В ходе транскрипции матрицей для мРНК может служить только одна из цепочек ДНК. Как РНК-полимераза узнает, какую из цепочек ДНК ей транскрибировать?

РНК-полимераза садится на ту цепь ДНК, на которой расположен промотор – последовательность нуклеотидов ДНК, узнаваемая РНК-полимеразой как стартовая площадка для начала специфическойтранскрипции. У прокариот промотор включает ряд мотивов, важных для узнавания его РНК-полимеразой, в частности так называемые последовательности -10 и -35. У высших многоклеточных эукариот, в том числе и у человека, тип промотора зависит от типа РНК-полимераз. в пределах 100-200 п.н. перед стартом транскрипции была выявлена сложная мозаика промоторных элементов, представленных короткими нуклеотидными последовательностями ("мотивами"): TATA , CAAT и GC -блоки.

Промотор асимметричен, что позволяет РНК-полимеразе начать транскрипцию в правильном направлении и указывает на то, какая из двух цепей ДНК будет служить матрицей для синтеза РНК.

7. Скорость репликации у эукариот составляет около 100–200 нуклеотидов в секунду. В ядрах соматических клеток человека содержится примерно 6,4 миллиарда нуклеотидов, распределенных между 46 молекулами ДНК. Подсчитайте, сколько времени может потребоваться для репликации всех молекул ДНК одной клетки, если все 46 молекул будут реплицироваться одновременно со скоростью 100 нукл./сек. В реальности продолжительность -периода (время синтеза ДНК) в клетках человека составляет 7-12 часов. Как удается клеткам провести удвоение огромных молекул за такое короткое время?

Решение. Длина генома человека составляет примерно 3,2 млрд пар нуклеотидов. На диплоидный набор (46 хромосом) приходится 2 генома, поэтому на одну хромосому приходится в среднем (3,2х2)/46=0,14 млрд п.н., или 140 миллионов п.н.

Если принять за скорость репликации 100 нукл./сек, то для одновременной репликации каждой хромосомы при наличии одной точки начала репликации (а, значит, двух репликационных вилок) требуется 140000000/(100х2)=700000 секунд, то есть около 195 часов. Поскольку реальное время составляет порядка 10 часов, это означает, что количество точек начала репликации в каждой хромосоме равно приблизительно 20 (195/10).

Таким образом, клеткам удаётся провести удвоение огромных молекул ДНК во много раз быстрее благодаря наличию многочисленных точек начала репликации (и, соответственно, репликационных вилок).

8. Нуклеиновая кислота вируса простого герпеса, вызывающего «лихорадку» на губах, содержит 16 тимина и 16 аденина. Нуклеиновая кислота вируса гриппа содержит 33 урацила и 23 аденина. Что представляют собой геномы этих вирусов? Ответ аргументируйте.

Решение. В случае вируса простого герпеса число тиминов равно числу аденинов, что означает, что геном герпеса представлен двуцепочечной ДНК (тимины встречаются в ДНК, но не в РНК).

В случае же вируса гриппа в качестве нуклеотидов нуклеиновой кислоты представлен урацил, что свидетельствует о том, что геном этого вируса представлен РНК.

По условию задачи число урацилов не равно числу аденинов, поэтому в данном вирусе нет образования дуплекса, состоящего из комплементарных цепей. Таким образом, нуклеиновая кислота вируса гриппа – одноцепочечная РНК.

9. Во всех матричных синтезах биополимеров выполняются принципы комплементарности, антипараллельности и униполярности. Но аминокислоты не комплементарны нуклеотидам мРНК и у них нет 3- и 5-концов. Как выполняются комплементарность и антипараллельность в процессе трансляции? В каком направлении по матрице передвигаются ДНК-полимераза, РНК- полимераза, обратная транскриптаза, рибосома?

Решение.Комплементарное антипараллельное спаривание двух молекул РНК (мРНК и 16SрРНК прокариот) при трансляции встречается в следующих случаях.

1.У прокариот описано комплементарное антипараллельное спаривание двух молекул РНК (мРНК и 16SрРНК прокариот) Последовательность Шайна — Дальгарно — сайт связывания рибосом на молекуле мРНК, обычно на расстоянии около 10 нуклеотидов до стартового кодона AUG. Комплементарная последовательность CCUCCU, называемая последовательностью анти-Шайна-Дальгарно, располагается на 3'-конце молекулы 16S рибосомной РНК. Комплементарное взаимодействие между последовательностями Шайна — Дальгарно и анти-Шайна-Дальгарно служит для помещения старт-кодона мРНК в P-сайт рибосомы для начала биосинтеза белка.

2. Комплементарное антипараллельное спаривание двух молекул РНК (мРНК и тРНК) происходит между триплетом кодона на мРНК и антикодоновойпоследовательностью натРНК.

В школьных учебниках биологии ошибочно указывается на комплементарной спаривание всех трёх нуклеотидов в кодон-антикодоновом дуплексе и одна тРНК узнаёт лишь один кодон. В действительности же одна тРНК может узнавать более одного кодона. Это обусловлено тем, что основание в первом положении антикодона должно обладать способностью образовывать пару с несколькими различными основаниями, находящимися в третьем положении соответствующих кодонов... Взаимодействие оснований в первом положении антикодонов не ограничено образованием канонических пар G-C uA-U комплементарных пар.

Правила, описывающие кодон-антикодоновые взаимодействия, суммированы в гипотезе неоднозначного спаривания. Эта гипотеза гласит, что образование пары кодон-антикодон в двух первых положениях кодона всегда происходит по каноническим правилам (комплементарные пары), но в третьем положении возможно «колебание», то есть образование некомплементарной пары между нуклеотидами. В первой позиции антикодона очень часто присутствуют модифицированные неканонические основания (не АГЦТ, а другие, например, псевдоуридин), обеспечивая те или иные варианты специфического кодон-антикодонового взаимодействия.

Таким образом, комплементарное взаимодействие при образовании кодон-антикодоновых пар, как правило, справедливо только для первых двух нуклеотидов кодонов (известные редкие исключения из данного правила не сильно нарушают общую картину), а первый нуклеотид ко­дона, который потенциально может быть любым (в таком случае в литературе такой нуклеотид обозначается буквой N), взаимодействует нека­нонически. И схемы трансляции, таким образом, не сильно модифицируются, практически не ус­ложняясь. Например, вместо взаимодействия

5-ААА-З' (кодон)

З -УУУ-5' (антикодон), правильнее писать:

5 -ААА-З' (кодон)

3'-УУN-5' (антикодон), где N — какой-то, быть может, модифицирован­ный нуклеотид.

ДНК-полимераза, РНК-полимераза, обратная транскриптаза и рибосома при трансляции по полинуклеотидной цепи передвигается в направлении 5’-3’. При синтезе комплеметарной цепи новые нуклеотиды всегда присоединяются к 3’-концу.

Аминокислотная цепь при трансляции синтезируется в направлении от аминоконца пептида к СООН-концу. То есть новая аминокислота присоединяется всегда к СООН-концу.

Участок цепи ДНК следующего состава: 3-ГАА ТТГ ТГЦ-5 служит матрицей для синтеза антикодонной петли тРНК. Какую аминокислоту переносит эта тРНК (антикодон находится в середине участка)?

Решение. По принципу комплементарности и антипараллельности находим участок мРНК, из которого образуется антикодоновая цепь. 5’-ЦУУ ААЦ АЦГ-3’. Таким образом, антикодон образуется из участка 5’-ААЦ-3’, что может соответствовать кодону 5’-ГУУ-3’, который кодирует валин. Таким образом, эта тРНК переносит аминокислоту валин.