Методичні рекомендації до уроку з теми: Практична робота «Розв’язування задач з молекулярної біології».

Департамент освіти і науки

Ліцей №1 Гостомельської селищної ради

                                    Бучанського району  Київської області

Методичні рекомендації до уроку з теми:

Практична робота

«Розв’язування задач з молекулярної біології».

                           Автор проєкту:

                                                    Смолянчук Наталія Вікторівна

                                                                      вчитель біології та географії

                                                            Ліцею №1 Гостомельської селищної ради

                                                            Бучанського району  Київської області

Гостомель-2024

Як розв’язувати задачі з молекулярної біології?

При розв’язуванні задач і вправ з молекулярної біології слід пам’ятати:

спадкова інформація закодована в ДНК, тільки у ретровірусів у РНК;

ДНК – дволанцюгова спіраль, утворена залишками нуклеотидів

 (А – аденіловий, Т – тимідиловий, Г – гуаніловий, Ц – цитидиловий);

 Мr нуклеотиду – 345 Да, відстань між нуклеотидами – 0,34 нм, виток спіралі – 10 пар нуклеотидів (3,4 нм);

нуклеотиди РНК: А, Г, Ц, У (уридиловий);

у протилежних ланцюгах нуклеотиди розміщені за принципом комплементарності -  А навпроти Т, Г навпроти Ц, між ними водневі зв’язки

 А = Т, Г ≡ Ц. Звідси А + Г = Т +Ц, тобто (А + Т) + (Г + Ц) = 100%;

Нуклеотид            ДНК складається з трьох частин – азотистої основи, дезоксирибози та залишку фосфорної кислоти;

 про   іРНК синтезується за принципом комплементарності на ДНК (транскрипція), при цьому переписуються і екзони, і інтрони. В еукаріотів після транскрипції відбувається сплайсинг – видалення ділянок про іРНК , які відповідають інтронам, і з’єднання ділянок, які відповідають екзонам, внаслідок чого утворюється зріла іРНК; генетичний код є триплетним

 амінокислоту кодує триплет нуклеотидів (кодон); амінокислоту приносить до місця синтезу білка тРНК, яка на верхівці має триплет нуклеотидів (антикодон);

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                    транскрипція – це синтез іРНК за матрицею ДНК. Трансляція – це синтез поліпептидного ланцюга за матрицею інформаційної (матричної) РНК. Час приєднання однієї амінокислоти – 0,2 секунди (один «крок» рибосоми).

Mr  амінокислоти – 100 Да.  Довжина l(амінокислоти)  -  0, 35 нм

Задача 1.

Розчин тиміну з радіоактивною міткою внесено у поживне середовище з клітинами моркви, що культивуються. У яких клітинних органелах буде виявлене мічений тимін під час радіографії?

Розв’язання.

Тимін буде використаний для синтезу ДНК, яка в клітині може бути локалізована в ядрі, пластидах або мітохондріях.

Задача 2.

Фрагмент одного з ланцюгів ДНК має послідовність нуклеотидів:

 ТАЦ – АТГ – ГТТ – ЦГЦ – АТЦ.

Який нуклеотидний склад іРНК, транскрибованої по протилежному ланцюгу ДНК?

Які види тРНК приносять амінокислоти до місця синтезу білка?

         Розв’язання.

ДНК:

ТАЦ – АТГ- ГТТ – ЦГЦ – АТЦ

АТГ – ТАЦ – ЦАА – ГЦГ – ТАГ

іРНК:

УАЦ – АУГ – ГУУ – ЦГЦ – АУЦ

тРНК:

АУГ    УАЦ    ЦАА    ГЦГ    УАГ

Задача 3.

 Поліпептид складається з 10 амінокислот, розташованих у такій послідовності: Глн – Про – Ала – Сер – Мет – Тир – Асп – Глі – Асп – Гіс.

Визначити структуру іРНК,  що кодує даний поліпептид. Скільки часу треба для синтезу для цього поліпептиду?

Розв’язання.

іРНК:

ЦАА – ЦЦУ – ГЦУ – АГУ – АУГ – УАУ – ГАУ – ГГУ – ААУ – ЦАУ

Час приєднання однієї амінокислоти – 0,2 секунди.

t (трансляція) = 10 х 0,2= 2 (секунди).

Задача 4.

 Скільки амінокислот закодовано в структурному гені з 1188 нуклеотидів

 (1 ланцюг ДНК), якщо останній має три інтронні ділянки з такою кількістю нуклеотидів: 105, 101, 136.

Розвязання.

1.                 Визначаємо кількість нуклеотидів у екзонах:

N (нукл. екзонів) = 1188 – ( 105 + 101 + 136) = 846 (нуклеотидів)

2)Визначаємо кількість амінокислот, закодованих у зрілій іРНК:

N (ам – т)    =  282 (амінокислоти)

Відповідь: у гені закодовано 282 амінокислоти.

 Задача 5.

 Відносна молекулярна маса білка 50  000, а амінокислоти – 100. Визначити відносну молекулярну масу та довжину гена, який кодує цей білок.

Розв’язання.

1.     Визначаємо кількість амінокислот у молекулі білка:

            N (ам-т) = 50 000 : 100= 500 (амінокислот)

2.     Визначаємо кількість нуклеотидів у фрагменті ДНК (дволанцюгова). В першому ланцюгу – 500 х 3 = 1500 (нуклеотидів); в двох ланцюгах

разом - 1500 х 2 = 3000 (нуклеотидів даної ДНК)

3.     Визначаємо відносну молекулярну масу гена:

Mr (гена) = 3000 х 345 = 1 035 000 (Да)

4.     Визначаємо довжину гена.

l(гена)  = 1500 х 0,34 = 510 нм.

Відповідь: відносна молекулярна маса гена 1 035 000 Да; довжина гена 510 нм.

 Задача 6.

 Відносна молекулярна маса гена, що кодує вироблення у людини гормону соматотропіну, 395 370. Яка довжина цього гена? Скільки залишків амінокислот входить до складу соматотропіну?

Розв’язання
1) Визначаємо кількість нуклеотидів,які входять до складу гена що кодує вироблення соматотропіну:
N (нукл.гена) = 395370 : 345 = 1146 (нуклеотидів) або 573 пари.
2) Визначаємо довжину гена:
l(гена) = 573 х 0,34 = 194,82(нм)
3) Визначаємо кількість амінокислотних залишків у молекулі соматотропіну :
N (залишків ам-ти) = 573 : 3 = 191 (залишок ам-т)
Відповідь: довжина гена,який кодує синтез соматотропіну, дорівнює

194,82 нм. До складу соматотропіну входить 191 залишок амінокислот.

Задача 7

До складу молекули ДНК входить 2600 аденілових нуклеотидів. Що становить 16% від загальної кількості. Визначити кількість та відсотковий вміст гуанілових нуклеотидів.

 Розв’язання.

1.     Визначаємо загальну кількість нуклеотидів молекули ДНК:

  = 16250 (нуклеотидів)

2.     Визначаємо кількість гуанілових нуклеотидів:

= 5525 (нуклеотидів)

W (г) =   = 34%

Відповідь: 5525 гуанілових нуклеотидів, що становить 34%

Задача 8

 За даними біохімічного аналізу в молекулі іРНК 20% аденілових, 36% уридилових, 24% цитидилових нуклеотидів. Визначити відсотковий вміст нуклеотидів у складі ДНК, з якої транскрипцією отримана дана іРНК.

Розв’язання.

1.     Визначаємо відсотковий вміст гуанілового нуклеотиду в молекулі і РНК:

W(г) = 100% - (20% + 36% + 24%) = 20%

2.     Визначаємо відсотковий вміст нуклеотидів ДНК.

ДНК

іРНК   Транскрибований   Комплементарний

    ланцюг    ланцюг

      У – 36%           А – 18%           Т – 18%

      А – 20%           Т – 10%           А – 10%

      Ц – 24%           Г – 12%           Ц – 12%

      Г – 20%           Ц – 10%           Г – 10%

Відповідь: у молекулі ДНК відсотковий вміст:

         А і Т нуклеотидів по 28% (18 + 10);

         Ц і Г нуклеотидів по 22% (12 + 10).

 Задача 9

Структурний ген, що кодує синтез ферменту РНК-полімерази, включає 9450 пар нуклеотидів. Відомо, що цей фермент утворюють 329 амінокислотних залишків. Скільки екзонних і інтронних пар входить до складу гена, що кодує синтез фермента РНК-полімерази? Яка молекулярна маса зрілої РНК?

 Розв’язання

1.     Визначаємо кількість нуклеотидів зрілої іРНК (екзонних нуклеотидів):

N (нукл. іРНК) = 329 х 3 = 987 (нуклеотидів РНК), або 987 екзонних пар ДНК (гена).

2.     Визначаємо кількість інтронних пар нуклеотидів:

N (пар нукл. нітронів) = 9450 – 987 = 8463 (пари)

3.     Визначаємо відносну молекулярну масу зрілої іРНК:

Mr (зрілої іРНК) = 987 х 345 =340515 Да

Відповідь: 987 кодуючих і 8463 пари некодуючих нуклеотидів входять до складу структурного гена, що кодує синтез ферменту РНК-полімерази. Відносна молекулярна маса зрілої іРНК 340515 Да

Задача 10

 Проведене дослідження показало, що в молекулі про-іРНК знаходиться 3600 залишків фосфатної кислоти, а після сплайсингу вона мала 3000 залишків рибози. Визначте , скільки амінокислот закодовано в молекулі зрілої іРНК та яку відносну молекулярну масу матиме відповідний поліпептид.

 Розв’язання

1.                 Визначаємо кількість нуклеотидів у зрілій іРНК:

       N (нуклеотидів зрілої іРНК) = N (залишків рибози) = 3000 (нуклеотидів)

2.     Визначаємо кількість амінокислот, закодованих в іРНК:

      N (амінокислот) = 3000 : 3 =  1000 (амінокислот)

3.     Визначаємо відносну молекулярну масу синтезованого поліпептиду:   

Mr (поліпептиду) = 1000 х 100 = 100 000 Да

Відповідь: у зрілій іРНК закодовано 1000 амінокислот. Відносна молекулярна маса поліпептиду 100 000 Да

       Задача 11

Ген, що кодує білок В, містить 5 інтронів по 1000 пар нуклеотидів і 3 екзони, кожен з яких складається із 180 пар нуклеотидів. Визначити:

1.     Скільки пар нуклеотидів у складі даного гена?

Скільки нуклеотидів міститься у складі кодуючої зони іРНК?

2.     Скільки амінокислотних залишків має даний білок?

 Розв’язання

1.     Визначаємо кількість пар нуклеотидів у складі гена:

N (пар нукл. гена)  = 5 х 1000 + 3 х 180 = 5540 (пар)

2.     Визначаємо кількість нуклеотидів іРНК:

N(нукл. іРНК) = 3 х 180 = 540 (нуклеотидів)

3.     Визначаємо кількість амінокислотних залишків у синтезованому білку В:

N (ам-них залишків) = 540 : 3 = 180 (амінокислотних залишків)

Відповідь: ген містить 5540 пар нуклеотидів; зріла іРНК – 540 нуклеотидів; білок містить 180 амінокислотних залишків.

Задача 12

 На утворення одного пептидного зв’язку витрачається одна молекула АТФ, на транспорт амінокислоти – 2 молекули АТФ. Синтезується 2 молекули білка з однаковою кількістю амінокислотних залишків; іРНК, що кодує структуру одного білка, утворена 120 нуклеотидами. Скільки потрібно глюкози для забезпечення енергією трансляції за умови, що глюкоза розщеплюється повністю?

 Розв’язання

1.     Визначаємо кількість амінокислот у 2 молекулах білка:

N(ам-т) = 120 : 3 x 2 = 80 (ам-т)

2.     Визначаємо кількість АТФ, необхідної для утворення 80 пептидних зв’язків:

N(АТФ на синтез білка)  = 1 x 80 = 80 (АТФ)

3.     Визначаємо кількість АТФ, необхідної для транспорту 80 амінокислот:

N(АТФ на транспорт ам-т) = 2 х 80 =160 (АТФ)

4.     Визначаємо загальну кількість енергії, необхідної для цих процесів:

80 + 160 = 240 (АТФ)

5.     Визначаємо кількість глюкози, яка забезпечить синтез пептидних зв’язків і транспорт амінокислот:

N(молекул глюкози) = 240 : 38 = 6,3 (молекули глюкози)

   Відповідь: щоб забезпечити синтез 2 молекул білків, необхідно приблизно 6 молекул глюкози.

Задача 13

У зоні росту чоловічої та жіночої статевих залоз міститься по 10 000 первинних статевих клітин. Скільки  яйцеклітин та сперматозоїдів з них утвориться?

 Розв’язання.

За зоною росту знаходиться зона дозрівання, де відбувається мейоз. З кожної первинної статевої клітини шляхом двох послідовних поділів мейозу утворюється 4 гаплоїдні клітини.

 У яєчках утворюється 40 000 сперматозоїдів. У яєчниках - 10 000 яйцеклітин і 30 000 полярних тілець.

 Задача 14

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

Розв’язання.

 Визначаємо відносну молекулярну масу білка:

 124 х 100 = 12400 (Да)

 Визначаємо кількість нуклеотидів у складі гена, що кодує даний білок:

 124 х 3 х 2 = 744 (нуклеотиди).

 Визначаємо відносну молекулярну масу гена:

 744 х 345 = 256 680 (Да).

 Визначаємо, у скільки разів ген важчий за білок:

 256 680 : 12400 = 20, 7 (разу).

 Відповідь: відносна молекулярна маса гена у 20, 7 разу більша, від кодованого ним білка.

Задача 15

Перший ланцюг фрагмента гена має таку структуру:

ТАТ – ТЦТ – ТТТ – ТГТ – ГГА – ЦГЦ…

1.               Укажіть структуру відповідного фрагмента молекули білка, синтезованого за участі другого ланцюга ДНК
2.               Як зміниться структура фрагмента синтезованого білка, якщо в першому ланцюзі ДНК під дією хімічних факторів випаде 11-й нуклеотид?

Розв’язання.

1.               Перший ланцюг ДНК: ТАТ – ТЦТ – ТТТ – ТГТ – ГГА – ЦГЦ

Другий ланцюг ДНК:  АТА – АГА –ААА - АЦА - ЦЦТ – ГЦГ

                          іРНК:  УАУ -  УЦУ - УУУ –УГУ - ГГА -   ЦГЦ

                     Білок:                  тир   -  сер   -  фен   - цис   - глі    -  арг

2.               Під дією хімічних факторів у першому ланцюзі ДНК випав одинадцятий нуклеотид:

Перший ланцюг ДНК: ТАТ – ТЦТ – ТТТ – ТТГ – ГАЦ – ГЦ…

Другий  ланцюг ДНК:  АТА –АГА –ААА –ААЦ – ЦТГ – ЦГ…

                           іРНК:  УАУ –УЦУ –УУУ – УУГ – ГАЦ –ГЦ…

                          Білок:   тир   -  сер   - фен   - лей    - асп    -

Відповідь.

1. Амінокислотний склад молекули білка:

Тирозин – серин – фенілаланін – цистеїн – гліцин – аргінін.

2.Після випадання 11-го нуклеотиду в першому ланцюзі ДНК структура фрагмента синтезованого білка набуде такого вигляду:

тирозин – серин – фенілаланін – лейцин – аспарагінова кислота.

Практична робота № 2

Тема. Розв’язування елементарних вправ з транскрипції та трансляції.

 Варіант №1.

1. Скільки і які амінокислоти кодує молекула _мРНК, якщо вона синтезована на ділянці молекули ДНК, що складається з таких нуклеотидів: ААГТЦАГЦАЦТЦЦАААТТ?        
2.  (6, фен – сер – арг – глу – вал – стоп)

3. Материнський ланцюг молекули ДНК має таку послідовність нуклеотидів: АТГЦЦГТАГГЦТ. Скільки водневих зв’язків виникає між ними та комплементарними нуклеотидами дочірнього ланцюга цієї молекули, синтезованого в процесі реплікації?          (31)

4. Ділянка молекули ДНК має такий вигляд:

АТА ГТЦ ЦГА ГТА ТЦЦ

ТАТ ЦАГ ГЦТ ЦАТ АГГ

Який з двох ланцюгів цієї молекули ДНК кодує поліпептид, що складається з таких амінокислотних залишків:

Ізолейцин – валін – аргінін – валін – серин?          (Другий)

5. Якою послідовністю нуклеотидів молекули ДНК кодується ділянка молекули білка, якщо він має таку будову: серин – гліцин – аспарагін – цистеїн – серин – лізин – валін – аргінін?          (АГА-ЦЦА-ТТА-АЦА-АГА-ТТТ-ЦАА-ГУА)

6. Відносна молекулярна маса білка 220 000 Да. Яка довжина первинної структури цього білка?          (770 нм)

Використані джерела інформації

1. А.І. Остапченко, П.Г. Балан, В.П. Поліщук. Біологія 9 клас Київ «Генеза» 2017 256 с.

2. І.В. Барна. Біологія ЗНО 2015. Тернопіль. Видавництво «Підручники і посібники» 2015. – 480с.

3. Лабораторні та практичні роботи з біології 10 клас. Т.О. Сало, Л.В. Деревинська. – Х.: ТОВ «Українська торгова мережа», 2010. – 72с.

4.  І.В Барна., М.М. Барна., Л.С. Барна. Біологія. Задачі та розв’язки: навчальний посібник. – 5-те вид. – Тернопіль: Мандрівець, 2008. – 384 с.

5. medbib.in.ua/geneticheskiy-kod-svoystva-geneticheskogo.html

https://uk.wikipedia.org/wiki/Генетичний_код