Молекулярные основы наследственности

В состав хромосом входят белки и нуклеиновые кислоты. Установлено, что наследственную функцию выполняет дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК). Заслуга в расшифровке строения молекулы этого вещества принадлежит Дж.Уотсону и Ф.Крику. Согласно их модели ДНК представляет собой полимер, который состоит из четырех типов нуклеотидов. В свою очередь нуклеотиды состоят из остатка фосфорной кислоты (Ф), сахара - дезоксирибозы (Д) и одного из четырех азотистых оснований: пуриновых – аденина (А) и гуанина (Г) и пиримидиновых - тимина (Т) и цитозина (Ц).

Нуклеотиды ДНК:

Ф – Д Ф - Д Ф - Д Ф - Д

I I I I

А Г Т Ц

адениновый гуаниновый тиминовый цитозиновый

Чтобы записать расположение нуклеотидов во второй цепи ДНК, необходимо знать правило комплементарности азотистых оснований: аденин всегда связан с тимином, гуанин - с цитозином. Нуклеотиды в молекуле ДНК связываются между собой фосфатом. Аденин и тимин соединены двойными водородными связями, гуанин с цитозином - тройными. Схема строения молекулы ДНК приводится ниже.

Ф Ф Ф Ф Ф Ф Ф Ф Ф Ф

/ \ / \ / \ / \ / \ / \ / \ / \ / \ / \

Д Д Д Д Д Д Д Д Д Д Д

│ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │

А Г Ц Т Т Г Ц А А Г Ц

│ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │

Т Ц Г А А Ц Г Т Т Ц Г

│ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │

Д Д Д Д Д Д Д Д Д Д Д

\ / \ / \ / \ / \ / \ / \ / \ / \ / \ /

Ф Ф Ф Ф Ф Ф Ф Ф Ф Ф

Синтез молекулы ДНК происходит полуконсервативным способом и называется репликацией. Репликация ДНК происходит в интерфазе митоза. Под действием ферментов двойные нити ДНК расплетаются и каждая нить достраивает вторую комплементарную ей.

А Т Г Ц Ц А

А Т Г Ц Ц А | | | | | |

А Т Г Ц Ц А / Т А Ц Г Г Т

| | | | | | фермент

Т А Ц Г Г Т \ А Т Г Ц Ц А

Т А Ц Г Г Т | | | | | |

Т А Ц Г Г Т

В процессе реализации наследственной информации принимает участие рибонуклеиновая кислота. РНК отличается от ДНК меньшей молекулярной массой и состоит из одной цепи. Нуклеотиды в своем составе содержат вместо сахара дезоксирибозы - рибозу, вместо тимина - урацил. Участок молекулы РНК может быть представлен такой моделью:

А Г Ц У У Ц А

| | | | | | |

Р Р Р Р Р Р Р

\ / \ / \ / \ / \ / \ /

Ф Ф Ф Ф Ф Ф

В клетках содержатся три вида РНК: информационная, или матричная (и-РНК), транспортная (т-РНК) и рибосомальная (р-РНК). Информационная РНК синтезируется в ядре на одной из цепей молекулы ДНК и перемещается в цитоплазму к рибосоме, где происходит синтез белковых молекул. Аминокислоты, необходимые для построения белковых молекул, доставляются к рибосомам транспортными РНК. От порядка расположения аминокислот в белковой молекуле зависит специфичность белка, а порядок расположения аминокислот определяется составом и расположением нуклеотидов в информационной РНК и ДНК.

Чередование аминокислот в белковой молекуле зашифровано с помощью генетического кода. Установлено, что каждая аминокислота шифруется сочетанием из трех азотистых оснований (триплетом). В настоящее время генетический код для всех аминокислот расшифрован и приводится в таблице 18.

18. Таблица генетического кода

1-й нуклеотид	2-й нуклеотид	3-й нуклеотид
У	Ц	А	Г
У	ФЕН ФЕН ЛЕЙ ЛЕЙ	СЕР СЕР СЕР СЕР	ТИР ТИР ТЕРМИН ТЕРМИН	ЦИС ЦИС ТЕРМИН ТРИ	У Ц А Г
Ц	ЛЕЙ ЛЕЙ ЛЕЙ ЛЕЙ	ПРО ПРО ПРО ПРО	ГИС ГИС ГЛН ГЛН	АРГ АРГ АРГ АРГ	У Ц А Г
А	ИЛЕ ИЛЕ ИЛЕ МЕТ	ТРЕ ТРЕ ТРЕ ТРЕ	АСН АСН ЛИЗ ЛИЗ	СЕР СЕР АРГ АРГ	У Ц А Г
Г	ВАЛ ВАЛ ВАЛ ВАЛ	АЛА АЛА АЛА АЛА	АСП АСП ГЛУ ГЛУ	ГЛИ ГЛИ ГЛИ ГЛИ	У Ц А Г

Сокращенные названия аминокислот

АЛА – аланин ЛЕЙ – лейцин

АРГ – аргинин ЛИЗ – лизин

АСН – аспаргин МЕТ – метионин

АСП – аспарагиновая кислота ПРО – пролин

ВАЛ – валин СЕР – серин

ГИС – гистидин ТИР – тирозин

ГПИ – глизин ТРЕ – треонин

ГЛН – глутамин ТРИ – тринтофан

ГЛУ – глутаминовая кислота ФЕН – фенил-аланин

ИЛЕ – изопейцин ЦИС – цистеин

Биосинтез белков происходит в рибосомах. В этом процессе участвуют: информационная РНК, которая несет информацию о чередовании аминокислот в молекуле белка, транспортная РНК, которая подносит аминокислоты к месту синтеза белковой молекулы, ряд ферментов и АТФ. Общую модель процесса синтеза белка можно представить в следующем виде:

ДНК (ген) А Г Ц Ц А Т Т А А Ц Г Г (смысловая цепь)

| | | | | | | | | | | |

и-РНК У Ц Г Г У А А У У Г Ц Ц

───── ───── ───── ─────

Белок (а.н.) серин - валин - изолейцин - аланин

Задачи на моделирование синтеза ДНК, РНК и белка

1. В одной из цепочек молекулы ДНК нуклеотиды расположены в такой последовательности: АГЦГЦТТАГАГТАТАЦАЦАЦЦ. Какова последовательность нуклеотидов в другой цепочке этой же молекулы?

2. Смысловая цепь молекулы ДНК имеет следующий состав нуклеотидов: ААТГГЦЦЦГЦЦГАГАТАТАТГТГ. Определить последовательность нуклеот-идов в информационной РНК, которая будет синтезирована на этой молекуле ДНК как матрице?

3. Участок молекулы и-РНК имеет следующий состав нуклеотидов: ГАУАУАЦЦУЦУУАУАГАГАУЦ. Указать порядок расположения аминокислот в белковой молекуле, которая будет синтезирована на этой РНК.

4. Определить, какие триплеты кодируют аминокислоты в белковой моле­куле следующего состава: аланин-валин-тирозин-триптофан-лизин-метио­нин?

5. В связи с вырожденностью генетического кода укажите все возможные триплеты, которые кодируют следующие аминокислоты: триптофан, лизин, изолейцин, пролин, аргинин?

6. Участок гена состоит из следующих нуклеотидов: ТТТ ТАЦ АЦА ТГГ

ЦАГ. Расшифровать последовательность аминокислот в белковой молекуле, кодируемой указанным геном.

7. Фрагмент белковой молекулы рибонуклеазы имеет следующий состав:

лизин-глутамин-треонин-аланин-аланин-аланин-лизин... Определите последовательность нуклеотидов в гене, кодирующем этот белок.

8. Определите порядок следования друг за другом аминокислот в участке белковой молекулы, если известно, что он кодируется молекулой ДНК следующего состава: ЦЦТАГТГТГААЦЦАГЦЦА. Какой станет последовательность аминокислот, если в результате мутации между пятым и шестым нуклеотидами произошла "вставка" тимина?

9. Назовите последовательность аминокислот в белковой молекуле, которая шифруется молекулой ДНК следующего состава: ТЦТЦЦЦААААА ГАТА.

Как отразится на строении белка удаление из молекулы ДНК пятого нуклеотида?

10. При мутации гена произошло выпадение пятого и седьмого нуклеотидов в матричной цепи ДНК (подчеркнуто):

а) АГАА А Г Ц АТЦАЦАГТАТТ

в) АЦТТ А Т Ц ЦТАТААГТГТА

Составить модель транскрипции и трансляции при первичной последовательности нуклеотидов ДНК и после их выпадения.

11. У человека, больного цистонурией (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, УАУ. У здорового человека в моче обнаруживаются: аланин, серин, глицин и глутаминовая кислота. Выделение каких аминокислот с мочой характерно для больных цистонурией?

12. В состав белка входит 400 аминокислот. Определить, какую длину имеет контролирующий его ген, если расстояние между двумя нуклеотидами в молекуле ДНК составляет 0,34 нм.

13. Определить молекулярную массу гена, контролирующего образова-ние белка, состоящего из 500 аминокислот, если известно, что средняя молекулярная масса одного нуклеотида равна 300.