АЛГОРИТМ ФОРМУВАННЯ ВМІНЬ ВИКОРИСТОВУВАТИ ЗНАННЯ ПРИ РОЗВ’ЯЗАННІ ТИПОВИХ ЗАДАЧ З МОЛЕКУЛЯРНОЇ БІОЛОГІЇ

АЛГОРИТМ ФОРМУВАННЯ ВМІНЬ ВИКОРИСТОВУВАТИ ЗНАННЯ ПРИ РОЗВ’ЯЗАННІ  ТИПОВИХ ЗАДАЧ З МОЛЕКУЛЯРНОЇ БІОЛОГІЇ

Одним із важливих  завдань шкільного курсу «Біологія» є формування в учнів загальнонавчальних та спеціальних умінь. Вміння розв’язувати задачі – один із об’єктивних критеріїв оцінки глибини засвоєння матеріалу.

Практичне застосування здобутих знань під час розв’язуванняя задач сприяє розвитку логічного мислення, творчому, аналітичному підходу до вирішення поставленого питання або проблеми в цілому, що особливо важливо для майбутніх працівників сучасних галузей виробництва, сільського господарства, медицини.

Одиниці вимірювання

В біології використовуються основні та похідні одиниці міжнародної системи одиниць (СО): довжини, маси, енергії, роботи, теплоти тощо.

Одиниці довжини – метр (м).

1 м = 10 дм =100 см =  мк = нм, 1 нм = м.

Одиниці маси – кілограми (кг).

1 кг = г (грамів); 1 г = нг (нанограмів);

1 дальтон – одиниця молекулярної маси, яка дорівнює масі атома Гідрогену.

Одиниця енергії, роботи та кількості теплоти -  джоуль (Дж).

1 Дж = ерг = 0,2388 кал; 1 кал = 4,1868 Дж.

 У процесі розв’язування будь-якої задачі виділяють певні етапи.

1. Аналіз задачі. Уважно прочитайте зміст задачі, осмисліть її та визначте:

• до якого розділу чи темі належить задача,
• знайдіть, що дано і що необхідно знайти.

2. Скорочений запис умови.

• За допомогою умовних позначень коротко запищіть, що дано і що треба знайти (як на уроках хімії чи фізики).
• Подумайте, які з постійних відомих вам величин ви можете використати при рішенні задачі, запишіть їх.

3. Оформлення  запису задачі.

Місце, що залишилось після короткого запису умови задачі, умовно поділіть на дві частини. В лівій частині запишіть данні, які ви будете використовувати, справа – рішення. Дій у задачі може бути декілька. Записуйте їх так: 1) …; 2) …; 3) … тощо.

4. Розв’язування задачі.

• Розв’язуйте  задачу поетапно.
• На кожному етапі стисло формулюйте запитання.
• Ретельно перевіряйте результати розрахунків.
• Перевірте, чи всю інформацію з умови задачі використано.
• За необхідністю оберіть інший спосіб розв’язування.

5. Завершальний етап.

Перевірте правильність розв’язування в цілому, сформулюйте і запишіть остаточну відповідь.

ПРИКЛАДИ РОЗВ’ЯЗАННЯ ЗАДАЧ НА МОЛЕКУЛЯРНІ ОСНОВИ СПАДКОВОСТІ

 Під час розв’язання таких задач необхідно пам’ятати, що:

• довжина одного нуклеотида, або відстань між двома сусідніми вздовж осі ДНК, становить 0,34 нм;
• середня молекулярна маса одного нуклеотида 345 умовних одиниць;
• середня молекулярна маса однієї амінокислоти дорівнює 100 умовних одиниць;
• молекула білка в середньому складається з 200 амінокислот;
• кожну амінокислоту в білковій молекулі кодує триплет нуклеотидів і-РНК (під час трансляції);
• для визначення довжини гена (l) враховують кількість нуклеотидів, яка міститься в одному ланцюзі ДНК;
• для визначення молекулярної маси гена (Mr) враховують кількість нуклеотидів, що міститься у двох ланцюгах ДНК;
• трансляція здійснюється згідно з генетичним кодом;
• для всіх ДНК виконується правило Чаргаффа: А=Т; Г=Ц;
• А+Г = Т+Ц (вміст пуринових азотистих основ – аденіну і гуаніну – дорівнює вмісту піримідинових  азотистих основ – тиміну і цитозину);
• сума  всіх нуклеотидів в молекулі ДНК або РНК (А+Т+Г+Ц чи А+У+Г+Ц) становить 100%.

Задача 1.

На фрагменті одного ланцюга ДНК нуклеотиди розташовані в послідовності, показаній нижче.

… АГТАЦГГЦАТГТАГЦ …

1. Намалюйте схему структури дволанцюгової молекули ДНК.
2. Якою є довжина в нанометрах цього фрагмента?
3. Якою є маса дволанцюгового фрагмента?

Розв’язання

1. Керуючись властивістю ДНК, здатністю до самовідтворення (реплікації), в основі якого лежить  комплементарність, запишемо схему дволанцюгової  ДНК:

2. Довжина одного нуклеотида, або  відстань між двома сусідніми вздовж осі ДНК, становить 0,34 нм. Довжина  дволанцюгового  фрагмента дорівнює довжині одного ланцюга.

l = 15 х 0,34 = 5,1 (нм) (15 - кількість нуклеотидів в одному ланцюгу).

3. Середня молекулярна маса одного нуклеотида 345 умовних одиниць, молекулярна маса фрагмента ДНК:

Мr = 345 х 15 = 5175 (а.о.м)  (30 – кількість нуклеотидів у двох ланцюгах).

Відповідь. Другий ланцюг фрагмента ДНК має таку структуру:  ТЦА – ТГЦ – ЦГТ – АЦГ – ТЦГ ; довжина фрагмента ДНК – 5,1 нм; молекулярна маса фрагмента ДНК – 5175 а.о.м.

Задача 2.

Фрагмент першого ланцюга ДНК має таку нуклеотидну послідовність: ТАЦАГАТГГАГТЦГЦ. Визначте послідовність мономерів білка, закодованого фрагментом другого ланцюга ДНК.

Розв’язання

Відповідь. Послідовність мономерів білка: тирозин – аргінін – триптофан – серин – аргінін.

Задача 3.

Фрагмент ланцюга А білка нормального гемоглобіну складається із 7 амінокислот, розміщених у такій послідовності:

вал – лей – лей – тре – про – глн – ліз.

1. Яка будова фрагмента іРНК, що є матрицею для синтезу цього фрагмента молекули гемоглобіну?
2. Яка будова фрагмента ДНК, що кодує дану іРНК?

Розв’язання-відповідь

Задача 4.

 Біохімічний аналіз показав, що іРНК має 30% аденіну, 18% гуаніну та 20% урацилу. Визначте частку (у %) кожного нуклеотида у відповідному фрагменті дволанцюгової  ДНК?

Розв’язання

Дано:

Задача 5.

 Білок складається зі 124 аміноліслот. Порівняйте відносні молекулярні маси білка та гена, який його кодує.

Розв’язання

Задача 6.

Гормон росту людини (соматотропін) – білок, що містить 191 амінокислоту. Скільки кодуючи нуклеотидів і триплетів входить до складу гена соматотропіну?

Розв’язання

Одну амінокислоту кодує триплет нуклеотидів , отже, до складу гена соматотропну входить 191 триплет.

191 х 3 = 573 (нуклеотиди) – один ланцюг;

573 х 2 = 1146 (нуклеотидів) – обидва ланцюги.

Відповідь. До складу гена соматотропну входить 191 триплет, що містить 1146 нуклеотидів (обидва ланцюги гена).

 Задача 7.

 У хворого на синдром Фанконі (порушення утворення кісткової тканини) із сечею виділяються амінокислоти, яким відповідають наступні триплети іРНК: АУА, ГУЦ, АУГ, УЦА, УУГ, УАУ, ГУУ, АУУ. Визначте, які амінокислоти виділяються із сечею у хворих на синдром Фанконі (див. таблиця «Генетичний код»).

Розв’язання

Амінокіслоти:  ілей,  вал,  мет,  сер,  лей,  тир,  вал,  ілей.

Відповідь. У хворих на синдром Фанконі виділяються із сечею такі амінокислоти: ізолейцин, валін,  метіонін, серін, лейцин, тирозин.

ЕКЗОН-ІНТРОННА ОРГАНІЗАЦІЯ ГЕНОМА

 Більшість структурних генів еукаріот (ділянки ДНК) внутрішньо неоднородні. Вони складаються з екзонних (інформативних) та інтронних (безінформаційних) фрагментів.

 Під час транскрипції в ядрі спочатку синтезується про-іРНК (незріла), яка має в собі як екзони, так і інтрони.  Далі за допомогою комплекса ферментів безінформаційні ділянки вирізаються та руйнуються, а інформативні з’єднюються в новий  полинуклеотидний ланцюг – зрілу іРНК.  Механізм  дозрівання іРНК в ядрі називається сплайсингом.

Задача 1.

 Фрагмент ланцюга молекули ДНК містить 1100  нуклеотидів , з них  100, 120, і 130 нуклеотидів утворюють інтронні ділянки. Визначте, скільки амінокислот  кодує цей фрагмент ДНК:

Задача 2.

 Структурний ген (фрагмент молекули ДНК) містить 384 цитозинових нуклеотидів, що становить 20% від їх загальної кількості. В екзонних ділянках цього гена закодовано білок, який складається із 120 амінокислотних залишків.

1. Який нуклеотидний склад гена?
2. Яка відносна молекулярна маса інтронних ділянок гена?
3. Наскільки зріла іРНК коротша за про-іРНК?

За принципом компліментарності:

Г = Ц = 384 нуклеотиди = 20%. Звідси: А = Т = = 30%.

384 нуклеотиди – 20%;

Х нуклеотидів – 30%;   х = = 576 9нуклеотидів);

А = Т 576 нуклеотидів.

2. Знаходимо кількість нуклеотидів у екзонних ділянках гена:

120. 3 х 2 = 720 (нуклеотидів).

      Знаходимо кількість нуклеотидів у інтронних ділянках гена:

 1920 – 720 = 1200 (нуклеотидів).

 Знаходимо відносну молекулярну масу інтронних ділянок гена:

 Mr(інтр. ділянок гена) = 1200 х 345 = 414 000.

3. Довжина молекули про-іРНК дорівнює довжині структурного гена:

l(про-іРНК) = (384 + 576) х 0,34 = 326,4 (нм).

Зріла іРНК складається лише з інформативної частини. Її довжина становить:

l(зрілої РНК) = 120 х 3 х 0,34 = 122,4 (нм).

Різниця в довжині про-іРНК та зрілої іРНК складає:

326,4 нм – 122,4 нм = 204 нм.

Відповідь. 1. Ген містить по 576 аденінових і тимінових нуклеотидів, і по 384 гуанінових і цитозинових нуклеотиди. 2. Відносна молекулярна маса інтронних ділянок гена – 414 000. 3. Різниця в довжині між про-іРНК та зрілою іРНК – 204 нм.