Решение задач на экспрессию генов

Задача 1. Участок кодирующей цепи ДНК имеет следующую нуклеотидную последовательность: А-А-Т-Ц-А-Г-Г-А-Г-Ц-Г-А-Ц-Т-Г.

Какова первичная структура фрагмента белка, соответствующая такой генетической информации? С какими антикодонами молекулы т-РНК участвуют в биосинтезе этого фрагмента белка?

Укажите этапы транскрипции и трансляции генетической информации.

1. Необходимо указать полярность кодирующей цепи ДНК (ДНК-матрицы).

2. Первым этапом реализации наследственной информации в клетке является транскрипция генов (участков ДНК) – синтез м-РНК. Следовательно, необходимо указать, в соответствии с принципами транскрипции генов, полярность и нуклеотидный состав продукта транскрипции, т.е. м-РНК.

3. В соответствии с ролью молекул т-РНК в процессе трансляции генетической информации необходимо указать состав антикодонов молекул т-РНК, участвующих в синтезе фрагмента белковой цепи.

4. Пользуясь таблицей генетического кода, необходимо определить последовательность аминокислот, т.е. первичную структуру фрагмента белка с учетом закономерностей генетического кода и этапа трансляции генетической информации.

(+) цепи (ДНК-матрица): 5′ А-А-Т-Ц-А-Г-Г-А-Г-Ц-Г-А-Ц-Т-Г-А-Ц-Ц 3′

5′ ААУ 3′ 5′ ЦАГ 3′ 5′ ГАГ 3′ 5′ ЦГА 3′ 5′ ЦУГ 3′ 5′ АЦЦ 3′

Белковая цепь: (OH)иле – лей – лей – сер – глн – гли(H₂N)

Ответ. Первичная структура фрагмента белка следующая:

(H₂N)гли-глн-сер-лей-лей-иле(ОН), или глицил-глутамил-серил-дилейцил-изолейцин.

Задача 2. Фрагмент некодирующей цепи ДНК имеет следующую последовательность нуклеотидов: Т-Ц-Г-Т-Т-Т-Т-А-Т-А-Ц-Ц-Г-Ц-Г-Т-А-Г-Г-Т-Т. Какой будет первичная структура фрагмента белка?

Укажите этапы транскрипции и трансляции генетической информации.

1. Необходимо указать полярность некодирующей (-) цепи ДНК.

2. В соответствии с принципами антипараллельности и комплементарности построения двухцепочной молекулы ДНК, необходимо указать полярность и нуклеотидный состав кодирующей цепи ДНК – (+) цепи.

3. Пользуясь таблицей генетического кода, необходимо определить последовательность аминокислот, т.е. первичную структуру фрагмента белка с учетом закономерностей генетического кода и этапа трансляции генетической информации.

(-) цепи) ДНК: 3′ Т-Ц-Г-Т- Т- Т-Т-А-Т-А-Ц-Ц-Г-Ц-Г-Т-А-Г-Г-Т-Т 5′

ДНК (ДНК-матрица): 5′ А-Г-Ц-А-А-А-А-Т-А-Т-Г-Г-Ц-Г-Ц-А-Т-Ц-Ц-А-А 3′

м-РНК: 3′ У-Ц-Г-У-У-У-У-А-У-А-Ц-Ц-Г-Ц-Г-У-А-Г-Г-У-У 5′

Белковая цепь: (ОН)ала-фен-тир-про-ала-асп-лей(H₂N)

Ответ. Первичная структура фрагмента белка следующая:

(H₂N) лей-асп-ала-про-тир-фен-ала (OH) или лейцил-аспарагинил-аланил-пролил-тирозил-фенилаланил-аланин.

Задача 3. Фрагмент молекулы белка имеет следующую последовательность аминокислот: -асп-мет-тир-. Какова возможная первичная структура участка м-РНК и каков возможный перечень антикодонов молекул т-РНК, участвующих в биосинтезе этого участка белковой цепи?

Для решения задачи необходимо знать такое свойство генетического кода как «вырожденность». Термин «вырожденность» – математический термин, указывающий на то, что за кодирование большинства аминокислот могут отвечать несколько кодонов м-РНК (исключение составляют метионин и триптофан, которые кодируются одним кодом – АУГ и УГГ соответственно для мет и три, см. табл. 3, с. 32). Вырожденность кода вовсе не означает его несовершенство, поскольку нет ни одного кодона, который бы кодировал несколько аминокислот. Напротив, вырожденность кода сводиться к его множественности для тех или иных аминокислот. Например, за кодирование лейцина (лей) и серина (сер) отвечает по 6 кодонов м-РНК, глицина (гли) и аланина (ала) – по 4 кодона, тирозина (тир) и гистидина (гис) – по 2 кодона. Если аминокислота кодируется более, чем одним кодоном, то в большинстве случает эти кодоны различаются по третьей букве, т.е. нуклеотиду на их 3′ -конце. Например, аланин (ала) кодируется триплетами ГЦ У, ГЦ Ц, ГЦ А и ГЦ Г, т.е. две первые буквы ГЦ у всех аланиновых кодонов одинаковы, а различие идет по третьей букве.

Сильная вырожденность генетического кода имеет определенный биологический смысл, поскольку она предусматривает изменение нуклеотидного состава ДНК в широких пределах с сохранением аминокислотной последовательности белков, кодируемых этой молекулой ДНК. Кроме того, вырожденность кода сводит к минимуму пагубное действие мутаций. Если бы генетический код не был бы вырожден, то из 64 кодонов м-РНК 20 кодонов кодировали бы аминокислоты, а 44 – вызывали бы терминацию (окончание) синтеза белковой цепи (мутации, приводящие к образованию сигнала терминации цепи), т.е. появлению терминирующего кодона (NON), обычно приводят к синтезу неполноценных («неактивных») белков).

Вследствие вырожденности генетического кода существуют соответствующие наборы т-РНК, взаимодействующие с комплектом кодонов м-РНК для данной аминокислоты. Такие молекулы т-РНК отличаются только третьим с 5′ - конца нуклеотидом антикодона. Такие т-РНК получили название изоакцепторных. Например, гистидиновые кодоны м-РНК (их два) узнаются соответствующими антикодонами изоакцепторных гис-т-рнк^гис:

кодон м-РНК: 5′ -ЦА У -3′ кодон м-РНК: 5′ -ЦА Ц -3′

антикодон т-РНК: 3′ -ГУ А -5′ антикодон т-РНК: 3′ -ГУ Г -5′

1. Необходимо, пользуясь таблицей генетического кода, определить возможный перечень кодонов м-РНК, отвечающих за кодирование аминокислот данного фрагмента белка (-асп-мет-тир-).

2. Записать возможные варианты первичной структуры участка м-РНК, которые могут служить информационной матрицей для биосинтеза указанного участка белка.

3. Указать возможный перечень антикодонов молекул т-РНК, обеспечивающих включение аминокислот в белковую цепь в соответствии с информацией РНК-матрицы.

Решение. За кодирование метионина отвечает только один кодон м-РНК – АУГ. Вырожденность генетического кода для аспарагиновой кислоты и тирозина соответствует двум РНК-кодонам: для асп – ГАУ и ГАЦ, для тир – УАУ и УАЦ. Следовательно, аминокислотную последовательность фрагмента белковой цепи могут кодировать несколько нуклеотидных последовательностей м-РНК.

Участок белка: (H₂N).. – асп – мет – тир –.. (OH)

Кодоны, отличающиеся только третьим нуклеотидом на их 3′ -конце, будут распознаваться соответствующими изоакцепторными т-РНК, обеспечивающими точность воспроизведения первичной структуры белковой цепи:

Антикодоны асп-т-РНК ^асп: 3′ -ЦУ А -5′ и 3′ -ЦУ Г -5′

Антикодоны тир-т-РНК ^тир: 3′ -АУ А -5′ и 3′ -АУ Г -5′.

Специфичность каждого кодона определяется главным образом его первыми двумя буквами; третья же буква (нуклеотид на 3′ -конце) обладает меньшей специфичностью. В связи с этим, третий нуклеотид распознается в ряде случаев неоднозначно, что может быть причиной включения в белковую цепь «ложной» аминокислоты. В коде белкового синтеза существуют семейства кодонов, отличающихся только третьей буквой (пиримидиновой или пуриновой) и кодирующих включение двух разных аминокислот. Например, кодоны фен УУ У, УУ Ц и лей УУ А, УУ Г. Поскольку существенное значение для кодирования имеют лишь два из трех нуклеотидов кодона, то код белкового синтеза по существу является квазидуплетным (условно, мнимодуплетным).

Считают, что определенный уровень ложного кодирования запрограммирован эволюционно; и в тех случаях, когда вследствие мутации изменен один из кодонов в м-РНК, он может транслироваться как неизмененный («лож во спасение»). Это помогает клеткам, в том числе и бактериальным, выжить при неблагоприятных мутациях. В физиологических условиях уровень ложного кодирования составляет 10^-4 – 10^-3 ошибок на кодон и в определенной степени увеличивает жизненную гибкость и потенциал клеток, т.е. возможность синтеза вариантов белков.

Задача 4. Фрагмент молекулы белка имеет следующую первичную структуру:..-тир-лей-лей-тир-.. Какова последовательность нуклеотидов участка гена, под контролем которого осуществляется биосинтез указанного фрагмента белка?

1. Необходимо указать направленность белковой цепи (N-конец и С-конец).

2. Пользуясь таблицей генетического кода, определить состав кодонов м-РНК, отвечающих за кодирование указанных аминокислот фрагмента белка (в случае вырожденности генетического кода используйте один из возможных кодонов).

3. Указать полярность молекулы м-РНК с учетом того, что РНК-матрица транслируется в направлении 5→3, а белковая цепь наращивается с N-конца к С-концу.

4. С учетом принципов процесса транскрипции, определить нуклеотидный состав и указать полярность ДНК-матрицы (кодирующей цепи).

5. Указать структуру гена в виде последовательности нуклеотидов некодирующей цепи ДНК, указать ее полярность. Некодирующая цепь по последовательности нуклеотидов в направлении 5→3 подобна м-РНК при условии замены Т на У.

Фрагмент белка: (H₂N)..-тир - лей - лей - тир-… (OH)

Ответ: Последовательность нуклеотидов в участке гена следующая:

Задача 5. Участок цепи ДНК имеет следующую нуклеотидную последовательность: А-Т-А-Г-Ц-А-Г-Т-А-Г-Г-Ц-А-Ц-Ц-А-Т-Г.

Какова первичная структура фрагмента белка, соответствующая такой генетической информации? Как измениться первичная структура этого фрагмента белка, если в кодирующей цепи ДНК выпадает нуклеотид, занимающий 11 место?

1. Дана кодирующая цепь ДНК (+). Необходимо указать ее полярность, т.е. начало и конец.

2. Определить нуклеотидный состав и указать полярность молекулы м-РНК в соответствии с основными принципами транскрипции.

3. Определить, пользуясь таблицей генетического кода, аминокислотный состав и первичную структуру фрагмента белка до мутации с учетом основных принципов трансляции генетической информации РНК-матрици и биосинтеза белковой цепи.

Кодирующая цепь ДНК (+): 5′ А-Т-А-Г-Ц-А-Г-Т-А-Г-Г-Ц-А-Ц-Ц-А-Т-Г 3′

Фрагмент белка: (HO) тир – тир – тир – ала – гли - гис (NH₂)

Ответ. Первичная структура фрагмента белка до мутации следующая:

Изменения в структуре или последовательности азотистых оснований в ДНК приводят к мутациям. Постоянные изменения, передающиеся по наследству в процессе репликации ДНК, назваются мутациями. Мутация – важный фактор биологической эволюции. В то же время слишком высокая скорость мутаций может быть причиной смерти индивидуальных организмов или даже причиной вымирания целых видов. В ДНК постоянно возникают повреждения. Клетки обладают механизмами восстановления (репарации) поврежденных мутагенными агентами участков ДНК.

Мутации типа вставки или делеции (выпадения) одной нуклеотидной пары в гене ведут к ошибочной трансляции всей РНК, поскольку они сдвигают рамку считывания. При трансляции измененная м-РНК будет транслироваться рибосомами по-другому, приводя к совершенно иной аминокислотной последовательности. Нарушения начнутся с той точки, в которой появилась или исчезла пара оснований, поскольку именно в этом месте возникает сдвиг рамки считывания. В результате белок будет иметь правильную аминокислотную последовательность вплоть до точки мутации, а далее аминокислотная последовательность будет совершенно искажена. Мутации со сдвигом рамки считывания часто приводят к появлению внутреннего терминирующего кодона (NON), вызывающего преждевременное прекращение синтеза полипептида и образование укороченного продукта. Подавляющее большинство точковых мутаций со сдвигом рамки приводит к образованию биологически неактивных белков.

Согласно условию задачи, в результате мутации произошло выпадение (делеция) нуклеотида в ДНК, занимающего 11-ю позицию:

(+) цепь ДНК: 5′ А-Т-А-Г-Ц-А-Г-Т-А-Г-Г-Ц-А-Ц-Ц-А-Т-Г 3′

после мутации: 5′ А-Т-А-Г-Ц-А-Г-Т-А-Г-Ц-А-Ц-Ц-А-Т-Г 3′

Мутантный белок: (HO) иле – ала - тре – ала – гли – гис (NH₂)

Ответ. Первичная структура фрагмента белка после мутации:

Что делать, если нет взаимности? А теперь спустимся с небес на землю. Приземлились? Продолжаем разговор...

ЧТО ТАКОЕ УВЕРЕННОЕ ПОВЕДЕНИЕ В МЕЖЛИЧНОСТНЫХ ОТНОШЕНИЯХ? Исторически существует три основных модели различий, существующих между...

Что делает отдел по эксплуатации и сопровождению ИС? Отвечает за сохранность данных (расписания копирования, копирование и пр.)...

ЧТО ПРОИСХОДИТ, КОГДА МЫ ССОРИМСЯ Не понимая различий, существующих между мужчинами и женщинами, очень легко довести дело до ссоры...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: