Решаем задачи по генетике - Р.М. Островская, В.И. Чемерилова 2012
Материальные основы наследственности
Организация генетического материала
Носителем наследственной информации у подавляющего числа живых организмов являются молекулы ДНК. Лишь у части вирусов (РНК-содержащие вирусы) в качестве генетического материала выступает другой тип нуклеиновых кислот — РНК.
В 1953 г. Дж. Уотсон и Ф. Крик предложили модель структуры ДНК, которая была многократно подтверждена экспериментально. Молекула ДНК представляет собой полимер, мономером которого является нуклеотид — соединение, компонентами которого является азотистое основание (пуриновое — аденин либо гуанин или пиримидиновое — цитозин либо тимин), дезоксирибоза и остаток фосфорной кислоты. Многочисленные нуклеотиды соединяются между собой с помощью ковалентных связей в полинуклеотидные нити или цепи. Нативная молекула ДНК представляет собой две длинные полинуклеотидные нити, соединенные между собой посредством водородных связей, образующихся между комплементарными азотистыми основаниями (А-Т, Г-Ц) и закрученные в форме двойной спирали (рис.1А).
|
А |
Б |
Рис.1. Строение (А) и репликация (Б) ДНК.
Число нуклеотидных пар, от которого зависит длина молекул ДНК, а также нуклеотидный состав (содержание нуклеотидов разных типов), различаются у разных видов — т.е. являются видоспецифичными показателями.
Поскольку цепи в двойной молекуле ДНК комплементарны, каждая из них при расплетании двойной спирали, происходящего в результате разрушения водородных связей между комплементарными нуклеотидами, может служить матрицей для синтеза новой комплементарной цепи в ходе процесса репликации ДНК (рис. 1Б). Таким образом, генетическая информация, содержавшаяся в последовательности нуклеотидов материнской молекулы ДНК, будет полностью воспроизведена в двух дочерних молекулах. Более того, если в процессе удвоения ДНК произошла ошибка и какой-либо нуклеотид во вновь синтезируемой цепи выпал или оказался некомплементарным исходному, то в результате может измениться информационное содержание молекулы. Эта ошибка и любая другая будет передана дочерним молекулам ДНК в следующих поколениях, т.е. она будет обладать свойствами генетической мутации.
Молекула ДНК представляет собой множество генов — единиц наследственности, в большей части которых записана информация о первичной структуре (т.е. о последовательности аминокислот) полипептидных цепей, входящих в состав молекул соответствующих белков. Часть генов не является белок-кодирующими, а контролирует синтез разных типов рРНК или тРНК. У эукариотических организмов наряду с кодирующей (смысловой) ДНК (ДНК генов) содержится большое количество некодирующей ДНК — так называемой «избыточной», которая выполняет регуляторные или другие функции, не выясненные на сегодняшний день в полной мере. Суммарное количество ДНК — генной и негенной, приходящееся на гаплоидный набор хромосом у данного вида называется геномом.
Информация о последовательности аминокислот в полипептидной цепи записана в ДНК соответствующих генов с помощью генетического кода, единицей которого является кодон или триплет — комбинация из трех нуклеотидов, кодирующая определенную аминокислоту. В генетическом коде (рис. 2) имеется 64 триплета, из которых 61 — кодирует аминокислоты, а остальные 3 кодона являются стоп-сигналами, прекращающими синтез полипептидной цепи. Генетический код избыточен или вырожден, т.е. большинство из 20 аминокислот, за исключением метионина и триптофана, кодируется несколькими кодонами (двумя, тремя, четырьмя или даже шестью).
Для осуществления синтеза полипептидной цепи генетическая информация, закодированная в виде последовательности нуклеотидов ДНК соответствующего белок-кодирующего гена, вначале переписывается в ходе процесса транскрипции на информационную РНК (иРНК), путем ее синтеза на одной из нитей ДНК по правилу комплиментарности оснований (рис.3, а).
На следующем этапе синтезированная иРНК, соединяясь с рибосомой, принимает участие в качестве матрицы в процессе трансляции — перевода информации с языка последовательности нуклеотидов на язык последовательности аминокислот, осуществляемого согласно правилам генетического кода (рис. 3, б).
|
|
Рис. 2. Таблица генетического кода.
Азотистые основания нуклеотидов и их обозначение: урацил (У), цитозин (Ц), аденин (А), гуанин (Г); Аминокислоты и их обозначение: фенилаланин (Фен), лейцин (Лей), изолейцин (Иле), метионин (Мет), валин (Вал), серин (Сер), пролин (Про), треонин (Тре), аланин (Ала), тирозин (Тир), гистидин (Гис), глутамин (Глн), аспарагин (Асн), лизин (Лиз), аспарагиновая кислота (Асп), глутаминовая кислота (Глу), цистеин (Цис), триптофан (Три), аргинин (Арг), глицин (Гли).
Правила пользования таблицей генетического кода
Первый нуклеотид в триплете берется из левого вертикального ряда, второй нуклеотид — из верхнего горизонтального ряда, третий — из правого вертикального ряда. На пересечении этих трех линий находится аминокислота, кодируемая данным триплетом нуклеотидов — кодоном вида РНК — транспортной (тРНК), которая доставляет аминокислоту к рибосоме и обеспечивает ее нужное местоположение в синтезируемом полипептиде. Молекула определенной тРНК с ковалентно связанной аминокислотой распознает соответствующий кодон иРНК благодаря наличию комплементарного кодону участка — антикодона. Каждой аминокислоте соответствует своя тРНК.
|
|
Рис.3. Схема реализации генетической информации.
А - на одной из двух нитей ДНК кодирующей области гена осуществляется синтез иРНК (а) по правилу комплементарности азотистых оснований — процесс транскрипции; по синтезированной нити иРНК на рибосомах осуществляется синтез белка (трансляция) в соответствии с генетическим кодом (б).
Б — взаимодействие кодона иРНК и антикодона тРНК в процессе трансляции на рибосоме: первый нуклеотид кодона иРНК взаимодействует с третьим нуклеотидом антикодона тРНК.
Материальными носителями генетической информации являются хромосомы — основные ДНК-содержащие структуры клеток эукариотических организмов. У каждого вида растений, животных или грибов имеется специфический (видоспецифический) хромосомный набор — кариотип, для которого характерно определенное число хромосом (рис.4). Различают диплоидное (2n) и гаплоидное (n) число хромосом. Диплоидное число хромосом характерно для соматических и первичных половых (женских и мужских) клеток, а гаплоидное число содержится в зрелых половых клетках — яйцеклетках и сперматозоидах. Данные численные показатели кариотипа характерны для диплоидных организмов, к которым относится большинство животных и многие растения. Однако существует множество видов с другим уровнем плоидности, а именно гаплоидные (водоросли, грибы, мхи) и полиплоидные (многие высшие споровые и семенные растения) виды.
|
А |
Б |
|
В |
Г |
Рис.4. Примеры кариотипов: А — скерда (сорное растение); Б — норка;
В — лягушка, Г — мышь.
Помимо числа характеристиками кариотипа являются также размеры и морфология составляющих его хромосом. Хромосома представляет собой динамичную структуру, которая изменяется на протяжении цикла жизни клетки — клеточного цикла. Так, на протяжении клеточного цикла изменяется степень компактности хромосомного материала и, как следствие, длина и толщина хромосомы (рис.5).
|
|
Рис.5. Хромосома — динамичная структура:
А — вид хромосом в интерфазном ядре (электронный микроскоп); Б и В — вид метафазных хромосом (Б - световой микроскоп, В — электронный микроскоп); Г — схема укладки (спирализации) ДНК в метафазной хромосоме.
Размеры и морфологию хромосом изучают микроскопически на максимально компактных хромосомах в метафазе митоза (рис. 5).
Форму хромосомы определяет положение первичной перетяжки или центромеры. Эта структура хромосомы ответственна за ее движение во время клеточных делений. Центромера разделяет хромосому на два плеча. Во время метафазы хромосома представлена двумя продольными половинками, которые называются сестринскими хроматидами. По положению центромеры, а следовательно по соотношению длин плеч хромосомы подразделяются на метацентрические или равноплечие, субметацентрические или неравноплечие, акроцентрические или резко неравноплечие и телоцентрические или одноплечие. В хромосомных наборах разных видов имеются хромосомы, которые помимо первичной перетяжки (обязательной структуры всех хромосом) имеют также вторичную перетяжку, которая связана с образованием ядрышка (рис. 6). В кариотипе каждого вида содержится определенное число хромосом той или иной морфологии.
Рис. 6. Морфология метафазных хромосом:
А — основные типы хромосом; Б — субметацентрическая хромосома
со вторичной перетяжкой (спутничная).
|
А |
Б |
Парные хромосомы, имеющие одинаковую морфологию и размеры, называются гомологичными. Эти хромосомы содержат в основном одинаковую ДНК и одинаковые наборы генов, т.е. они являются «двойниками» не только в морфологическом, но и в генетическом отношении. При обычной (рутинной) окраске хромосом, когда хроматиды однородно окрашены по всей своей длине, не всегда удается выделить пары гомологичных хромосом. Но это оказалось возможным при дифференциальной окраске хромосом, методы которой были разработаны в 70-е годы ХХ в. Эта техника окраски хромосом позволяет выявлять в гомологичных хромосомах одинаковый набор темно - и светло-окрашенных зон (полос), тогда как в негомологичных хромосомах, сходных по размерам и морфологии, рисунок полос не совпадает (рис. 7).
В диплоидных клетках обнаруживается парность хромосом, т.е. каждая хромосома имеет себе пару. Например, в диплоидных клетках человека содержится 46 хромосом (2n=46) или 23 пары хромосом (рис.7).
Рис.7. Кариотип и идиограмма хромосом человека:
А — хромосомы, окрашенные обычным способом; Б — хромосомы окрашенные дифференциально; В — схема дифференциальной окраски хромосом (цитологическая карта).
|
А |
Б |
В |
Задачи и упражнения:
1. В процессе трансляции участвовало 30 молекул тРНК. Определите число аминокислот, входящих в состав синтезируемого белка, а также число триплетов и нуклеотидов в гене, который кодирует этот белок.
2. В одной молекуле ДНК нуклеотиды с тимином (Т) составляют 24% от общего числа нуклеотидов. Определите количество (в %) нуклеотидов с гуанином (Г), аденином (А), цитозином (Ц) в молекуле ДНК и объясните полученные результаты.
3. Фрагмент цепи ДНК имеет последовательность нуклеотидов: ГТГТАТГГААГТ. Определите последовательность нуклеотидов на иРНК, антикодоны соответствующих тРНК и последовательность аминокислот во фрагменте молекулы белка, используя таблицу генетического кода.
4. В биосинтезе полипептида участвуют молекулы тРНК с антикодонами УГА, АУГ, АГУ, ГГЦ, ААУ. Определите нуклеотидную последовательность участка каждой цепи молекулы ДНК, который несет информацию о синтезируемом полипептиде, и число нуклеотидов, содержащих аденин (А), гуанин (Г), тимин (Т), цитозин (Ц) в двуцепочечной молекуле ДНК. Ответ поясните.
5. В трансляции участвует 70 молекул тРНК. Определите, во сколько раз молекула полипептида окажется легче участка иРНК, на которой он синтезируется. Средняя молекулярная масса аминокислоты 110, а нуклеотида — 300. Ответ поясните.
6. Имеется две молекулы ДНК. Последовательность нуклеотидов в одной из полинуклеотидных нитей первой молекулы ДНК — ГАЦЦАГГГТГЦЦГА, второй — ГААТТАЦААГААТТ. Как можно объяснить тот факт, что денатурация первой молекулы ДНК происходит при более высокой температуре (68°С), по сравнению со второй (42°С)?
7. Отрезок ДНК представлен последовательностью нуклеотидов АТТАТТАЦТАЦТАТТ. Может ли эта ДНК быть кодирующей?
8. Одна из цепей ДНК имеет последовательность нуклеотидов: ЦАТГГЦТГТТЦЦГТЦ. Как изменится структура молекулы белка, если произойдет удвоение третьего триплета нуклеотидов в цепи ДНК?
9. На некоей планете существует жизнь, материальную основу которой составляют молекулы ДНК и белков. Если ДНК состоит из трех типов нуклеотидов, белки образованы 60 типами аминокислот, а принцип кодирования генетической информации такой же как на Земле, то каким является на этой планете кодовое число?
10. Известно, что все виды РНК синтезируются на ДНК-матрице. Фрагмент молекулы ДНК, на которой синтезируется участок центральной петли тРНК, имеет следующую последовательность нуклеотидов: ГГААТГГГАГГЦГАА. Установите нуклеотидную последовательность участка тРНК, который синтезируется на данном фрагменте. Какую аминокислоту будет переносить эта тРНК в процессе биосинтеза белка, если третий триплет соответствует антикодону тРНК?
11. Одна из цепей ДНК имеет последовательность нуклеотидов: ТЦАГГАТГЦАТГАЦЦ. Определите последовательность нуклеотидов иРНК и порядок расположения аминокислот в соответствующем полипептиде. Как изменится аминокислотная последовательность в полипептиде, если второй и четвертый триплеты ДНК поменять местами?
12. Последовательность нуклеотидов в цепи ДНК АТААЦЦГЦТГТАТЦГ. Определите последовательность нуклеотидов в иРНК и аминокислот в полипептидной цепи. Что произойдет в полипептиде, если в результате мутации из фрагмента ДНК данного гена выпадет третий триплет нуклеотидов?
13. Последовательность нуклеотидов в цепи ДНК ААГЦАГЦЦТГЦТГЦТААГ. Определите последовательность аминокислот в полипептиде, закодированном данным отрезком ДНК. Как отразится на строении полипептида выпадение из ДНК четвертого нуклеотида?
14. Последовательность нуклеотидов в цепи ДНК ААГЦАГЦЦТГЦТГЦТААГ. Определите последовательность аминокислот в полипептиде, закодированном данным отрезком ДНК. Как отразится на строении полипептида замена в ДНК четвертого нуклеотида Ц на нуклеотид А?
15. Молекула иРНК имеет следующий состав: АААЦАГАЦУГЦУГЦУААГ. Определите последовательность аминокислот участка молекулы белка, состав участка молекулы ДНК и определите соотношение А+Т/Г+Ц в соответствующем участке молекулы ДНК.
16. Участок РНК вируса (РНК-содержащий вирус) имеет следующий состав: ААУГГУЦГЦУУУГУА. На его РНК с помощью фермента обратной транскриптазы синтезируется молекула ДНК. Какая цепь ДНК получится в результате обратной транскрипции? Какая аминокислотная последовательность вирусного белка закодирована данной последовательностью нуклеотидов РНК?
17. Большая из двух полипептидных цепей инсулина начинается следующей последовательностью аминокислот: фен-вал-асн-глу-гис-лей. Определите последовательность нуклеотидов в начале участка молекулы ДНК, кодирующего данную аминокислотную последовательность.
18. Меньшая цепочка мономеров в молекуле инсулина заканчивается следующими аминокислотами: лей — тир — асн — тир — цис — асн. Какой последовательностью нуклеотидов заканчивается ДНК соответствующего гена?
19. Под воздействием азотистой кислоты цитозин превращается в гуанин. Какое строение будет иметь участок синтезируемого белка, в норме имеющего последовательность аминокислот сер-гли-сер-иле-тре-про-сер, если все цитозиновые нуклеотиды ДНК соответствующего гена подверглись указанному химическому превращению?
20. Считая, что средняя относительная молекулярная масса аминокислоты 110, а нуклеотида около 300, установите, что тяжелее: белок или его иРНК?
21. Химическое исследование показало, что 30% общего числа нуклеотидов данной информационной РНК приходится на урацил- содер-жащие нуклеотиды, 26% — на цитозин-содержащие и 24% — на аденин-содер-жащие. Что можно сказать о нуклеотидном составе соответствующего участка двуцепочечной ДНК, «слепком» с которого является исследованная РНК?
22. Белок состоит из 200 аминокислот. Определите, во сколько раз молекулярная масса участка гена, кодирующего данный белок, превышает молекулярную массу белка, если средняя молекулярная масса аминокислоты равна 110, а нуклеотида — 300.