Раздел I. Молекулярная генетика

Таблица генетического кода (по С.Е. Бреслеру, 1963)
Аминокислота	Предполагаемая структура кодирующего триплета информационной РНК
Глицин	ГУГ
Аргинин	ГУЦ
Валин	УУГ
Гистидин	АУЦ
Изолейцин	УУА
Цистеин	ГУУ
Лейцин	УАУ, УУЦ, УГУ
Пролин	ЦУЦ, УЦЦ
Фенилаланин	УУУ
Аланин	ЦУГ
Метионин	УГА
Тирозин	АУУ
Триптофан	УГГ
Серин	ЦУУ УЦУ
Треонин	УЦА
Лизин	АУА
Глутаминовая кислота	АУГ
Глутамин	УЦГ
Аспарагиновая кислота	ГУА
Аспарагин	ЦУА, УАА

Исследование роли ДНК и РНК в передаче наследственных свойств и установление схемы биосинтеза белка и его регуляции позволяет анализировать наследственность на молекулярном урввне. Ген в конечном итоге - это участок ДНК. Малейшее изменение структуры ДНК ведет к изменениям белка-фермента, что в свою очередь изменяет цепь биохимических реакций в организме, определяющих тот или иной признак, или серию признаков. Таким образом, признак зависит от характера биохимической реакции, реакция управляется белком-ферментом, строение белка зашифровано в ДНК посредством специфического чередования азотистых оснований в цепи. Во время синтеза белка чередование азотистых оснований ДНК копирует информационная РНК (транскрипция). Затем на рибосоме транспортные РНК расшифровывают эту "запись", расставляя поочередно аминокислоты соответственно триплетам азотистых оснований (трансляция).

Зная структуру белка-фермента, можно расшифровать строение ДНК, и наоборот, зная изменения в ДНК, можно предусмотреть изменения в структуре белка. Например, если цепь ДНК, кодирующая какой-то полипептид, начинается: аденин - аденин - цитозин - гуанин - аденин - тимин (ААЦГАТ), то информационная РНК снимает копию следующим образом: урацил - урацил - гуанин - цитозин - урацил - аденин (УУГЦУА). Сопоставляя с таблицей генетического кода, можно увидеть, что первым трем азотистым основаниям информационной РНК соответствует аминокислота валин, следующим трем основаниям - аспарагин. Следовательно, полипептид будет начинаться с аминокислот валин - аспарагин.

Предлагаемые задачи рассчитаны на расшифровку структуры белка по известным изменениям в ДНК и обратный анализ с помощью таблицы кодирования аминокислот.

Задачи

Полипептид состоит из следующих друг за другом расположенных аминокислот: валин - аланин - глицин - лизин - триптофан - валин - серии - глутаминовая кислота. Определите структуру участка ДНК, кодирующего вышеуказанный полипептид [показать]
В условиях задачи последовательность аминокислот в полипептиде дана. По этим сведениям нетрудно установить строение информационной РНК, которая управляла синтезом данного полипептида. По предлагаемой таблице кода находим структуру триплета для валина (УУГ), затем для аланина (ЦУГ), глицина (ГУГ), лизина (АУА), триптофана (УГГ), валина (УУГ), серина (ЦУУ) и глутаминовой кислоты (АУГ). В кодовой таблице для серина указано два триплета: ЦУУ и УЦУ. Выбор триплета — право решающего задачу. В обоих случаях решение будет верно. Подобрав кодирующие триплеты, составляем информационную РНК для данного полипептида: УУГЦУГГУГАУАУГГУУГЦУУАУГ.
По цепочке информационной РНК можно восстановить участок нити ДНК, с которой она снималась. Урацил вставал против аденина ДНК, гуанин — против цитозина и т. д. Следовательно, участок интересующей нас нити ДНК будет иметь следующее строение: ААЦГАЦЦАЦТАТАЦЦААЦГААТАЦ.
Но ДНК состоит из двух нитей. Зная строение одной нити, по принципу дополнительности достраиваем вторую. Целиком участок ДНК, кодирующий данный полипептид, будет иметь следующее строение:

А А Ц Г А Ц Ц А Ц Т А Т А Ц Ц А А Ц Г А А Т А Ц

Т Т Г Ц Т Г Г Т Г А Т А Т Г Г Т Т Г Ц Т Т А Т Г
Полипептид состоит из следующих аминокислот: аланин - цистеин - гистидин - лейцин - метионин - тирозин. Определите структуру участка ДНК, кодирующего эту полипептидную цепь.
Аспарагин - глицин - фенилаланин - пролин - треонин - аминокислоты последовательно составляют полипептид. Определите структуру участка ДНК, кодирующего данный полипептид.
Первые 10 аминокислот в цепи В инсулина: фенилаланин - валин - аспарагиновая кислота - глутамин - гистидин - лейцин - цистеин - глицин - серии - гистидин. Определите структуру участка ДНК, кодирующего эту часть цепи инсулина [показать]
Как и в задаче № 1, дана последовательность аминокислот в цепи В-инсулина. Подбирая кодовые триплеты, строим информационную РНК: УУУУУГГУАУЦГАУЦУАУГУУГУГУЦУАУЦ.
По информационной РНК строим одну нить участка ДНК: АААААЦЦАТАГЦТАГАТАЦААЦАЦАГАТАГ.
Затем восстанавливаем строение второй нити ДНК и получаем строение искомого участка:

А А А А А Ц Ц А Т А Г Ц Т А Г А Т А Ц А А Ц А Ц А Г А Т А Г

Т Т Т Т Т Г Г Т А Т Ц Г А Т Ц Т А Т Г Т Т Г Т Г Т Ц T А Т Ц
Начальный участок цепи A инсулина представлен следующими пятью аминокислотами: глицин - изолейцин - валин - глутамин - глутамин. Определите участок ДНК, кодирующий эту часть цепи инсулина [показать]

Ц А Ц А А Т А А Ц А Г Ц А Г Ц

Г Т Г Т Т А Т Т Г Т Ц Г Т Ц Г
В цепи рибонуклеазы поджелудочной железы один из полипептидов имеет следующие аминокислоты: лизин - аспарагиновая кислота - глицин - треонин - аспарагиновая кислота - глутаминовая кислота - цистеин. Определите информационную РНК, управляющую синтезом указанного полипептида.
Одна из цепей рибонуклеазы поджелудочной железы состоит из следующих 14 аминокислот: глутамин - глицин - аспарагиновая кислота - пролин - тирозин - валин - пролин - валин - гистидин - фенилаланин - аспарагин - аланин - серии - валин. Определите структуру участка ДНК, кодирующего эту часть цепи рибонуклеазы [показать]

А Г Ц Ц А Ц Ц А Т Г А Г Т А А А А Ц Г А Г А А Ц Т А Г А А А Г А Т Г А Ц Г А А А А Ц

Т Ц Г Г Т Г Г Т А Ц Т Ц A T T T Т Г Ц Т Ц Т Т Г А Т Ц Т Т Т Ц Т А Ц Т Г Ц Т Т Т Т Г
Одна из цепей глюкагона имеет следующий порядок аминокислот: треонин - серии - аспарагин - тирозин - серии - лизин - тирозин. Определите строение участка ДНК, кодирующего эту часть цепи глюкагоиа.
Участок молекулы ДНК, кодирующий часть полипептида, имеет следующее строение: АЦЦАТТАЦЦАТГАА. Определите последовательность аминокислот в полипептиде [показать]
Задача по характеру обратная только что разобранным. Известна одна лишь нить ДНК, с которой снимается информационная РНК. Строим информационную РНК по условиям задачи: УГГУААЦУГГУАЦУУ. Разбиваем ее на триплеты: УГГ, УАА, ЦУГ, ГУА, ЦУУ. По таблице кода последовательно находим для каждого триплета соответствующую аминокислоту и строим участок искомого полипептида: триптофан — аспарагин — аланин — аспарагиновая кислота — серин
При синдроме Фанкони (нарушение образования костной ткани) у больного с мочой выделяются аминокислоты, которым соответствуют следующие триплеты информационной РНК: АУА, ГУЦ, АУГ, УЦА, УУГ, УАУ, ГУУ, АУУ. Определите, выделение каких аминокислот с мочой характерно для синдрома Фанкони [показать]
Лизин — аргинин — глутаминовая кислота — треонин — валин — лейцин — цистеин — тирозин.
У человека, больного цистинурией (содержание в моче большего, чем в норме, числа аминокислот) с мочой выделяются аминокислоты, которым соответствуют следующие триплеты информационной РНК: ЦУУ, ГУУ, ЦУГ, ГУГ, УЦГ, ГУЦ, АУА. У здорового человека в моче обнаруживается аланин - серии - глутаминовая кислота и глицин. Выделение каких аминокислот с мочой характерно для больных цистинурией? Напишите триплеты, соответствующие аминокислотам, имеющимся в моче здорового человека [показать]
В условиях задачи даны кодовые триплеты всех аминокислот, выделяющихся с мочой у больного цистинурией. По ним, пользуясь кодовой таблицей, узнаем состав выделяющихся аминокислот у больного: серии, цистеин, аланин, глицин, глутамин, аргиин, лизин. Аминокислоты, выделяющиеся у здорового человека, в задаче указаны. Исключаем их из - списка, полученного нами, узнаем ответ на поставленный вопросов пункте 1: цистеин, глутамин, аргинин, лизин.
Как изменится структура белка, если из кодирующего его участка ДНК - ГАТАЦТТАТАААГАЦ удалить пятый и тринадцатый (слева) нуклеотиды? [показать]
Как и в задаче 9, первоначально строим информационную РНК: ЦУАУГААУАУУУЦУГ, а затем, разбив ее на триплеты, строим участок искомого белка в норме: аспарагин — метионин — лизин — фенилаланин — аланин.
По условиям задачи из нити ДНК удаляются пятый и тринадцатый (слева) нуклеотиды. Остается: ГАТАТТАТААААЦ.
По полученному участку строим нить информационной РНК: ЦУАУААУАУУУУГ и, вновь разбив ее на триплеты, находим строение участка белка после произошедших изменений в ДНК: аспарагин — аспарагин — лейцин — фенилаланин.
Сравнивая строение участка белка до и после изменений в ДНК, видим, что произошла замена второй и третьей аминокислоты, а длина цепи сократилась на одну аминокислоту.
Какие изменения произойдут в строении белка, если в кодирующем его участке ДНК - ТААЦАГАГГАЦТААГ между 10 и 11 нуклеотидом включен цитозин, между 13 и 14 - тимин, а на конце рядом с гуанином прибавился еще один гуанин?
Участок молекулы ДНК, кодирующий полипептид, имеет в норме следующий порядок азотистых оснований: АААААЦЦАТАГАГАГААГТАА. Во время репликации третий слева аденин выпал из цепи. Определите структуру полипептидной цепи, кодируемой данным участком ДНК, в норме и после выпадения аденина.
Участок цепи белка вируса табачной мозаики состоит из следующих аминокислот: серии - глицин - серии - изолейцин - треонин - пролин - серин. В результате воздействия на информационную РНК азотистой кислотой цитозин РНК превращается в гуанин. Определите изменения в строении белка вируса после воздействия на РНК азотистой кислотой [показать]
После воздействия азотистой кислотой не изменяются кодовые триплеты лишь 2-й и 4-й аминокислот. Цепь белка будет иметь следующее строение: цистеин — глицин — цистеин — изолейцин — метионин — глицин — цистеин.
Четвертый пептид в нормальном гемоглобине (гемоглобин А) состоит из следующих аминокислот: валин - гистидин - лейцин - треонин - пролин - глутаминовая кислота - глутаминовая кислота - лизин.
1. У больного с симптомом спленомегалии при умеренной анемии обнаружили следующий состав 4-го пептида; валин - гистидин - лейцин - треонин - пролин - лизин - глутаминовая кислота - лизин. Определите изменения, произошедшие в ДНК, кодирующей 4-й пептид гемоглобина, после мутации.
2. У больного серповидноклеточной анемией состав аминокислот 4-го пептида гемоглобина следующий: валин - гистидин - лейцин - треонин - пролин - валин - глутаминовая кислота - лизин. Определите изменения в участке ДНК, кодирующем 4-й пептид гемоглобина, приведшие к заболеванию.

В четвертом пептиде нормального гемоглобина А 6-я и 7-я позиция представлена двумя одинаковыми аминокислотами: глутаминовая кислота - глутаминовая кислота. У других форм гемоглобина произошли следующие замещения:

Форма гемоглобина Аминокислота в позиции

6 7

S Валин Глутаминовая кислота

G Лизин Глутаминовая кислота

G Глутаминовая кислота Глицин

Джоржтауп Глутаминовая кислота Лизин

Определите структуру участков ДНК, кодирующих 6-ю и 7-ю позицию четвертого пептида для всех пяти форм гемоглобина.

В настоящее время известно много редких форм гемоглобина, у которых в результате мутаций произошло замещение той или иной аминокислоты в α-цепи.
1. У гемоглобина Торонто 5-я аминокислота аланин заменена аспарагином, у гемоглобина Париж 6-я аминокислота аланин заменена аспарагином. Определите участок ДНК, кодирующий 5-ю и 6-ю аминокислоты α-цепи, для нормального гемоглобина А и для гемоглобинов Торонто и Париж [показать]
  Гемоглобин А:
  
  Г А Ц Г А Ц
  
  Ц Т Г Ц Т Г
  
  Гемоглобин Торонто:
  
  Г А Т Г А Ц
  
  Ц Т А Ц Т Г
  
  Гемоглобин Париж:
  
  Г А Ц Г А Т
  
  Ц T Г Ц Т A
2. У гемоглобина Интерлакен-Оксфорд 15-я аминокислота глицин заменена аспарагином, у гемоглобина J 16-я аминокислота лейцин заменена глутамином. Определите участок ДНК, кодирующий 15-ю и 16-ю аминокислоты α-цепи, у нормального гемоглобина и у обоих измененных [показать]
  Гемоглобин А:
  
  Ц А Ц А Т А
  
  Г Т Г Т А Т
  
  Гемоглобин Интерлакен-Оксфорд:
  
  Г А Т А Т А
  
  Ц Т А Т А Т
  
  Гемоглобин J:
  
  Ц А Ц А Г Ц
  
  Г Т Г Т Ц Г

Известно 26 форм гемоглобина, у которых произошла замена той или иной аминокислоты в β-цепи (В. П. Эфроимсон, 1968). В таблице приведены некоторые замещения. Напишите изменения в триплетах ДНК, приведших к изменениям гемоглобина.

Форма гемоглобина Порядковый номер аминокислоты в цепи Аминокислотные замещения

Токучи 2 Гистидин - тирозин

Кушатта 22 Глутамин - аланин

Айбадан 46 Глицин - глутамин

Цюрих 63 Гистидин - аргинин

Милуоки 67 Валин - глутамин

Ибадан 87 Треонин - лизин

Балтимор 95 Лизин - глутамин

Кельн 98 Валин - метионин

О-Аравия 121 Глутамин - лизин

Хоп 136 Глицин - аспарагин

Кенвуд 143 Гистидин - аспарагин

В цепи А инсулина лошади аминокислоты в позиции 6-11 имеют следующий состав: цистеин - цистеин - треонин - глицин - изолейцин - цистеин. У быка в этой цепи 8-ю позицию занимает аланин, 9-ю - серин, 10-ю - валин. Определите строение участка ДНК, кодирующего эту часть цепи инсулина, у лошади и быка.
Начальный участок цепи В инсулина представлен следующими 10 аминокислотами: фенилаланин - валин - аспарагиновая кислота - глутамин - гистидин - лейцин - цистеин - глицин - серин - гистидин. Определите количественные соотношения аденин + тимин, гуанин + цитозин в цепи ДНК, кодирующей этот участок инсулина [показать]
По известному аминокислотному составу строим информационную РНК: УУУУУГГУАУЦГАУЦУАУГУУГУГЦУУАУЦ. Затем находим строение сначала одной нити, а потом двухцепочечной ДНК:

А А А А А Ц Ц А Т А Г Ц Т А Г А Т А Ц А А Ц А Ц Г А А Т А Г

Т Т Т Т T Г Г Т А Т Ц Г А Т Ц Т А Т Г Т Т Г Т Г Ц Т Т А Т Ц

Подсчитываем все количество адениновых оснований (20), тиминовых (20), гуаниновых (10) и цитозиновых (10). Затем высчитываем требуемое в условиях задачи:
```
		А + Т   20 + 20   40 
		----- = --   -- = -- = 2,0
		Г + Ц   10 + 10	  20
		
```
В кодовой таблице для лейцина дано три триплета, для серина — два. В приведенном решении выбраны первые триплеты таблицы. Решающий имел право выбрать второй или третий триплет. В случае выбора второго или третьего триплета искомое отношение было бы иным.

Инсулин состоит из А и В цепи, включающих 51 аминокислоту. Однако состав инсулина лошади, быка и барана несколько отличен. Число различных аминокислот в

Аминокислота Число аминокислот а инсулине животных

бык баран лошадь

Глицин 4 5 5

Валин 5 5 4

Изолейцин 1 1 2

Лейцин 6 6 6

Фенилаланин 3 3 3

Тирозин 5 5 5

Серин 3 2 2

Треонин 1 1 2

Лизин 1 1 1

Аргинин 1 1 1

Гистидин 2 2 2

Цистеин 6 6 6

Пролин 1 1 1

Аланин 3 3 2

Глутамин 6 6 6

Аспарагиновая кислота 3 3 3

Определите количественные отношения аденин + тимин и гуанин + цитозин в цепи ДНК, кодирующей инсулин, у трех видов животных.

Четвертый пептид гемоглобинов включает 8 аминокислот. Количественный состав их в различных формах гемоглобина приведен ниже.

Аминокислота Число аминокислот в пептиде гемоглобина

А S C G Джоржтаун

Валин 1 2 1 1 1

Гистидин 1 1 1 1 1

Лейцин 1 1 1 1 1

Треонин 1 1 1 1 1

Пролин 1 1 1 1 1

Глутаминовая кислота 2 1 1 1 1

Лизин 1 1 2 1 2

Глицин 0 0 0 1 0

Определите количественные соотношения аденин + тимин и гуанин + цитозин в участке ДНК, кодирующем 4-й полипептид; для пяти форм гемоглобина.

Рибонуклеаза поджелудочной железы быка имеет следующий количественный состав аминокислот:

Лизин 10 Тирозин 5 Глутамин 6 Цистеин 8 Аргинин 4 Пролин 4 Изолейцин 3

Аспарагиновая кислота 12 Аланин 12 Треонин 10 Лейцин 2 Серин 15 Валин 8

Глутаминовая кислота 7 Метионин 4 Фенилаланин 3 Аспарагин 4 Гистидин 4 Глицин 3

Определите количественные соотношения аденин + тимин и гуанин + цитозин в участке цепи ДНК, кодирующем рибонуклеазу.

Исследования показали, что 34% общего числа нуклеотидов данной информационной РНК приходится на гуанин, 18%-на урацил, 28% - на цитозин и 20% - на аденин. Определите процентный состав азотистых оснований двухцепочечной ДНК, слепком с которой является вышеуказанная информационная РНК.
Известно, что расстояние между двумя соседними нуклеотидами в спирализованной молекуле ДИК, измеренной вдоль оси спирали, составляет 34 x 10¹¹ м. Какую длину имеют гены, определяющие молекулу нормального гемоглобина, включающего 287 аминокислот?
Какую длину имеет молекула ДНК, кодирующая инсулин быка, если известно, что молекула инсулина быка имеет 51 аминокислоту, а расстояние между двумя соседними нуклеотидами в ДНК равно 34 x 10¹¹ м?

К оглавлению: Задачник по общей медицинской генетике