Нуклеиновые кислоты
Информация о нуклеиновых кислотах в вопросах и ответах.
Когда и кем были открыты нуклеиновые кислоты?
Нуклеиновые кислоты были открыты в 1869 г. швейцарским врачом Ф.Мишером в ядрах лейкоцитов, входящих в состав гноя. Впоследствии нуклеиновые кислоты были обнаружены во всех растительных и животных клетках, бактериях, протистах, грибах и вирусах.
Нуклеиновые кислоты были открыты в 1869 г. швейцарским врачом Ф.Мишером в ядрах лейкоцитов, входящих в состав гноя. Впоследствии нуклеиновые кислоты были обнаружены во всех растительных и животных клетках, бактериях, протистах, грибах и вирусах.
Какова биологическая роль нуклеиновых кислот?
Они играют центральную роль в хранении и передаче наследственной информации о свойствах организма.
Какие виды нуклеиновых кислот существуют в природе?
В природе существует два вида нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновые, или ДНК, и рибонуклеиновые, или РНК.
Что отражает различие в их названиях?
Молекула ДНК содержит сахар дезоксирибозу, а молекула РНК – рибозу.
Какие разновидности природных ДНК и РНК вы знаете?
В настоящее время известны хромосомальная и внехромосомальная ДНК и рибосомальная, информационная и транспортная РНК, которые участвуют в синтезе белка. ДНК включает множество генов, определяющих различия в метаболизме. Например, ДНК бактериальной клетки кишечной палочки содержит несколько тысяч различных генов, а у животных и растений – много больше, причем каждый вид организмов имеет характерный только для него набор генов. Однако многие гены – общие для всех организмов, что подтверждает общность происхождения живых существ.
Где в клетке находятся нуклеиновые кислоты?
Примерно 99% всей ДНК находится в хромосомах клеточного ядра, кроме того, ДНК имеется в митохондриях и хлоропластах. РНК входит в состав ядрышек клеточного ядра, а также содержится в рибосомах, митохондриях, пластидах и цитоплазме.
Какое строение имеют молекулы ДНК и РНК?
Молекула ДНК состоит из двух правозакрученных спиральных цепочек полинуклеотидов. Недавно была открыта левозакрученная ДНК. РНК состоит из одной спирально закрученной полинуклеотидной цепочки.
Полинуклеотидная цепь ДНК состоит из нуклеотидов. А что является структурными компонентами нуклеотидов?
В состав любого нуклеотида ДНК входит одно из четырех азотистых оснований: аденин (А), гуанин (Г), тимин (Т) и цитозин (Ц), а также сахар дезоксирибоза (C3H10O4) и остаток фосфорной кислоты.
Различаются ли нуклеотиды между собой?
Они отличаются только азотистыми основаниями, которые попарно имеют близкое химическое строение: Ц подобен Т (они относятся к пиримидиновым основаниям), А подобен Г (они относятся к пуриновым основаниям). А и Г по размерам несколько больше, чем Т и Ц. В ДНК входят нуклеотиды только четырех видов.
Чем отличаются составы нуклеотидов ДНК и РНК?
РНК построена из тех же азотистых оснований, что и ДНК, но вместо тимина в ее состав входит урацил. Кроме того, углевод нуклеотидов РНК представлен рибозой
Как происходит соединение нуклеотидов между собой в полинуклеотидной цепи?
В полинуклеотидной цепи соседние нуклеотиды связаны между собой ковалентными связями, которые образуются между дезоксирибозой (в молекуле ДНК) или рибозой (в молекуле РНК) одного нуклеотида и остатком фосфорной кислоты другого нуклеотида.
Чем объясняется огромное разнообразие генов в составе молекулы ДНК?
Хотя ДНК содержит всего четыре типа разных нуклеотидов, благодаря различной последовательности их расположения в длинной цепочке достигается огромное разнообразие их сочетаний в молекуле.
Как объединяются две полинуклеотидные цепи в единую молекулу ДНК?
Между азотистыми основаниями нуклеотидов разных цепей образуются водородные связи (между А и Т – две, а между Г и Ц – три). При этом А соединяется водородными связями только с Т, а Г – с Ц. В результате у всякого организма число адениловых нуклеотидов равно числу тимидиловых, а число гуаниловых – числу цитидиловых. Эта закономерность получила название правила Чаргаффа. Благодаря этому свойству последовательность нуклеотидов в одной цепочке определяет их последовательность в другой, т.е. цепи ДНК являются как бы зеркальными отражениями друг друга. Такое избирательное соединение нуклеотидов называется комплементарностью, и это свойство лежит в основе самосборки новой полинуклеотидной цепи ДНК на базе исходной. Помимо водородных связей в стабилизации структуры двойной спирали участвуют и гидрофобные взаимодействия
Одна из цепей ДНК имеет структуру А–Т–Ц–Ц–Г–А–А–Ц–Т. Используя принцип комплементарности, постройте вторую цепь.
Т–А–Г–Г–Ц–Т–Т–Г–А.
Как происходит репликация (самоудвоение) молекулы ДНК?
Репликация начинается с того, что двойная спираль ДНК временно раскручивается. Под действием фермента ДНК-полимеразы происходит присоединение свободных нуклеотидов к одинарным полинуклеотидным цепям. Каждая полинуклеотидная цепь играет роль матрицы для новой комплементарной цепи, которая образуется после соединения нуклеотидов между собой. В результате из одной молекулы ДНК получаются две новые, у каждой из которых одна половина происходит от родительской молекулы, а другая является вновь синтезированной. При этом новые цепи синтезируются сначала в виде коротких фрагментов, которые затем «сшиваются» в длинные цепи специальными ферментами. Две новые молекулы ДНК представляют собой точные копии исходной молекулы. Этот процесс лежит в основе передачи наследственной информации, которая осуществляется на двух уровнях: клеточном и молекулярном.
Чем объясняется высокая точность репликации ДНК?
Высокая точность обеспечивается специальным комплексом белков – «репликативной машиной». Эти белки выполняют три функции:
– выбирают нуклеотиды, способные образовывать комплементарную пару с нуклеотидами родительской, матричной, цепи;
– катализируют образование ковалентной связи между каждым новым нуклеотидом и концом растущей цепи;
– исправляют ошибки сборки цепи, удаляя неправильно включившиеся нуклеотиды. Число ошибок «репликативной машины» составляет ничтожную величину – менее одной на 109 нуклеотидов.
Какие бывают ошибки «репликативной машины» и к чему они приводят?
В некоторых случаях «репликативная машина» пропускает или вставляет несколько лишних оснований, включает Ц вместо Т или А вместо Г. Каждое такое изменение в последовательности нуклеотидов молекулы ДНК – генетическая ошибка, называемая мутацией. Такие ошибки будут воспроизводиться во всех последующих поколениях клеток, что может приводить к разным последствиям, как положительным, так и негативным.
Каков диаметр и шаг спирали ДНК?
Диаметр спирали ДНК – 2 нм, шаг спирали – 3,4 нм, каждый виток содержит 10 пар нуклеотидо
Какова длина и масса нуклеиновых кислот?
Длина молекулы нуклеиновой кислоты может достигать сотен тысяч нанометров, т.е. около 0,1 мм. Это значительно больше самой крупной молекулы белка, которая в развернутом виде достигает в длину 100–200 нм. Масса молекулы ДНК составляет около 6´10-12 г.
Сравнительная характеристика ДНК и РНК
|
Признаки
|
ДНК
|
РНК
|
| Функции | химическая основа хромосомного генетического материала (генов); матрица для синтеза ДНК; матрица для синтеза РНК; информация о структуре белка |
иРНК передает код наследственной информации о первичной структуре белка; рРНК входит в состав рибосом; тРНК переносит аминокислоты к рибосомам; митохондриальная и пластидная ДНК входят в состав этих органоидов |
| Местонахождение в клетке | ядро, митохондрии, пластиды | ядро, цитоплазма, рибосомы, митохондрии, пластиды |
| Строение | двойная спираль: две комплементарные полинуклеотидные цепи | одинарная полинуклеотидная цепь |
| Мономеры | дезоксирибонуклеотиды | рибонуклеотиды |
| Состав нуклеотида | азотистое основание (аденин, гуанин, тимин, цитозин), дезоксирибоза и остаток фосфорной кислоты | азотистое основание (аденин, гуанин, урацил, цитозин), рибоза и остаток фосфорной кислоты |
| Типы нуклеотидов | адениловый (А), гуаниловый (Г), тимидиловый (Т), цитидиловый (Ц) | адениловый (А), гуаниловый (Г), уридиловый (У), цитидиловый (Ц) |
| Свойства | способна к репликации (самоудвоению), стабильна | не способна к репликации, лабильна |
О.В. ДЕГТЯРЕНКО, учитель горнозаводской с.ш. No 8, Ставропольский край
Как решать задачи по молекулярной биологии
1.Количество аденина равно количеству тимина, а гуанина – цитозину;
2.Количество пуриновых оснований равно количеству пиримидиновых оснований,т.е. А+Г = Т+Ц.
3.В цепи молекулы ДНК расстояние между нуклеотидами равно 0,34 нм.
2.Количество пуриновых оснований равно количеству пиримидиновых оснований,т.е. А+Г = Т+Ц.
3.В цепи молекулы ДНК расстояние между нуклеотидами равно 0,34 нм.
4.Относительная молекулярного масса одного нуклеотида равна 345.
Задачи по молекулярной биологии
Тема: «Белки»
Необходимые пояснения:
- средняя молекулярная масса одного аминокислотного остатка принимается за 120;
Задача № 1. Гемоглобин крови человека содержит 0,34% железа. Вычислите минимальную молекулярную массу гемоглобина.
Решение:
Мmin = 56 : 0,34% × 100% = 16 471
Задача № 2. Альбумин сыворотки крови человека имеет молекулярную массу 68400. Определите количество аминокислотных остатков в молекуле этого белка.
Решение:
68400 : 120 = 570 (аминокислот в молекуле альбумина).
Задача № 3. Белок содержит 0,5% глицина. Чему равна минимальная молекулярная масса этого белка, если Мглицина = 75,1? Сколько аминокислотных остатков в этом белке?
Решение:
1) Мmin = 75,1 : 0,5% × 100% = 15 020
2) 15 020 : 120 = 125 (аминокислот в этом белке)
Тема: «Нуклеиновые кислоты»
Необходимые пояснения:
- относительная молекулярная масса одного нуклеотида принимается за 345;
- расстояние между нуклеотидами в цепи молекулы ДНК (длина одного нуклеотида) – 0, 34 нм;
- Правила Чаргаффа:
1. ∑(А) = ∑(Т)
2. ∑(Г) = ∑(Ц)
3. ∑(А+Г) =∑(Т+Ц)
2. ∑(Г) = ∑(Ц)
3. ∑(А+Г) =∑(Т+Ц)
Задача № 4. На фрагменте одной нити ДНК нуклеотиды расположены в последовательности:
А–А–Г–Т–Ц–Т–А–Ц–Г–Т–А–Т
Определите процентное содержание всех нуклеотидов в этом фрагменте ДНК и длину гена.
Решение:
1) достраиваем вторую нить (по принципу комплементарности)
2) ∑(А +Т+Ц+Г) = 24,
из них ∑(А) = 8 = ∑(Т)
24 – 100%
8 – х%
х = 33,4%
8 – х%
х = 33,4%
∑(Г) = 4 = ∑(Ц)
24 – 100%
4 – х%
х = 16,6%
4 – х%
х = 16,6%
3) молекула ДНК двуцепочечная, поэтому длина гена равна длине одной цепи:
12 × 0,34 = 4,08 нм
Задача № 5. В молекуле ДНК на долю цитидиловых нуклеотидов приходится 18%. Определите процентное содержание других нуклеотидов в этой ДНК.
Решение:
1) т.к. Ц = 18%, то и Г = 18%;
2) на долю А+Т приходится 100% – (18% +18%) = 64%, т.е. по 32%
Ответ: Г и Ц – по 18%, А и Т – по 32%.
Задача № 6. В молекуле ДНК обнаружено 880 гуанидиловых нуклеотидов, которые составляют 22% от общего числа нуклеотидов в этой ДНК.
Определите:
а) сколько других нуклеотидов в этой ДНК?
б) какова длина этого фрагмента?
б) какова длина этого фрагмента?
Решение:
1) ∑(Г) = ∑(Ц)= 880 (это 22%);
На долю других нуклеотидов приходится 100% – (22%+22%)= 56%, т.е. по 28%;
Для вычисления количества этих нуклеотидов составляем пропорцию:
22% – 880
28% – х, отсюда х = 1120
28% – х, отсюда х = 1120
2) для определения длины ДНК нужно узнать, сколько всего нуклеотидов содержится в 1 цепи:
(880 + 880 + 1120 + 1120) : 2 = 2000
2000 × 0,34 = 680 (нм)
2000 × 0,34 = 680 (нм)
Задача № 7. Дана молекула ДНК с относительной молекулярной массой 69 000, из них 8625 приходится на долю адениловых нуклеотидов.
Найдите количество всех нуклеотидов в этой ДНК. Определите длину этого фрагмента.
Решение:
1) 69 000 : 345 = 200 (нуклеотидов в ДНК),
8625 : 345 = 25 (адениловых нуклеотидов в этой ДНК),
∑(Г+Ц) = 200 – (25+25)= 150, т.е. их по 75;
2) 200 нуклеотидов в двух цепях, значит в одной – 100.
100 × 0,34 = 34 (нм)
Тема: «Код ДНК»
Задача № 8. Что тяжелее: белок или его ген?
Решение:
Пусть х – количество аминокислот в белке, тогда масса этого белка – 120х, количество нуклеотидов в гене, кодирующем этот белок, – 3х, масса этого гена – 345 × 3х.
120х < 345 × 3х
Ответ: ген тяжелее белка.
Задача № 9. Последовательность нуклеотидов в начале гена, хранящего информацию о белке инсулине, начинается так:
А–А–А–Ц–А–Ц–Ц–Т–Г–Ц–Т–Т–Г–Т–А–Г–А–Ц
Напишите последовательности аминокислот, которой начинается цепь инсулина.
Решение:
Задание выполняется с помощью таблицы, в которой нуклеотиды в иРНК (в скобках – в исходной ДНК) соответствуют аминокислотным остаткам.
Ответ: фенилаланин – валин – аспарагиновая кислота – глутаминовая кислота – гистидин – лейцин. Задача № 10. Вирусом табачной мозаики (РНК-содержащий вирус) синтезируется участок белка с аминокислотной последовательностью: Ала – Тре – Сер – Глу – Мет-
Под действием азотистой кислоты (мутагенный фактор) цитозин в результате дезаминирования превращается в урацил. Какое строение будет иметь участок белка вируса табачной мозаики, если все цитидиловые нуклеотиды подвергнутся указанному химическому превращению?
Решение:
Ала – Тре – Сер – Глу – Мет-
ГЦУ – АЦГ – АГУ – ГАГ – АУГ
ГУУ – АУГ – АГУ – ГАГ – АУГ
Вал – Мет – Сер – Глу – Мет-
Мейоз
|
Фаза мейоза, набор хромосом (n - хромосомы,
с - ДНК) |
Рисунок
|
Характеристика фазы, расположение хромосом
|
|
Профаза 1
2n4c |
|
Демонтаж ядерных мембран, расхождение центриолей к разным полюсам клетки, формирование нитей веретена деления, “исчезновение” ядрышек, конденсация двухроматидных хромосом, конъюгация гомологичных хромосом и кроссинговер.
|
|
Метафаза 1
2n4c |
|
Выстраивание бивалентов в экваториальной плоскости клетки, прикрепление нитей веретена деления одним концом к центриолям, другим – к центромерам хромосом.
|
|
Анафаза 1
2n4c |
|
Случайное независимое расхождение двухроматидных хромосом к противоположным полюсам клетки (из каждой пары гомологичных хромосом одна хромосома отходит к одному полюсу, другая – к другому), перекомбинация хромосом.
|
|
Телофаза 1
в обеих клетках по1n2c |
|
Образование ядерных мембран вокруг групп двухроматидных хромосом, деление цитоплазмы.
|
|
Профаза 2
1n2c |
|
Демонтаж ядерных мембран, расхождение центриолей к разным полюсам клетки, формирование нитей веретена деления.
|
|
Метафаза 2
1n2c |
|
Выстраивание двухроматидных хромосом в экваториальной плоскости клетки (метафазная пластинка), прикрепление нитей веретена деления одним концом к центриолям, другим – к центромерам хромосом.
|
|
Анафаза 2
2n2c |
|
Деление двухроматидных хромосом на хроматиды и расхождение этих сестринских хроматид к противоположным полюсам клетки (при этом хроматиды становятся самостоятельными однохроматидными хромосомами), перекомбинация хромосом.
|
|
Телофаза 2
в обеих клетках по1n1c Всего
4 по 1n1c |
|
Деконденсация хромосом, образование вокруг каждой группы хромосом ядерных мембран, распад нитей веретена деления, появление ядрышка, деление цитоплазмы (цитотомия) с образованием двух, а в итоге обоих мейотических делений – четырех гаплоидных клеток.
|
