25 Известно, что определенный ген эукариотической клетки содержит 4 интрона (два по 24 нуклеотида и два по 36 нуклеотидов) и 3 экзона (два по 120 нуклеотидов и один 96 нуклеотидов). Определите: количест- во нуклеотидов в мРНК; количество кодонов в мРНК; количество ами- нокислот в полипептидной цепи; количество тРНК, участвующих в трансляции. Задача 1.26 Как изменится соотношение нуклеотидов в ДНК, копией которой яв- ляется следующая мРНК – УУГГАЦЦГГУУА, если произошли следую- щие изменения: после 1-го триплета был вставлен тимин, после второго и третьего добавлен аденин? Задача 1.26 Фрагмент иРНК имеет следующий состав: УУУ-ГУУ-ГАУ-ЦАА- ЦАЦ-УУА-УГУ-ГГГ-УЦА-ЦАЦ. Определите соотношение (А+Т)/(Г+Ц) во фрагменте названного гена. Задача 1.27 Определенный белок содержит 400 аминокислот. Какую длину имеет ген, под контролем которого этот белок синтезируется, если расстояние между нуклеотидами составляет 0,34 нм? Задача 1.28 Сколько нуклеотидов содержат гены (обе цепи ДНК), в которых запрограммированы белки из 500 аминокислот, 25 аминокислот, 48 ами- нокислот? 25 Задача 1.29 На фрагменте одной цепи ДНК: А-А-Г-Т-Ц-Т-А-Ц-Г-Т-А-Т нарисуй- те схему структуры двухцепочечной молекулы ДНК. Каким свойством вы руководствовались? Какова длина в нм этого фрагмента? Сколько (в %) содержится нуклеотидов в отдельности в этой цепи ДНК? Задача 1.30 В эукариотической клетке ген, хранящий информацию о белке, состоит из 648 пар нуклеотидов. Из них три участка по 70 пар нуклеоти- дов – несмысловые (интроны). Сколько тРНК участвовало в сборке по- липептида? Сколько нуклеотидов в матричной РНК? Какова масса всего белка (масса 1 аминокислоты 100)? Задача 1.31 Ген состоит из 540 нуклеотидов. Белок, кодируемый данным геном, состоит из 120 аминокислот. Определить длину иРНК и количество ин- тронов в про-иРНК. (Учесть расстояние между соседними нуклеотидами 3,4 Å). Задача 1.32 Ген имеет длину 2040 Å. Белок состоит из 150 аминокислот. Какова длина интронов? Сколько нуклеотидов на них приходится? Задача 1.33 В гене на интроны приходится 40%. Определите количество амино- кислот в белке и длину про-иРНК, если на интроны приходится 180 три- плетов? Задача 1.34 Определить, что опаснее с точки зрения последствий: выпадение пер- вого, среднего или последнего нуклеотида в цепи ДНК? Показать на примере структурного гена. 26 Задача 1.35 Представлена часть белка: глицин – глутамин – метионин – треонин – тирозин. Подсчитайте соотношение аденин+тимин и гуанин+цитозин в участке ДНК, кодирующем данную последовательность аминокислот. Задача 1.36 Исследования показали, что нуклеотидный состав мРНК следующий: 30% приходится на гуанин, 10% – на цитозин, 16% – на аденин и 44% – на урацил. Определите процентный состав по нуклеотидам той части ДНК, слепком которой является изученная мРНК. Задача 1.37 Известно, что расстояние между нуклеотидами в цепочках ДНК со- ставляет 34×10 -11 м. Какую длину имеет ген, определяющий гемоглобин, включающий 287 аминокислот? Задача 1.38 У человека, больного цистинурией (содержание в моче большего, чем в норме, числа аминокислот), с мочой выделяются аминокислоты, которым соответствуют следующие триплеты иРНК: УЦУ, УГУ, ГЦУ, ГГУ, ЦАГ, ЦГУ, ААА. У здорового человека в моче обнаруживается аланин, серин, глутаминовая кислота и глицин. 1) Выделение каких аминокислот с мочой характерно для больных цистинурией? 2) Напишите триплеты, соответствующие аминокислотам, имею- щимся в моче здорового человека. Задача 1.39 Как изменится белок, если в гене, его кодирующем – ТААААТАЦА- АЦЦЦАААТА, произошли мутации по типу выпадения 1, 12 и 17 нук- леотидов? Задача 1.40 Исследования показали, что в мРНК процентное соотношение азоти- стых соединений следующее: аденинов 8%; гуанинов 22%; цитозинов 26%; урацилов 44%. Определите процентное соотношение нуклеотидов в соответствующей этой мРНК, ДНК. 27 Задача 1.41 Подсчитайте длину гена, кодирующего следующий олигопептид: ва- лин – лейцин – лейцин – глутамин – фенилаланин – триптофан – цисте- ин – триптофан – валин – глицин – лизин – аргинин – гистидин – метио- нин – аргинин – тирозин, если расстояние между нуклеотидами в ДНК равняется 34×10 -11 м. Известно также, что при процессинге данного бел- ка был вырезан интрон, состоящий из 12 нуклеотидов. Задача 1.42 Подсчитайте соотношение аденин+тимин и гуанин+цитозин в ДНК, которая определяет следующую последовательность аминокислот: ли- зин – валин – триптофан – фенилаланин – валин – метионин. Задача 1.43 Известно, что в состав определенного гена входит 3 интрона (27, 24 и 36 нуклеотидов) и 4 экзона (по 66 нуклеотидов каждый). Определите количество аминокислот в белке, закодированном в этом гене, и число кодонов в про-мРНК. Задача 1.44 Определить антикодоны тРНК, участвующие в синтезе белка, на- чальный участок которой имеет следующее строение: аланин – серин – треонин – цистеин – тирозин – валин – аргинин. Задача 1.45 При биосинтезе белка к рибосоме последовательно доставлены ами- нокислоты тРНК: УУУ ; ГЦА ; УУУ ; УЦУ ; УГА ; ЦАА. Какой поли- пептид получился? 28 |