Как найти процент аденина

When most people hear the term “DNA,” they automatically picture the classic double helix. Imagining the components that make up that great spiral of genetic material often feels a bit more complicated. Fortunately, understanding how base pairs function and even calculating percentages for each base in a DNA sample is actually straightforward.

DNA Base Pairs

The DNA double helix contains two strands of genetic material twisted together, so it fits inside the nucleus of the cell. The structure of that spiral results from the way the four bases pair up and bind to each other. These four bases are adenine, guanine, thymine and cytosine.

In terms of chemical structure, adenine and guanine are both purines while thymine and cytosine are pyrimidines. This chemical difference ensures that the stable hydrogen bonds between the bases always pair up the same way: adenine with thymine and guanine with cytosine.

Erwin Chargaff’s Observation

Scientists have not always known the function of DNA. In fact, the 1944 proposal that DNA might be the cell’s genetic material inspired speculation and even controversy. Nevertheless, some scientists began to study DNA in earnest, including Erwin Chargaff. In 1950, Chargaff noticed that, when separated, the purines (adenine and guanine) always existed in a 1:1 ratio with the pyrimidines (thymine and cytosine). This finding became a scientific fixture: Chargaff’s rule.

Applying Chargaff’s Rule

Chargaff’s rule means that in any sample, the concentration of adenine will always equal the concentration of its pair thymine, and the concentrations of guanine and cytosine will be equal, too. If you need to calculate the percentage of adenine in a DNA sample, you can use Chargaff’s rule to solve the problem. For example, if you know the DNA sample is 20 percent thymine, you automatically know it is 20 percent adenine, as well, since they pair together.

You can also calculate the percentage of adenine when given the percentage of guanine or cytosine. Since you know there are only four bases in DNA, all four bases together must equal 100 percent of the sample. If given the information that the sample is 20 percent guanine, you can surmise it is also 20 percent cytosine since guanine and cytosine pair with each other. Together, that is 40 percent of the total sample. You can subtract that 40 percent from 100 percent and determine 60 percent of the sample must be adenine and thymine together. Since those two bases always exist in equal concentrations, you know the DNA sample is 30 percent adenine.

Concepts associated with the biochemistry of DNA sometimes seem very complicated. Thanks to Chargaff, calculating the percentages of bases present in a DNA sample becomes nothing more than a simple math problem.

Когда большинство людей слышат термин «ДНК», они автоматически представляют классическую двойную спираль. Представление компонентов, составляющих эту великую спираль генетического материала, часто кажется немного более сложным. К счастью, понять, как функционируют пары оснований и даже рассчитать проценты для каждого основания в образце ДНК, на самом деле просто.

TL; DR (слишком долго; не читал)

В любом образце ДНК есть четыре основания, которые соединяются только одним способом: аденин и тимин, гуанин и цитозин. Они составляют 100 процентов выборки. Правило Чаргаффа гласит, что концентрация для каждого основания в паре оснований всегда равна его сопряжению, поэтому, например, концентрация аденина равна концентрации тимина. Используя эту информацию и простую математику, вы можете найти процент аденина в образце, если вы знаете процент любого другого основания.

ДНК Базовые пары

Двойная спираль ДНК содержит две нити генетического материала, скрученные вместе, поэтому он вписывается в ядро ​​клетки. Структура этой спирали проистекает из того, как четыре основания соединяются и связываются друг с другом. Этими четырьмя основаниями являются аденин, гуанин, тимин и цитозин.

С точки зрения химической структуры аденин и гуанин являются пуринами, а тимин и цитозин — пиримидинами. Это химическое различие гарантирует, что стабильные водородные связи между основаниями всегда соединяются одинаково: аденин с тимином и гуанин с цитозином.

Наблюдение Эрвина Чаргаффа

Ученые не всегда знали функцию ДНК. Фактически, предложение 1944 года о том, что ДНК может быть генетическим материалом клетки, вызывало споры и даже споры. Тем не менее, некоторые ученые начали изучать ДНК всерьез, в том числе Эрвин Чаргафф. В 1950 году Чаргафф заметил, что при разделении пурины (аденин и гуанин) всегда существовали в соотношении 1: 1 с пиримидинами (тимин и цитозин). Это открытие стало научным приспособлением: правило Чаргаффа.

Применяя правило Чаргаффа

Правило Чаргаффа означает, что в любом образце концентрация аденина всегда будет равна концентрации его пары тимина, и концентрации гуанина и цитозина также будут равны. Если вам нужно рассчитать процентное содержание аденина в образце ДНК, вы можете использовать правило Чаргаффа, чтобы решить эту проблему. Например, если вы знаете, что образец ДНК содержит 20 процентов тимина, вы автоматически знаете, что это также 20 процентов аденина, поскольку они образуют пары.

Вы также можете рассчитать процентное содержание аденина, если учитывать процентное содержание гуанина или цитозина. Поскольку вы знаете, что в ДНК всего четыре основания, все четыре основания вместе должны равняться 100 процентам образца. Если предоставить информацию о том, что образец содержит 20 процентов гуанина, вы можете предположить, что он также содержит 20 процентов цитозина, поскольку гуанин и цитозин спариваются друг с другом. Вместе это составляет 40 процентов от общей выборки. Вы можете вычесть эти 40 процентов из 100 процентов и определить, что 60 процентов образца должны быть аденином и тимином вместе. Поскольку эти два основания всегда существуют в равных концентрациях, вы знаете, что образец ДНК содержит 30 процентов аденина.

Концепции, связанные с биохимией ДНК, иногда кажутся очень сложными. Благодаря Чаргаффу вычисление процентов оснований, присутствующих в образце ДНК, становится не чем иным, как простой математической задачей.

Расчет процентного содержания каждого нуклеотида на участке, длины и массы нуклеотидов в цепи ДНК

Задача 154.
Определить процентное содержание каждого нуклеотида на участке ДНК со следующей последовательностью нуклеотидов в одной цепочке: ААТГТЦГГГЦАТТГ.
Решение:
Рассчитаем общее количество нуклеотидов и число каждого в отделености в данной цепочке ДНК, получим: общее число нуклеотидов = 14, аденина = 3, тимина = 4, гуанина — 5, цитозина = 2. Теперь расчитаем процентное содержание каждого нуклнотида:

А = 21,43% [(3 ^. 100%)/14 = 21,43%];
Т =  28,57% [(4 ^. 100%)/14 = 28,57%];
Г = 35,71% [(5 ^. 100%)/14 = 35,71%];
Ц = 14,29% [(2 ^/ 100%)/14 = 14,29%].

По принципу комплементарности А всегда стоит в паре с Т (А = Т), а Г всегда образует пару с Ц (Г = Ц), значит можно достроить вторую цепь ДНК, она будет такая ТТЦАЦТГ. Если в первой цепи 28,57% тимина, то во второй цепи будет 28,57% аденина (Т = А), если в первой цепи 14,29% цитозина, то во второй цепи будет 14,29% гуанина (Ц = Г), соответственно во второй цепи будет 35,71% цитозина напротив Г (Г = Ц) и 21,43% Т напротив А (А = Т). 

Теперь можно посчитать нуклеотиды в двух цепях: А = 21,43% в первой цепи + 28,57% во второй цепи = 50%, Т = А тоже 50%, Г = 35,71% в одной цепи + 14,29% во второй цепи = 50%, значит Ц тоже будет 50%. 

ОТВЕТ: А = Т = 50%, Г = Ц = 50%.
 

Задача 155.
Сколько нуклеотидов содержит ген, кодирующий полипептид из 450 мономеров. Найти вес и длину этого гена. Длина нуклеотида 3,4 А⁰ , вес — 300.
Решение:
Так как одна аминокислота кодируется кодоном, состоящим из трех нуклеотидов (триплетов) цепи иРНК, то участок этой цепи иРНК будет состоять из 1350 нуклеотидов.
Значит, каждая цепь днка тоже будет содержать по 1350 нуклеотидов. Известно, что длина одного нуклеотида равна 0,34 нм. Значит, длина ДНК будет 1350 х 0,34 нм = 459 нм.
Так как молекула ДНК имеет две цепи нуклеотидов, то фрагмент этой цепи ДНК, кодирующий полипептид из 450 мономеров будет в два раза больше содержать нуклеотидов, чем иРНК, построенная на этом участке ДНК по принципу комплемментарности — 2700 (1350 ^. 2 = 2700). Если масса одного нуклеотида равна 300 а.е.м. (атомных единиц массы), то молекулярная масса 2700 нуклеотидов равна:

810000 а.е.м. (300 . 2700 = 810000).

Ответ: длина ДНК равна 458 нм; масса ДНК равна 810000 а.е.м..
 

Задача 156.
1. По предложенной последовательности нуклеотидов в информационной РНК восстановите последовательность нуклеотидов в молекуле ДНК, с которой данная и-РНК была транскрибирована. Укажите количество водородных связей в фрагменте молекулы ДНК. Фрагмент иРНК: 5′ ГЦУ-АЦЦ-УЦГ-ГГГ-АУА 3′
Решение:
Используя принцип комплементарности, по иРНК можно восстановить последовательность нуклеотидов одной цепи ДНК: 3′ ЦГА-ТГГ-АТЦ-ЦЦЦ-ТАТ 5′ (надо быть 
внимательными и помнить, что в ДНК отсутствует урацил, вместо него становится тимин). Теперь, опять же пользуясь принципом комплементарности, на полученной цепи ДНК строим вторую цепь ДНК: 5′ ГЦТ-АЦЦ-ТЦГ-ГГГ-АТА 3′. 
Следовательно, при решении данной задачи необходимо записать:

            иРНК: 5′ ГЦУ-АЦЦ-УЦГ-ГГГ-АУА 3′
1-я цепь ДНК: 3′ ЦГА-ТГГ-АТЦ-ЦЦЦ-ТАТ 5′
2-я цепь ДНК: 5′ ГЦТ-АЦЦ-ТЦГ-ГГГ-АТА 3′

Остается посчитать попарно количество гуанинов и цитозинов, а также аденинов и тиминов в первой цепи ДНК:

Г + Ц = 3 + 5 = 8; А + Т = 3 + 4 = 7.

Теперь считаем количество водородных связей между двумя цепями ДНК. Если учесть, что между А и Т образуется 2 водородные связи, а между Г и Ц — три 
водородные связи, то всего водородных связей, которые поддерживают двухцепочечную структуру ДНК, будет (8 х 3) + (7 x 2) = 38.

Ответ: 38 водородных связей.
 

Расчет длины и молекулярной массы ДНК

Задача 157. 
Фрагмент молекулы ДНК состоит из 640 нуклеотидов. Рассчитайте длину и массу этого фрагмента. Сколько витков спирали образует эта молекула и сколько потребуется нуклеотидов данного фрагмента ДНК для репликации.
Решение:
Поскольку молекула ДНК двухцепочечная, то чтобы узнать, сколько нуклеотидов в одной цепи, надо 640 : 2 = 320 пар нуклеотидов. Зная длину нуклеотида в 
цепи, можно вычислить длину ДНК: l_н = 320 ^. 0,34 нм = 108,8 нм. 
Если масса одного нуклеотида равна 300 а.е.м. (атомных единиц массы), то молекулярная масса 640 нуклеотидов равна: Mr_н = 192000 а.е.м. (300 ^. 640 = 192000).
На один виток спирали ДНК приходится 10  пар нуклеотидов. Поэтому количество витков спирали — 640/(2 ^.10) = 32. 
При репликации матрицами становятся обе цепи, поэтому потребуются все 640 нуклеотидов.
 

Задача 158.
Участок правой цепи молекулы ДНК имеет такой нуклеотидный состав: …-Г-Г-Г-Ц-А-Т-А-А-Ц-Г-Ц-Т-… Определить содержание (в %) каждого нуклеотида во фрагменте ДНК.
Решение:
Рассчитаем общее количество нуклеотидов и число каждого в отделености в данной цепочке ДНК, получим: общее число нуклеотидов = 12, аденина = 3, тимина = 2, гуанина — 4, цитозина = 3. Теперь расчитаем процентное содержание каждого нуклнотида:

А = 25% [(3 ^. 100%)/12 = 25%]; Т =  16,7% [(2 ^. 100%)/12 = 16,7%];
Г = 33,3% [(4 ^. 100%)/12 = 33,3%]; Ц = 25% [(3 ^. 100%)/12 = 25%].

По принципу комплементарности А всегда стоит в паре с Т (А = Т), а Г всегда образует пару с Ц (Г = Ц), значит можно достроить вторую цепь ДНК, она будет такая …-Ц-Ц-Ц-Г-Т-А-Т-Т-Г-Ц-Г-А-…. Если в первой цепи 25% аденина, то во второй цепи будет 25% тимина, если в первой цепи 16,7%% тимина, то во второй цепи будет 16,7% аденина (Т = А), если в первой цепи 25% цитозина, то во второй цепи будет 25% гуанина (Ц = Г), соответственно во второй цепи будет 33,3% цитозина напротив Г (Г = Ц). 

Теперь можно посчитать нуклеотиды в двух цепях: А = 25% в первой цепи + 16,7% во второй цепи = 41,7%, Т = А тоже 41,7%, Г = 33,3% в одной цепи + 25% во второй цепи = 48,3%, значит Ц тоже будет 58,3%. 

ОТВЕТ: А = Т = 41,7%, Г = Ц = 58,3%.

Задача 159.
1. Фрагмент молекулы ДНК состоит из нуклеотидов, расположенных в следующей последовательности:
А–Т–Г–Т–Т–Т–Г–Ц–Г–А–А–Т-Ц-Г
1) Достройте комплементарную цепочку ДНК.
2) Найдите длину данного фрагмента ДНК.
3) Найдите массу данного фрагмента ДНК
2. В молекуле ДНК на долю гуаниловых (Г) нуклеотидов приходится 12%. Определите процентное содержание других нуклеотидов в этой ДНК.
Решение:
1. Фрагмент молекулы ДНК состоит из нуклеотидов, расположенных в следующей последовательности

1) По принципу комплементарности А всегда стоит в паре с Т (А = Т), а Г всегда образует пару с Ц (Г = Ц), значит можно достроить вторую цепь ДНК, получим:

1-я цепь ДНК: А–Т–Г–Т–Т–Т–Г–Ц–Г–А–А–Т-Ц-Г
1-я цепь ДНК: Т-А-Ц-А-А-А-Ц-Г-Ц-Т-Т-А-Г-Ц

2) Линейная длина одного нуклеотида в нуклеиновой кислоте: l_н = 0,34 нм = 3,4 ангстрем.
Зная число нуклеотида в цепи, можно вычислить длину ДНК : 14 ^. 0,34 нм = 4,76 нм.
3) Средняя молекулярная масса одного нуклеотида  Mr_н = 345 а.е.м. (Da).
Зная общее число нуклеотида в фрагменте ДНК, можно вычислить молекулярную ДНК, получим:

Mr(ДНК) = 28 ^. 345 = 9660 а.е.м. (Da).

2. В молекуле ДНК на долю гуаниловых (Г) нуклеотидов приходится 12%. Определите процентное содержание других нуклеотидов в этой ДНК.

Согласно принципу комплементарности гуанин всегда стоит в паре с цитозином, значит их количество одинаково, т.е. Г = Ц = 12%, а вместе они составляют 24%. 
Тогда на долю остальных нуклеотидов приходится 100% — 24% = 76%. Поскольку аденин всегда находится в паре с тимином, то А = Т = 76%, а на каждого из них приходится 76 : 2 = 38%. 

Ответ:  А = Т = 38%, Г = Ц = 12%.

Задача 160.
Фрагмент начала гена имеет следующую последовательность нуклеотидов (верхняя цепь — смысловая, нижняя — транскрибируемая):
5’ -Г-Ц-А-А-Г-Т-Ц-Ц-Г-А-Г-Ц-А-А-Г- 3’
3’ -Ц-Г-Т-Т-Ц-А-Г-Г-Ц-Т-Ц-Г-Т-Т-Ц- 5’
1. Постройте иРНК, объясните, как вы это сделали. Обозначьте 3’ и 5’ концы. Как называется этот процесс и где он происходит?
2. Определите последовательность аминокислот во фрагменте полипептидной цепи и обоснуйте свой ответ. Как называется этот процесс и где он происходит?
Решение:
1. Смысловая (кодирующая) цепь ДНК, несет последовательность нуклеотидов, кодирующих наследственную информацию. Матричная (транскрибируемая) цепь, служит матрицей для синтеза иРНК, тРНК, рРНК, регуляторной РНК.
Транскрипция — процесс синтеза молекулы иРНК, происходящий в ядре. Фермент РНК-полимераза подходит к молекуле ДНК и разрывает водородные связи между двумя комплементарными цепочками, после чего молекула ДНК раскручивается. Одна из цепей ДНК является кодирующей (транскрибируемой). Она начинается с 3’ конца; фермент РНК — полимераза движется от 3’ к 5’ концу и в этом же направлении происходит транскрипция (считывание информации), а иРНК синтезируется в направлении 5’ → 3’.
Матричная (транскрибируемая) цепь в нашем случае — 

3’ -Ц-Г-Т-Т-Ц-А-Г-Г-Ц-Т-Ц-Г-Т-Т-Ц- 5’.

На основе кода матричной цепи ДНК строим иРНК, пользуясь принципом комплементарности (А — У, Г — Ц), получим (надо быть внимательными и помнить, что в иРНК отсутствует тимин, вместо него становится урацил):

 ДНК: 3’ -Ц-Г-Т-Т-Ц-А-Г-Г-Ц-Т-Ц-Г-Т-Т-Ц- 5’
иРНК: 5’ -Г-Ц-А-А-Г-У-Ц-Ц-Г-А-Г-Ц-А-А-Г- 3’

2. Перевод последовательности нуклеотидов молекулы иРНК в последовательность аминокислот полипептида — трансляция. 
Полученную иРНК 5’ -Г-Ц-А-А-Г-У-Ц-Ц-Г-А-Г-Ц-А-А-Г- 3’ разбиваем на триплеты (кодоны):

5’ -ГЦА-АГУ-ЦЦГ-АГЦ-ААГ- 3’

Используя таблицу «Генетический код», можно построить белковую молекулу с соответствующими аминокислотами: 

аланин — серин — пролин — серин -лизин.

Между А (аденин) и Т (тимин) образуются две водородные связи, а между Г (гуанин) и Ц (цитозин) — три водородные связи.
Если 80 нуклеотидов соединено двумя связями значит, они образуются между А и Т
.
Найдем количество их по отдельности:
А = Т = 80 / 2 = 40 нуклеотидов
40 нуклеотидов имеют тройную связь, соответственно они образуются между Г и Ц.
Найдем количество каждого из них:
Г=Ц= 40 / 2 = 20 нуклеотидов
Общее число нуклеотидов составляет: 80 + 40 = 120 нуклеотидов
Найдем процентное содержание А и Т:
120 –100%
40 — Х
Х=(40 * 100%)/120 = 33,3% , А = Т = 33,3%
Совместное количество: А + Т = 33,3% + 33,3% = 66,6%
Из этого можем найти количество Г + Ц = 100% — 66,6% = 33,4%
Каждого в отдельности: Г = Ц = 33,4% / 2 = 16,7%
Ответ: А-33,3%; Т-33,3%; Г-16,7%; Ц-16,7%