Практична робота 1.Розв'язання елементарних вправ з молекулярної біології

Практичне заняття №1

Тема. Розв'язання елементарних вправ з молекулярної  біології.                                

Мета: сформувати практичні уміння і навички розв'язування задач і вправ з молекулярної біології.

Матеріально-технічні засоби: інструкційні картки, малюнки "ДНК", "РНК",збірники задач.

Література:

1.  Біологія: 10 кл.6 Підруч. Для загальноосвіт.навч.закл.: рівень стандарту, академічний рівень /П.Г.Балан,Ю.Г.Верес,В.П.Поліщук.- К.:Генеза,2010.:іл.с.74.
2. Овчинніков О.В. Загальна біологія. Збірник задач і вправ. К.: Генеза,2000.

Структура заняття

1. Організаційна частина. Привітання, перевірка присутніх, заповнення журналу та рапортички.
2. Повідомлення теми, формулювання мети.
3. Актуалізація опорних знань. (Тестовий контроль).

1. АТФ означає:

а) аденозинтрифосфорна кислота;
б) аденозиндифосфорна кислота;
в) аденозинмокофосфорна кислота.

2. До складу РНК входить вуглевод:

а) галактоза;
б) дезоксирибоза;
в) рибоза.

3. До складу одного нуклеотиду входять такі речовини:

а) аміногрупа, пентоза, фосфорна кислота;
б) азотиста сполука, гексоза і фосфорна кислота;
в) азотиста основа, пентоза, фосфорна кислота.

4. Який нуклеотид є у ДНК, але відсутній у РНК:

а) урациловий;
б) гуаніловий;
в) тимідиловий.

5. Процес подвоєння молекули ДНК:

а) дисоціація;
б) денатурація;
в) реплікація.

6. Макромолекули ДНК утворюють нуклеотиди:

 а)  урациловий;
 б)  аденіновий;
 в) таміновий.

7. Які сполуки входять до складу АТФ?

а) азотиста основа аденіну;
б) вуглевод рибоза;
в) три молекули фосфорної кислоти.

8. Ферменти - це:

а) вуглеводи;
б) жири;
в) білки.

9. Якою спіраллю є молекула ДНК?

а) одинарна;
б) подвійна.

10. Яка структура молекули АТФ?

а) біополімер;
б) нуклеотид;
в ) мономер.

4. Мотивація навчальної діяльності.

 Одним із найважливіших напрямів біології є молекулярна біологія , яка досліджує закономірності спадковості на рівні молекул ДНК, за допомогою задач можна з’ясувати основні закономірності структури ДНК, РНК та білків.

5.              Видача завдань, вступний інструктаж.

 Розв'язання елементарних вправи з молекулярної  біології.                                 6. Виконання практичної роботи.

 Завдання 6.1. Розв’язання задач.

 Задача 1. Дано ряд нуклеотидів: А (аденін), Т (тимін), У (урацил), Ц (цитозин), Г (гуанін). Визначте, які входять до складу ДНК , які до складу РНК.

Розв'язок.

У нуклеїнових кислотах тільки 4 азотистих основи. До складу ДНК і РНК входять наступні азотисті основи :

ДНК - А (аденін) , Т (тимін) , Г (гуанін) , Ц (цитозин) .

РНК - А (аденін) , У (урацил) , Г (гуанін) , Ц (цитозин) .

Видатний учений Е. Чаргафф визначив, що ці нуклеотиди в нуклеїнових кислотах розташовуються комплементарно, причому загальна кількість пуринів дорівнює загальній кількості піримідинів: (А + Т) + (Г + Ц) = 100% в ДНК ; (А + У) + (Г + Ц) = 100 % в РНК .

 

    Задача 2. На фрагменті одного ланцюга ДНК нуклеотиди розташовані в послідовності:

А - А - Г - Т - Ц - Т - А - Ц - Г - А - Т - Г. Запишіть схему структури дволанцюгової молекули ДНК; поясніть, якою властивістю ДНК при цьому ви керувалися; яка довжина даного фрагмента ДНК. Примітка. Кожен нуклеотид займає 0,34 нм за довжиною ланцюга ДНК.

Розв'язок.

Ділянка одного фрагмента дволанцюгової молекули ДНК виглядає так:

А - А - Г - Т - Ц - Т - А - Ц - Г - А - Т - Г

Т - Т - Ц - А - Г - А - Т - Г - Ц - Т - А - Ц

Дволанцюгова молекула ДНК будується за принципом комплементарності (доповнення). Визначаємо довжину даного фрагмента ДНК.

До фрагменту входить 12 нуклеотидів, довжина кожного - 0,34 нм:

0,34 · 12 = 4,08 нм.

 Задача 3. На фрагменті одного ланцюга ДНК нуклеотиди розташовані в такій послідовності: А - А - Г - Т - Ц - Т - А - Ц - Г - Т - А - Г.

Визначте схему структури дволанцюгової молекули ДНК, підрахуйте відсотковий склад нуклеотидів в цьому фрагменті.

Розв'язок.

Структуру дволанцюгової молекули ДНК визначаємо за принципом комплементарності :

А - А - Г - Т - Ц - Т - А - Ц - Г - Т - А - Г

Т - Т - Ц - А - Г - А - Т - Г - Ц - А - Т - Ц

Для визначення відсоткового складу нуклеотидів треба використовувати співвідношення:

(А + Т ) + ( Г + Ц) = 100%

Підрахуємо загальну кількість нуклеотидів:

А = 7 ; Т = 7 ; Г = 5 ; Ц = 5. Всього 24 . Визначимо, скільки відсотків припадає на один нуклеотид :

24/ 100 = 1 / х

х = 100 · 1: 24 = 4, 17

Тепер можна розрахувати і кількість нуклеотидів:

24 / 100 = 7 / х ;

х = 100 · 7 : 24 = 29,17 (А і Т);

24 / 100 = 5 / х ;

х = 100 · 5 : 24 = 20,83 (Г і Ц ) .

Можна визначити й іншим способом:

7 · 4,17 = 29,17 (А і Т);

5 · 4,17 = 20,83 (Г і Ц ).

   Задача 4. Довжина фрагмента молекули ДНК дорівнює 20,4 нм. Скільки нуклеотидів в цьому фрагменті ?

  

 

Розв'язок.

У всіх організмів, крім деяких вірусів, молекула ДНК дволанцюгова, а розмір одного нуклеотиду становить 0,34 нм.

Визначаємо кількість нуклеотидів в цьому фрагменті:

20,4 : 0,34 = 60 (нуклеотидів).

   Задача 5. У молекулі ДНК виявлено 880 гуанілова нуклеотидів, які складають 22 % від загального числа нуклеотидів в цій ДНК.

Визначте: а ) скільки інших нуклеотидів в цій ДНК? б) яка довжина цього фрагмента?

Розв'язок.

1) І варіант    розв'язоку - Σ (Г) = Σ (Ц) = 880 (це 22%);

На частку інших нуклеотидів припадає: 100 % - (22% + 22%) = 56 % , тобто по 28 %;

Для обчислення кількості цих нуклеотидів складаємо пропорцію:

22% - 880

28% - х , звідси х = 1120 Σ (А ) = Σ (Т);

 ІІ варіант    розв'язоку

880 - 22%

 х - 100%

х = ( 880 · 100) : 22;

х = 4000;

(А + Т) = 4000 - (Г + Ц) ;

(А + Т) = 4000 - (880 · 2) ;

(А + Т) = 2240 (нуклеотидів) ;

А = Т = 2240 : 2 = 1120 (нуклеотидів) .

2) для визначення довжини ДНК потрібно дізнатися, скільки всього нуклеотидів міститься в 1 ланцюзі:

(880 + 880 + 1120 + 1120) : 2 = 2000

2000 · 0,34 = 680 (нм).

   Задача 6. Дана молекула ДНК з відносною молекулярною масою 69 000, з них 8625 припадає на частку аденілових нуклеотидів. Знайдіть кількість всіх нуклеотидів в цій ДНК. Визначте довжину цього фрагмента .

Розв'язок.

1) 69000 : 345 = 200 ( нуклеотидів в ДНК) ,

8625 : 345 = 25 ( аденілових нуклеотидів в цій ДНК) ,

Σ ( Г + Ц) = 200 - ( 25 +25 ) = 150 , тобто їх по 75;

2) 200 нуклеотидів у двох ланцюгах , значить в одній - 100.

100 · 0,34 = 34 (нм).

 

   Задача 8. Ділянка гена має таку послідовність нуклеотидів: ТТТ - ТАЦ - АЦА - ТГТ - ЦАГ. Визначте послідовність нуклеотидів і-РНК і послідовність амінокислот у білковій молекулі, яка синтезується під контролем цього гена .

   Розв'язок.

 ДНК - ТТТ - ТАЦ - АЦА - ТГТ - ЦАГ

і -РНК-ААА - АУГ - УГУ - АЦА - ГУЦ

білок -   ліз  -   мет   -  цис  -  тре  -  вал

 

   Задача 8. Яку довжину має ген, який кодує інсулін, якщо відомо, що молекула інсуліну має 51 амінокислоту, а відстань між нуклеотидами в ДНК складає 0,34 нм?

Розв'язок.

Ген - ділянка ДНК, яка несе інформацію про інсулін. Одну амінокислоту кодує 3 нуклеотиди (триплет) ДНК.

Визначаємо кількість нуклеотидів ДНК, які кодують інсулін:

51· 3 = 153 (нуклеотиди)

Розраховуємо довжину цього гену:

0,34 · 153 = 52,02 (нм).

   Задача 9. Дослідження показали, що в і-РНК міститься 34% гуаніну, 18% урацилу, 28% цитозину, 20% аденіну. Визначте відсотковий склад азотистих основ на ділянці ДНК, яка є мтрицею для данної і-РНК.

Розв'язок.

Відомо, що 34% гуаніну в і-РНК, тоді в ДНК ланцюзі  (кодуючій) буде 34% цитозину, відповідно, 18% урацилу - 18% аденіну, 28% цитозину - 28% гуаніну, 20% аденіну - 20% тиміну (за принцепом комплементарності). А + Т та Г + Ц у кодуючій складає:

А + Т = 18% + 20% = 38%, Г + Ц = 28% + 34% = 62%.

У некодуючому ланцюзі ДНК добуткові показники будуть такі ж самі, тільки відсоток окремих основ беде оборотній:

А + Т =  20% + 18% = 38%, Г + Ц = 34% + 28% = 62%.

В обох ланцюгах у парах комплементарних основ буде донакова кількість, тобто А = Т = 19%, Г = Ц = 31%.

Задача 10.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 соматотропіну 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 ГЕНОМУ

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:

 

Дано:

N (ДНК-нуклеотидів) -  1100;

N (інтронних нуклеотидів) – 100,

120, 130.

N(амінокислот) -?

Розв’язання:

1). 100 + 120 + 130 = 350 ( кількість нуклеотидів, які утворюють інтронні ділянки);

2). 1100 – 350 = 750 ( кількість нуклеотидів, які утворюють екзонні ділянки);

3). 750 : 3 = 250 (амінокислотних залишків).

Відповідь. Цей фрагмент ДНК кодує 250 амінокислот.

 

     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?

 

Дано:

N(Ц-нуклеотидів) – 384 (20%);

N(амінокислот у білку) – 120;

L(нуклеотида) – 0,34 нм;

Мr(нуклеотида) – 345.

 

1.      Нуклеотидний склад гена -?

2.      Мr(інтронних ділянок гена) - ?

3.      Наскільки зріла іРНК коротша за про-іРНК -?

Розв’язання

1.      Визначаємо загальну кількість нуклеотидів у фрагменті ДНК. Оскільки на цитозинові нуклеотиди припадає 20% від їх кількості, то загальна кількість нуклеотидів становить:

384 нуклеотидів – 20%;

Х нуклеотидів – 100%;

Х =(384*100%):20%  = 1920 (нуклеотидів);

 

За принципом компліментарності:

 

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

 

384 нуклеотиди – 20%;                         х = (100%- (Г+Ц)):2= 30%;

Х нуклеотидів – 30%;                           х = (384*30%):20% = 5769 нуклеотидів

А = Т= 576 нуклеотидів.                          

2.      Знаходимо кількість нуклеотидів у екзонних ділянках гена:

1203 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.

 

 

 

Завдання 6.2.Дати відповіді на запитання:

1. Які амінокислоти відносяться до незамінних? 
2. Які функції виконують білки?
3. Які чинники можуть викликати денатурацію білка?

7. Методичні рекомендації.

1. L - довжина однієї  амінокислоти - 0,35 нм ;

2. М - середня молекулярна маса амінокислоти - 100 Дальтон

3. При розщепленні і окисненні 1г жиру виділяється - 38,9 кДж

4. При розщепленні і окисненні 1г білка виділяється - 17,2 кДж

5. При розщепленні і окисненні 1г вуглеводу виділяється - 17,6кДж

6. Інтрони - неінформативні ділянки гена

7.  А - Т ; Ц - Г (комплементарні)

8. Правило  Е. Чаргаффа:  А = Т ; Ц = Г ;    А + Г = Т + Ц;      (А+Т)+(Г+Ц)=100%

9. М - молекулярна маса одного нуклеотида - 350 Дальтон

10. L- довжина однієї пари нуклеотидів ДНК - 0,34 нм

8. Підсумок заняття та оцінка виконаної роботи.
9.  Домашнє завдання. Повторити § 9-12.

Задача. Фрагмент молекули ДНК містить 560 тимінових нуклеотидів, що складає 28% від загальної кількості. 

Визначте :

 а) скільки в даному фрагменті аденінових, гуанінових, цитозинових нуклеотидів? 

б) розмір даного фрагмента.