Практична робота "Задачі з молекулярної біології"

Практична робота № 4 Тема. Розв’язування елементарних вправ з молекулярної біології. Мета: навчитися   застосовувати   теоретичні    знання для   розв’язування   задач    з   молекулярної біології,  моделювати  процес  кодування спадкової  інформації

І частина. Білки. Складні органічні з ҆҆єднання, до складу яких входять хімічні елементи – С, Н, О, N. Білки називають протеїнами (``proteo`` - займаю перше місце), це говорить про те, що всі функції в організмі пов’язані з білками. На частку білків припадає 50 – 80% органічної речовини клітини. Всі білки характеризуються великою молекулярною масою, яка досягає 1,5 млн. умовних одиниць. Білки – це неперіодичні полімери, мономерами яких є 20 різних амінокислот. Будова амінокислоти

Структура білка. Первинна структура. З’єднання між амінокислотами відбувається через функціональні групи: карбоксильну групу однієї амінокислоти і аміногрупу іншої. Внаслідок утворюється міцний ковалентний зв'язок, який називається пептидний. Вторинна структура білка. Утворюється за рахунок скручування білкової молекули в спіраль. Витки спіралі утримуються за рахунок водневих зв’язків між пептидними групами сусідніх витків. Так утворюється α-спіраль.

Третинна структура. Утворюється за рахунок укладки білкової молекули в просторі. В стабілізації третинної структури приймають участь всі типи зв’язків: іонні, ковалентні, водневі, гідрофобні. Четвертинна структура. Утворюється при об’єднанні декількох глобул в один комплекс. Глобули утримуються між собою за рахунок міжмолекулярних взаємодій. Розв’язування задач. Задача 1 Білок вазопресин складається з 9 амінокислотних ланок. Яка його молекулярна маса?Дано: Розв’язування n (амінок.) = 9 m ( 1 амінок.) = 100---------------- m (білка) = 100 × 9 = 900 m (білка) - ? Відповідь: m (білка) = 900 Задача 2 Молекулярна маса каталази 224 000. Скільки амінокислотних ланок в цій молекулі?Дано: Розв’язування m ( білка ) = 224000 m ( 1 амінок.) = 100 ------------------------ n (амінок.) = 224 000 : 100 = 2240n (амінок.) - ? Відповідь: n (амінок.) = 2240

Задача 2 Молекулярна маса каталази 224 000. Скільки амінокислотних ланок в цій молекулі?Дано: Розв’язування m ( білка ) = 224000 m ( 1 амінок.) = 100 ------------------------ n (амінок.) = 224 000 : 100 = 2240n (амінок.) - ? Відповідь: n (амінок.) = 2240 Задача 3 Білок складається з 400 амінокислот. Визначте довжину білка, якщо половина білкової молекули скручена в α – спіраль. Дано: Розв’язування n (амінок. ) = 400 1. Довжина не згорнутого білка1⁄2 – в α – спіраль 400: 2 = 200 (аміном.)---------------------- l (1 амінок. ) = 0,35 нмl (білка) - ? l (білка ) = 0,35 х 200 = 70нм 2. Довжина згорнутого в α – спіраль білка 1 виток = 3,6 амінокислот n (витків) = 200 : 3,6 = 55 (витків) l (1 витка) = 0, 54 нм l (білка) = 0, 54 х 55 = 29,7 нм 3. Загальна довжина білкової молекули 70 нм + 29,7 нм = 99, 7 нм Відповідь : l (білка) = 99,7 нм.

Задачі для самостійного розв’язування Молекулярна маса пепсину 35 500. Скільки амінокислотних ланок в цій молекулі? Яка довжина первинної структури білка?Білок складається з 800 амінокислот. Визначте молекулярну масу білка і довжину білкової молекули, якщо половина білка згорнута в α – спіраль.

ІІ частина Нуклеїнові кислоти (ДНК і РНК) Несуть спадкову інформацію про структуру білка. Інформація записана в ДНК – матриці чотирма видами нуклеотидів. РНК синтезується по ДНК під час транскрипції і є її копією. ДНК складається з двох ланцюгів, які утворюють подвійну спіраль. Відстань між ланцюгами дорівнює 20 Ǻ, один виток спіралі включає 10 нуклеотидів і має довжину 34 Ǻ. Ланцюги є антипаралельними, тобто, якщо один ланцюг починається 5 ́-кінцем з фосфатом, то другий розпочинається 3 ́-кінцем з гідроксильною групою. З’єднання між ланцюгами відбувається за рахунок водневих зв’язків за принципом комплементарності ( А - Т, Г - Ц ). А з Т – двома водневими зв’язками, Г з Ц - трьома водневими зв’язками.

Відомості, що необхідні для розв'язання задач з молекулярної біологіїУсі наведені нижче чисельні величини є усередненими.1. Молекулярна маса нуклеотиду 345 г/моль.2. Молекулярна маса амінокислоти 100 г/моль.3. Відстань між сусідніми нуклеотидами ДНК, розташова­ними в одному ланцюжку, — 0,34 нм.4. Довжина одного повного витка ДНК — 3,4 нм, тобто на один повний виток ДНК припадає 10 нуклеотидів одного лан­цюжка ДНК і 10 нуклеотидів другого - разом 20. 5. 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%.

Принцип комплементарності А = Т Г = ЦРНК ДНКУ АА ТЦ ГГ Ц Правило Чаргаффа (А + Т) + (Г + Ц) = 100 % А+Г=Т+Ц Загальні величини амінокислот і нуклеотидівl. АК = 0,36 нм — довжина амі­нокислоти;l н-ду =0,34 нм — довжина од­нієї пари нуклеотидів ДНК;Мак= 100 а.о.м.- середня маса амінокислоти;Мн-ду = 345 а.о.м. - се­редня маса нуклеотиду.

І. Розв'язування вправ на знаходження послідов­ності нуклеотидів у молекулі ДНК. Вправа 1. Один із ланцюгів молекули ДНК мае таку послідовність нуклеотидів:а) -Ц-А-Г-Ц-Г-Т-А-Ц-Г-Т-Т-Ц-Г-;б) -Т-Г-А-Ц-Ц-А-Г-А-Т-А-Ц-Т-Т-;в) -А-Г-Г-Ц-Ц-Т-А-Г-Г-Ц-Т-А-А-. Яку послідовність нуклеотидів має другий лан­цюг цієї самої молекули?Розв'язання. Послідовність нуклеотидів у друго­му ланцюзі ДНК визначається відповідно до прин­ципу комплементарності: I ланцюг: -Ц-А-Г-Ц-Г-Т-А-Ц-Г-Т-Т-Ц-Г-;II ланцюг: -Ґ-Т-Ц-Г-Ц-А-Т-Г-Ц-А-А-Г-Ц-.

П. Розв 'язування задач на визначення будови іРНК за будовою ДНК. Фрагмент одного з ланцюгів ДНК має таку по­слідовність нуклеотидів: - Т-А- Ц-А-Т-Г-Г-Т-Т-Ц-Г-Ц-А-Т-Ц. Напишіть будову, молекули іРНК, що утворюється в процесі транскрипції на цій ділянці молекули ДНК. Розв'язання. Послідовність нуклеотидів молеку­ли іРНК визначається-відповідно до принципу ком­плементарності, але при цьому враховується, що до іРНК замість тимінового нуклеотиду входить урациловий нуклеотид.-Т-А-Ц-А-Т- Г-Г-Т -Т-Ц- Г-Ц-А-Т-Ц.-А-У-Г-Т-А-Ц-Ц-А-А-Г- Ц-Г-У-А-Г.

ІІІ. Розв'язування задач на знаходження довжини і молекулярної маси фрагмента молекули ДНК. Задача 2. Фрагмент одного ланцюга молекули ДНК має такий нуклеотидний склад:-Г-Г-Г-Ц-А-Т-А-А-Ц-Г-Ц-Т. Виз­начити: а) послідовність нуклеотидів фрагмента другого ланцюга молекули ДНК; б) довжину цієї ділянки ДНК. Розв'язання, а) І ланцюг: - Г- Г-Г- Ц-А-Т-А-А-Ц-Г-Ц-Т. II ланцюг: -Ц-Ц-Ц-Г-Т -А-Т-Т -Г-Ц-Г-А.б) фрагмент молекули ДНК складається з 12 нуклеотидів, отже, його довжина становить 0,34 • 12 = 4,08 нм. Відповідь. Довжина фрагмента ДНК становить 4,08 нм. Задача 1 Яка довжина і молекулярна маса молекули ДНК, яка складається з 30 нуклеотидів?Дано: Розв’язування :n (нуклеот. ) = 30 l (1 нукл. ) = 0,34 нм ------------- l (гену ) = 0,34 х 30 = 10,2 нмl - ? m (1 нукл. ) = 345m - ? m ( гену ) = 345 х 30 = 10 350 Відповідь: l (гену ) =10,2 нм, m ( гену ) = 10 350

І\/ Розв'язування задач на знаходження числа нук­леотидів у молекулі ДНК. Задача 1 Фрагмент молекули ДНК містить 12 000 аденілових нуклеотидів, що складає 40% загальної кількості. Скільки інших нуклеотидів в цьому фрагменті? Дано: Розв’язування :n (А ) = 12 000 – 40 % 1. Знаходимо загальну кількість нуклеотидів.---------------------------- 12 000 – 40 %n (Т) - ? х - 100 % n (Г) - ? х = 12 000 х 100 : 40 = 30 000 n ( Ц ) - ? 2. А = Т = 12 000, n (Т) = 12 000 3. Г + Ц = 30 000 – 24 000 = 6 000 4. Г = Ц = 6 000 : 2 = 3 000, Відповідь: n (Г) = 3 000, n (Ц) = 3 000.

 Задача 2. 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: А(іРНК)= 30%;Г (іРНК) = 18%;У(іРНК)= 20%.  А(ДНК)- ? Т(ДНК)- ? Г(ДНК)  - ? Ц(ДНК)-?Визначаємо відсоток цитозинових нуклеотидів у даній іРНК:      Ц (іРНК)=100% - (А(іРНК)+У(іРНК)+Г(іРНК)) =      = 100% - (30% +20% + 18%) = 32%. Визначаємо відсоток аденінових і тимінових нуклеотидів (окремо) у фрагменті ДНК:     А(ДНК)= Т(ДНК) = (А(іРНК)+У(іРНК)) : 2 = (30% + 20%) : 2 = 25%. Визначаємо відсоток гуанінового і цитозиновог нуклеотидів (окремо) у фрагменті ДНК:  Г(ДНК)=  Ц(ДНК)= (Г(ДНК)+Ц(ДНК)) : 2 = (18% + 32%) : 2 = 25%. Відповідь. Частка кожного нуклеотида у відповідному фрагменті дволанцюгової ДНК становить 25%.

Задача 3. У молекулі ДНК одного виду тва­рин масова частка тиміну становить 15% від загальної кількості нуклеотидів. Враховуючи принцип комплементарності поєднання азотис­тих основ у молекулі ДНК, визначити їх масову частку (%)Розв 'язання. А = Т = 15 %\ А + Т = 30 %;Г + Ц = 100 - 30 = 70 (%); Г = Ц = 70 : 2 = 35 %. Відповідь. Масова частка аденіну — 15 %, гуані­ну і цитозину — по 35 %. IV. Розв'язування задач на знаходження числа нук­леотидів у молекулі ДНК.

V. Самостійне розв’язування задач. Задача 1. Один з ланцюгів молекули ДНК має такий вигляд: ГЦГ- ГГТ- ГГА –ТАА- ЦТА -ГЦЦ. Який вигляд матиме другий ланцюг цієї молекули ДНК, синтезований під час її самоподвоєння?Задача №2 На ділянці ДНК, яка має склад Ц-А-Т-Г-Г-Ц-Т-А-Т, синтезований фрагмент іРНК, вкажіть його склад. Задача №3 Один з ланцюгів молекули ДНК має таку послідовність нуклеотидів: ТГГ – АГЦ – ГГГ – ААЦ – ТГА Запишіть послідовність нуклеотидів ланцюга, комплементарного даному. Визначте довжину і молекулярну масу фрагмента, що ви отримали. Задача 4. Молекула іРНК складається з такої послідовності нуклеотидів: УУЦ -ГАА –ЦГА- УУГ- УЦГ- ЦЦГ-. Якою буде будова молекули ДНК, на одному з ланцюгів якої була синтезована дана молекула іРНК?Задача №5 Відомий склад іРНК: аденіну – 41%, гуаніну – 7%, урацилу – 39%. Визначити нуклеотидний склад відповідної ділянці ДНК. Задача №6 Фрагмент одного ланцюга молекули ДНК має таку послідовність нуклеотидів: …ТТГ – АГЦ – АЦГ – ГТА – ААТ – ЦГА …1. Побудувати схему дволанцюгової ДНК.2. Яку довжину має цей фрагмент ДНК?3. Яку масу має дволанцюговий фрагмент ДНК?Задача №8 Довжина фрагмента ДНК 221 нм. Визначте кількість нуклеотидів у цьому фрагменті.