Глава 8. Молекулярные основы наследственности

Веществом наследственности в живых организмах является ДНК (исключение составляют РНК-содержащие вирусы). РНК – посредник в реализации наследственной информации, её роль заключается в считывании информации с молекулы ДНК и переносе её к месту синтеза белка (и-РНК), поставке аминокислот к месту синтеза белка (т-РНК), образовании рибосом (р-РНК).

Нуклеиновые кислоты – сложные биологические полимеры, мономерами которых являются нуклеотиды.

Нуклеотиды ДНК состоят из азотистого основания - пуринового: аденина (А), гуанина (Г) или пиримидинового: тимина (Т), цитозина (Ц); пятиуглеродного сахара – дезоксирибозы и остатка фосфорной кислоты. Молекула ДНК состоит из двух длинных, спирально закрученных полинуклеотидных цепей, соединённых по принципу комплементарности: аденин всегда связан с тимином, цитозин – с гуанином.

Нуклеотиды РНК состоят из пуринового (аденина, гуанина) или пиримидинового (урацила (У), цитозина) основания, сахара – рибозы и остатка фосфорной кислоты. Молекула РНК – одноцепочечная.

Нуклеотиды в молекулах ДНК и РНК связываются между собой через остаток фосфорной кислоты. Расстояние между нуклеотидами ДНК составляет 3,4 Å (1 Å ангстрем = 10 ^-1 нм = 10 ^-4 мкм = 10 ^-7 мм).

Белки – биологические полимеры, мономерами которых являются 20 аминокислот. Информация о составе белка находится в молекулах ДНК. Система записи этой информации называется генетическим кодом. Генетический код триплетен (табл.), непрерывен, универсален.

Синтез белка начинается с транскрипции - синтеза и-РНК на молекуле ДНК, осуществляемого по принципу комплементарности. Комплементарным аденину вместо тимина является урацил. И-РНК является матрицей при синтезе белка в рибосоме – трансляции.

Таблица

Последовательность нуклеотидов в триплетах днк для разных аминокислот

Первый нуклео-тид кодона	Второй нуклеотид кодона А Г Т Ц				Третий нуклео-тид кодона
А	Фенилаланин	Серин	Тирозин	Цистеин		А
А	Фенилаланин	Серин	Тирозин	Цистеин		Г
А	Лейцин	Серин	Терминатор	Терминатор		Т
А	Лейцин	Серин	Терминатор	Триптофан		Ц
Г	Лейцин	Пролин	Гистидин	Аргинин		А
Г	Лейцин	Пролин	Гистидин	Аргинин		Г
Г	Лейцин	Пролин	Глутамин	Аргинин		Т
Г	Лейцин	Пролин	Глутамин	Аргинин		Ц
Т	Изолейцин	Треонин	Аспарагин	Серин		А
Т	Изолейцин	Треонин	Аспарагин	Серин		Г
Т	Изолейцин	Треонин	Лизин	Аргинин		Т
Т	Метионин	Треонин	Лизин	Аргинин		Ц
Ц	Валин	Аланин	Аспарагиновая кислота	Глицин		А
Ц	Валин	Аланин	Аспарагиновая кислота	Глицин		Г
Ц	Валин	Аланин	Глутаминовая кислота	Глицин		Т
Ц	Валин	Аланин	Глутаминовая кислота	Глицин		Ц

8.1. В одной из цепочек молекулы ДНК нуклеотиды расположены в следующей последовательности: ЦАЦАГАГАТТЦГ. Определите:

а) последовательность нуклеотидов в антипараллельной цепи ДНК;

б) соответствующие нуклеотиды в и-РНК;

в) аминокислоты, закодированные этой последовательностью;

г) антикодоны т-РНК, участвующих в синтезе данной аминокислотной последовательности.

8.2. Выполните задания из 1) для следующих последовательностей ДНК:

а) АГЦТТАГГЦЦТАГ в) ТАТЦГААЦГАГГГ

б) ТАТАГЦГЦЦЦАГГ г) АААГТГЦЦГТТЦГ

8.3. Молекула инсулина (гормон поджелудочной железы) состоит из связанных между собой полипептидов А и В. У крупного рогатого скота, овец и лошадей первые семь аминокислотных остатков полипептида А расположены в одинаковой последовательности: глицин, изолейцин, валин, глутаминовая кислота, глутаминовая кислота, цистеин, цистеин. Восьмая и девятая аминокислоты у них различны: у крупного рогатого скота – аланин и серин, у овец – аланин и глицин, у лошадей – треонин и глицин.

Изобразите первичную структуру участка молекулы ДНК, кодирующего аминокислотную последовательность фрагмента А-цепи инсулина, у крупного рогатого скота, овец и лошадей.

8.4. В участках молекул ДНК из № 2) произошла мутация. В пятом нуклеотиде произошла замена азотистого основания на аденин. Изобразите структуру участков белковых молекул, контролируемых мутантным геном. Какое число аминокислотных остатков изменилось в аминокислотной последовательности после мутации? К каким последствиям для организма это может привести?

8.5. В участках молекул ДНК из № 2) мутация обусловлена выпадением 5-го нуклеотида. Изобразите структуру участков белковых молекул, контролируемых мутантным геном. Какое число аминокислотных остатков изменилось в аминокислотной последовательности после мутации? К каким последствиям для организма это может привести?

6) Определите длину гена, контролирующего синтез белка, если известно, что белок состоит из 250 аминокислотных остатков.

8.6. Длина молекулы т-РНК, состоящей из 70 нуклеотидов, около 260 Å. Найдите расстояние между соседними нуклеотидами. Чему равна длина р-РНК, состоящей из 4000 нуклеотидов?

8.7. За какое время произойдёт репликация гена белка рибонуклеазы E. coli, содержащего 104 аминокислотных остатка, если репликативная вилка движется со скоростью 14 кодонов в секунду? За какое время синтезируется 1 молекула рибонуклеаза, если за 1 секунду в рибосоме пептидные связи образуются между 15 аминокислотными остатками?

8.8. В культуре клеток человека линии НеLа цикл репликации хромосом равен 6 часам. Средняя хромосома содержит ДНК длиной 3 см. Средняя скорость репликации 30 мкм/мин. Сколько должно быть репликативных вилок для завершения процесса через указанный срок? Сколько времени потребовалось бы, если б существовала одна репликативная вилка?

20