Передачи генетической информации
ДНК и РНК выполняют в клетках разные функции – ДНК обеспечивает хранение и передачу наследственной информации, РНК кодирует синтез полипептидных цепей белков. Исследование препаратов ДНК, выделенных из клеток огромного множества организмов различных видов, позволило прийти к выводу, что в ДНК А == Т, а Г == Ц.
Перевод информации с языка нуклеотидов на язык аминокислот осуществляется с помощью вырожденного универсального, триплетного кода.
10.1. Назовите пуриновые и пиримидиновые основания, входящие в состав ДНК.
10.2. Назовите пуриновые и пиримидиновые основания, входящие в состав РНК.
10.3. Напишите формулы, выражающие количественные соотношения пуриновых и пиримидиновых оснований в ДНК.
10.4.Назовите основания пуринового и пиримидинового ряда, являющиеся комплементарными.
10.5. Назовите связи, обеспечивающие формирование полинуклеотидной цепи.
10.6. Назовите связи, обеспечивающие формирование двухцепочечной структуры ДНК.
10.7. Напишите формулу аденозинмонофосфорной кислоты (АМФ).
10.8. Напишите формулу аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ).
10.9. Напишите формулу любого нуклеотида.
10.10. Напишите структуру фрагмента ДНК после репликации, если одна из ее цепей имеет такую последовательность нуклеотидов: Г – А – Т – А – Т –
Т – Т – А – Ц – Г– Ц – А.
10.11. В молекуле ДНК тимидиновый нуклеотид составляет 16% от общего количества нуклеотидов. Рассчитайте количество (в %) каждого из остальных видов нуклеотидов.
10.12. Сколько тимидиновых, адениновых и цитозиновых нуклеотидов (в отдельности) содержится во фрагменте ДНК, если в нем обнаружено 880 гуаниновых нуклеотидов, составляющих 22% от общего количества нуклеотидов в этом фрагменте ДНК?
10.13. Химический анализ показал, что 28% от общего числа нуклеотидов данной информационной РНК приходится на А, 6% – на Г, 40% – на У. Каков нуклеотидный состав участка двухцепочечной ДНК, кодирующей синтез информационной РНК?
10.14. Каков нуклеотидный состав участка двухцепочечной ДНК, если соответствующая ему информационная РНК содержит 18%Г, 30% А и 20% У?
10.15. Фрагмент цепи ДНК, кодирующий образование вазопрессина, имеет следующую последовательность нуклеотидов: А – Ц – А – А – Т – А – А –
А – А – Ц – Т – Т – Ц – Т – А – А – Ц – А – Г – Г – А – Г – Ц – А – Ц – Ц – А. Напишите соответствующую ей последовательность нуклеотидов в молекуле информационной РНК и последовательность аминокислотных остатков в цепи вазопрессина. Как изменится первичная структура пептида, если в 5 положении цепи ДНК Т заменить на Г?
10.16. Гормон окситоцин представляет собой нонапептид. От вазопрессина он отличается тем, что в 3 положении содержит остаток изолейцина, а в 8 – лейцина. Определите возможную последовательность нуклеотидов в триплетах информационной РНК и ДНК, несущих информацию о первичной структуре окситоцина.
10.17. Фрагмент ДНК имеет такую последовательность нуклеотидов: А – А – Г – Ц – Т – Ц. Определите последовательность нуклеотидов в комплементарных фрагментах информационной РНК и транспортной РНК.
10.18. Фрагмент одной из цепей ДНК имеет такую последовательность нуклеотидов: Г – Г – А – А – Ц – А – Ц – Т – А – Г – Т – Т – А – А – А – А –
Т – А. Напишите последовательность аминокислотных остатков в кодируемой этим фрагментом полипептидной цепи. Как изменится первичная структура синтезируемого пептида, если в результате мутации из цепи ДНК выпадает 12 нуклеотид?
10.19. Фрагмент одной из цепей ДНК имеет такую последовательность нуклеотидов: Г – Т – Т – Ц – Т – А – А – А – А – Г – Г – Г – Ц – Ц – Ц. Напишите первичную структуру полипептидной цепи, кодируемой этим фрагментом. Как она изменится, если между 8 и 9 нуклеотидами ДНК встанет Т?
10.20. Синтетические полирибонуклеотиды, использованные Ниренбергом для расшифровки качественного состава кодона, получали с помощью фермента полинуклеотидфосфорилазы, используя высокие исходные концентрации нуклеотиддифосфатов, например УДФ и АДФ. При этом в сополимере УА возможно возникновение четырех типов триплетов: ЗУ, 2УА, У2А и 3А. Соотношение этих триплетов в полинуклеотиде зависит от соотношения УДФ и АДФ в исходной смеси. Вероятность его рассчитывается по формулам:
У3 У х У х А
РЗУ = —————— Р2УА = ———————
(У + А)3 (У + А)3
У х А х А А3
РУ2А = ————— Р3А = ———————
(У + А)3 (У + А)3
Рассчитайте вероятность содержания триплетов 2УА, У2А и 3А относительно триплета 3У, частота которого принимается за 100, при содержании УДФ и АДФ в исходной реакционной смеси 0,83 и 0,166 моля соответственно.
10.21. Рассчитайте вероятность содержания триплетов 2УГ, У2Г и ЗГ относительно триплета ЗУ, частота которого принимается за 100, а содержание УДФ и ГДФ в реакционной смеси равно 0,75 и 0,25 моля соответственно.
10.22.Качественный состав кодонов расшифровывается с помощью синтетических полирибонуклеотидных матриц. При этом исходят из совладения процентного содержания тех или иных возможных триплетов в них и реально наблюдаемого уровня включения аминокислот в бесклеточной системе белкового синтеза с такими полинуклеотидами в качестве мРНК, выраженного в процентах по отношению к уровню включения аминокислоты, кодируемой сочетанием наиболее часто встречающегося в матрице триплета. Определите качественный состав триплета, кодирующего тирозин, если в упомянутых условиях на поли-УА-матрице с соотношением У : А = 5 : 1 включение тирозина составило 19% от включения фенилаланина.
10.23. Синтетический сополимер УГ с соотношением У : Г = 1 : 4 в бесклеточной системе белкового синтеза стимулирует включение валина с частотой 23%. Определите качественный состав кодона валина.
10.24. Корана и его сотрудники синтезировали цепи РНК с заданной последовательностью азотистых оснований. Эти цепи добавляли к рибосомной системе, способной в присутствии мРНК синтезировать белок. Полипептиды, синтезированные в присутствии различных аминокислот, выделяли из реакционной смеси и определяли в них последовательность аминокислотных остатков. При использовании в качестве мРНК полимера А – А – Г – А – А – Г – А – А – Г – А – А – Г ... А – А – Г в присутствии лизина, аргинина, глутаминовой кислоты были получены гомополипептиды – полилизин, полиаргинин, полиглутаминовая кислота. Какие выводы о свойствах генетического кода можно сделать на основании этих наблюдений?
10.25. В рибосомную систему, способную синтезировать белок, в присутствии мРНК вводили полимер ЦУЦУЦУЦУЦУ ... ЦУ. Полипептидная цепь, синтезирующаяся в этой системе, представляет собой повторяющуюся последовательность (– сер – лей –). Какие выводы о свойствах генетического кода можно сделать на основании этих данных?
10.26. Очоа с сотрудниками изучали синтез полипептидов в рибосомной системе, содержащей в качестве мРНК полинуклеотид, состоящий из 17 адениловых и 1 цитидилового остатка, расположенного на конце нуклеотидной цепи. В такой системе синтезируется полипептид, содержащий 5 остатков лизина и 1 остаток аспарагина, расположенный на С-конце цепи. Какие выводы можно сделать на основании этих наблюдений?
10.27. В рибосомной системе, содержащей в качестве матрицы полинуклеотид, состоящий из 20 адениловых и 1 цитидилового остатка, расположенного на конце нуклеотидной цепи, синтезируется политептид, содержащий 6 остатков лизина, 1 остаток глутамина на конце цепи. Какие выводы можно сделать на основании этих наблюдений?
10.28. В рибосомной системе, содержащей в качестве матрицы УГУУУУ ... УУ, синтезируются полипептиды вал – фен – фен – фен – … фен – фен и цис – фен – фен – фен – фен ... фен – фен. В рибосомной системе, содержащей в качестве матрицы УУГУУУ ... УУУ, синтезируются полипептиды вал – фен – фен – фен ... фен – фен, цис – фен – фен – фен ... фен – фен и лей – фен – фен – ..... фен – фен. Какие выводы можно сделать о последовательности оснований в триплетах, кодирующих положение валина, цистеина и лейцина в полипептидной цепи?
10.29. Сравните последовательность нуклеотидов в триплетах, кодирующих положение одной и той же аминокислоты. Какую закономерность можно при этом выявить? Какое биологическое значение может иметь эта закономерность?
10.30. Оболочка вируса бактерии Х 174 образует 180 одинаковых белковых субъединиц. Внутри оболочки находится одноцепочечная ДНК, длиной около 5500 нуклеотидов. Рассчитайте суммарный максимальный молекулярный вес белка, для которого геном вируса содержит информацию (средняя молекулярная масса аминокислотных остатков в белке равна 110). Прямое определение молекулярной массы белков вируса дало величину 250000. Сопоставьте расчетную и определенную величину. Какой вывод можно сделать на основании такого сопоставления?
10.31. При изучении последствий мутации генов, кодирующих ксантидегидрогеназу у дрозофилы, установлено, что из 39 исследованных мутаций 38 приводили к синтезу качественно измененных белков, не влияя на количество синтезированных молекул. Одна мутация сопровождалась синтезом большого числа молекул фермента, но не изменяла его свойств. Какие выводы можно сделать на основанииэтихнаблюдений?
10.32. Панкреатическая рибонуклеаза содержит 124 аминокислотных остатка. Какое минимальное число нуклеотидных пар содержится в гене, кодирующем полинуклеотидную цепь этого фермента? Число нуклеотидных пар на самом деле гораздо больше, чем в Вашем ответе. Чем это обусловлено?
10.33. В печени крысы имеется фермент, полипептидная цепь которого содержит 192 аминокислотных остатка. Синтез этого фермента кодируется геном, включающим 1440 пар оснований. Рассчитайте число пар оснований, необходимых для кодирования полипептидной цепи фермента. Объясните несоответствие между расчетной и истинной величиной пар нуклеотидных оснований в кодирующем гене.
10.34. В составе РНК-содержащих вирусов кишечной палочки нет ДНК, в них присутствует лишь РНК, выполняющая роль вирусной хромосомы. Опровергает ли это центральный постулат молекулярной биологии? Обоснуйте свой ответ.
10.35. ДНК-полимеразы могут выявлять и исправлять ошибки, а РНК-полимеразы такой способностью не обладают. Ошибка даже в одном основании как при репликации, так и при транскрипции может привести к изменению первичной структуры, а следовательно, и свойств кодируемого белка. Обсудите вопрос о биологическом значении различий в указанных свойствах ДНК- и РНК-полимераз.
10.36. Нуклеотидная последовательность в определенной мРНК кодирует строго определенную последовательность аминокислотных остатков в полинуклеотидной цепи. Можно ли на основании последовательности аминокислотных остатков в полипептидной цепи предсказать единственно возможную последовательность нуклеотидов в мРНК, кодирующей эту цепь? Обоснуйте свой ответ.
10.37. Вам необходимо синтезировать полинуклеотид, который можно было бы использовать в качестве мРНК, кодирующей включение преимущественно остатков фенилаланина и небольшое число остатков лейцина и серина. Какие нуклеотиды и в каком (примерно) соотношении Вы возьмете для синтеза такого полирибонуклеотида? Приведите соответствующие расчеты, основанные на формулах расчета вероятности в зависимости от соотношения компонентов. Какие еще аминокислоты, но в гораздо меньшем количестве, кодировались бы таким полинуклеотидом?
10.38. Важные доказательства, подтверждающие правильность расшифровки генетического кода, получены при изучении мутаций, приводящих к замене одного остатка в аминокислотной последовательности полинуклеотидной цепи. Какая из перечисленных ниже замен одного аминокислотного остатка на другой согласуется с генетическим кодом? Какая из замен не может быть результатом изменения, одного основания в мРНК? Обоснуйте свой ответ.
а) фен – лей, б) лиз – вал,
в) ала – трип, г) фен – лиз,
д) илей – лей, е) гис – глу,
ж) про – сер.
10.39. Определите последовательность полипептида, который образуется при добавлении в бесклеточную систему биосинтеза белка поли (УУЛЦ).
10.40. Рассчитайте число богатых энергией фосфатных связей, затрачиваемых на синтез белка, включающего 200 аминокислотных остатков, если исходить из готовых аминокислот.