Методическая разработка по теме аминокислоты

Глава 3. НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ

В данной главе представлены вопросы и задания для закрепления тематики, связанной со строением и ролью в клетке нуклеиновых кислот.

К нуклеиновым кислотам относят высокомолекулярные соединения, состоящие из нуклеотидов, соединённых фосфоэфирными связями. Так как фосфатная группа образует две эфирные связи с участием 3^/ - и 5^/ - углеродных атомов углеводных остатков двух соседних нуклеотидов, эту связь называют 3^/ - и 5^/ - фосфодиэфирной связью. В свою очередь нуклеотиды состоят из небольшого числа компонентов более простого строения: азотистых оснований, углеводов (D- рибозы или D- дезоксирибозы), и фосфата. Азотистые основания (основаниями они назыавются из-за способности присоединять Н⁺) подразделяются на пуриновые и пиримидиновые.

Пуриновые основания представлены аденином и гуанином, пиримидиновые - цитозином, урацилом, тимином. Помимо этих оснований в состав нуклеиновых кислот входят минорные основания, являющиеся их производными.

В клетках живых организмов полинуклеотидные цепи ДНК (содержат углевод D- дезоксирибозу) образуют правую двойную спираль. Азотистые основания расположены внутри структуры, а фосфодиэфирный остов снаружи. Основания образуют прямой угол с осью спирали и уложены в стопку друг над другом, расстояние между соседними основаниями составляет 0,34нм. Шаг спирали (d=2мм) равен 3,4 нм и содержит десять пар оснований.

Полинуклеотидные цепи ориентированы в противоположном направлении (антипараллельны), что обеспечивает правильную пространственную ориентацию азотистых оснований.

Азотистые основания противоположных цепей занимают строго фиксированное положение, что обусловливает образование между ними водородных связей. Взаимодействие оснований друг с другом строго специфично и приводит к тому, что аденин взаимодействует только с тимином, гуанин с цитозином. Поэтому А-Т и Г-Ц пары называются комплементарными парами оснований, а полная последовательность одной из цепей полностью комплементарна последовательности второй. Сумма пуриновых остатков равна сумме пиримидиновых остатков, т.е. А+G = C+Т.

Нуклеотидный состав ДНК у разных видов различен, а у одного вида не меняется с возрастом организма, не зависит от его питания и от изменений окужающей среды. Препараты ДНК, выделенные из разных тканей одного и того же вида имеют одинаковый нуклеотидный состав.

Между аденином и тимином образуется две водородные связи, а между гуанином и цитозином - три. Для соседствующих пар оснований характерно межплоскостное гидрофобное взаимодействие, которое приводит к своеобразной укладке оснований в виде стопок и обеспечивает формирование вторичной структуры нуклеиновых кислот.

В зависимости от степени гидратации молекулы ДНК могут приобретать различные формы (А,В,С и др.), отличающиеся числом нуклетидов на один виток и структурой.

Пример: Молекулярная масса ДНК равна 1,3·10⁸ Да определите длину молекулы.

Решение 1. Принято считать, что масса комплементарной пары нуклеотидов в молекуле ДНК составляет 660 Да. Исходя из этого рассчитаем число нуклеoтидных пар (n): n = 1,3· 10⁸ Да / 660Да = 196970. Длина одной нуклеотидной пары нуклеиновых кислот в В- форме составляет примерно 0,34нм. Значит длина (L) молекулы ДНК будет составлять L = 0,34нм · 196970 = 66999,8 нм = ~67мкм.

Для углубления знаний по данной теме предлагаются следующие задания:

1.Каждая молекула ДНК упакована в отдельную хромосому и содержит до 2,5 · 10⁸ нуклеотидных пар. Определите её длину (см). (8,5см).

2.Содержащаяся в ДНК генетическая информация закодирована в линейной последовательности ключевых слов, называемых кодонами. Каждый кодон представляет собой специфическую последовательность трёх нуклеотидов (три пары нуклеотидов в двухцепочечной ДНК) и соответствует одному аминокислотному остатку в белке. ДНК E. сoli имеет очень большую молекулярную массу - примерно 2,5 · 10⁹. Средняя молекулярная массы пары нуклеотидов равна 660, причём вклад каждой пары нуклеотидов в общую длину молекулы ДНК составляет 0,34нм.

а)Используя эти данные, рассчитайте длину молекулы ДНК E. сoli. Сравните длину молекулы ДНК с размером клетки (размер в длину клетки E. сoli составляет 2000нм). Каким образом молекуле ДНК удаётся уместиться в клетке?

б) Подсчитайте чему равно максимальное число белков, которое может быть закодировано в молекуле ДНК E. сoli, если предположить, что белковая молекула E. сoli состоит в среднем из 400 аминокислот. (Ответ: а- ~ 1,3 10⁶ нм; б- ~3150 белков).

3. У E.coli средняя длина молекулы мРНК. в среднем, составляет 0,408 мкм . Определите число нуклеотидов, составляющих молекулу и её молекулярную массу (кДа). (1200; 396тыс).

4.Чему равен вес (в граммах) двухцепочечной молекулы ДНК протяжённостью от Земли до Луны (384000 км)? Для сравнения в организме человека  0,5 грамм ДНК. (0,94мг).

5.Какое минимальное число нуклеотидных пар содержится в гене, кодирующем панкреатическую рибонулеазу (124 аминокислоты)? Почему число нуклеотидных пар может оказаться гораздо большим, чем в Вашем ответе?

6.ДНК бактериофага имеет имеет следующий нуклеотидный состав: А-23%, Т-36%, G-21%, С-20%. Что говорят Вам эти цифры о ДНК данного фага? (ДНК фага одноцепочечная).

7.Одна из цепей двухспиральной ДНК имеет следующий нуклеотидный состав (относительное молекулярное содержание): [А]=0,30; [G]=0,24. Что можно сказать о содержании [Т] и [С] в этой цепи? Что можно сказать о содержании [А], [G], ): [Т] и [С] в комплементарной цепи ?

8 .Фрагмент м-РНК гена инсулина имеет следующее строение: УУУ ГУУ ГАУ ЦАА ЦАЦ УУА УГУ ГГГ ЦЦА ЦАЦ. Определите соотношение (А+Т) / (Г+Ц) в молекуле ДНК, соответствующей данному фрагменту (1,5).

9.Вирус состоит из ДНК и покрывающей её защитной белковой оболочки, построенной из ряда различных белков. В ходе эксперимента белок метили радиоактивной серой (S³⁵), а ДНК - радиоактивным фосфором (Р³²). В потомстве вируса обнаруживался (в довольно значительном количестве) только Р³². Меченый белок родительского вируса потомству не передавался. Какой вывод вытекает из данного эксперимента.

10.Используя таблицу генетического кода, определите аимнокислотную последовательность маленького пептида, кодируемого следующей м-РНК:

5 - АУГ УУЦ ААГ АУГ ГУГ АЦУ УГГ УАА АУЦ - 3.

11.В молекулу гемоглобина входят цепи двух видов: -цепи и -цепи. Мутантный гемоглобин отличается отличается от нормального первичной структурой -цепи. У мутантного гемоглобина в аминокислотной последовательности -цепи на одном из участков вместо валина присутствует глутаминовая кислота. Такая ситуация вызывает у людей заболевание называемое серповидноклеточная анемия. В стальном аминокислотные последовательности мутантного и и нормального гемоглобина тождественны. О чём свидетельствует этот факт?