В розробці даний короткий опис теоретичного матеріалу з теми "Молекулярна біологія", наведені приклади розв'язування типових задач, задачі для самостійного розв'язування.
Підбірка буде цікава вчителям при підготовці до уроків, а також для учнів, які готуються до участі в олімпіадах, зовнішнього незалежного оцінювання з біології.
Включений матеріал про інтрон-екзонну будову гену, принципи регуляції роботи генів, рестрикційний аналіз, секвенування.
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 = 2240
n (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 білка
1⁄2 – в α – спіраль 400: 2 = 200 (аміном.)
---------------------- l (1 амінок. ) = 0,35 нм
l (білка) - ? l (білка ) = 0,35 х 200 = 70нм
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
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.
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.
Розв’язування задач
Задача 1
В молекулі ДНК аденілові нуклеотиди складають 15% від загальної кількості. Який відсоток інших нуклеотидів?
Дано: Розв’язування :
n (А) = 15% А = Т = 15 %
---------------- А + Т = 30 %
n (Т) - ? Г + Ц = 100 % - 30 % = 70 %
n (Г) - ? Г = Ц = 35 %
n ( Ц) - ? Відповідь: n (Т) = 15 %, n (Г) = 35 %, n ( Ц) = 35 %.
Задача 2
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,
n (Г) = 3 000, n (Ц) = 3 000.
Задача 3
Дослідження показали, що 34 % загальної кількості нуклеотидів і-РНК припадає на гуанін, 18 % на урацил, 28% на цитозин і 20% на аденін. Визначте відсотковий склад ділянки молекули ДНК, з якої зчитується інформація.
Дано: Розв’язування :
Склад і-РНК і – РНК: Г- 34% - У – 18% - Ц – 28%- А – 20%
n (Г) = 34% ( 1 ланцюг ) – 100%
n ( У ) = 18% ДНК ( 2 ланцюги ) – 100 %, відповідно:
n ( Ц ) = 28% ( Г + Ц) : 2 = (34% +28% ) : 2 = 31% ( Г = Ц )
n ( А ) = 20% (А + У ) : 2 = ( 20% + 18%) : 2 = 19% ( А = Т )
------------------- Відповідь: Склад ДНК: n (А) = 19%, n (Т ) = 19%,
Склад ДНК - ? n ( Г ) = 31 %, n (Ц ) = 31 %.
Задача 4
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 нм
l - ? m (1 нукл. ) = 345
m - ? m ( гену ) = 345 х 30 = 10 350
Відповідь: l (гену ) =10,2 нм,
m ( гену ) = 10 350
Задачі для самостійного розв’язування
АТГ ГАЦ АЦГ ТГА. Визначте послідовність нуклеотидів в другому ланцюзі ДНК і довжину цієї ділянки ДНК.
5. Один із ланцюгів молекули ДНК мас склад АТГЦЦГТА. Скільки водневих зв’язків утворюють два ланцюги цієї молекули між собою?
6. Скільки залишків рибози містить РНК, що синтезована на фрагменті ДНК з 2400 нуклеотидами?
Інтрон-екзонна організація гену
В процесі транскрипції – переписуванні інформації з ДНК, утворюється гя- РНК (гетерогенна ядерна РНК). Вона містить кодуючи ділянки – екзони і некодуючі – інтрони. Характерна для еукаріот і ціанобактерій. В процесі транскрипції гя-РНК відбувається процесінг (кепірування і утворення poly-А послідовності). Цей процес характерний лише для процесінгу РНК, які синтезуються РНК-полімеразою ІІ. Кепірування – це приєднання до 5 ´- кінця синтезованої РНК фосфорильованого гуаніну – ковпачка кепа. За допомогою нього відбувається розпізнавання молекул
м-РНК малими субодиницями рибосоми. Поліаденілірування – це приєднання до 3 ´- кінця poly-А послідовності – залишків аденілової кислоти. Вважають, що ця послідовність забезпечує подальший процесінг і транспорт зрілої м-РНК з ядра.
Внаслідок сплайсингу – процесу вирізання інтронів і зшивання екзотів утворюється і- РНК. Здійснює цей процес мя-РНК за участю ферментів і енергії АТФ. Утворюється РНК, яка складається лише з кодуючи ділянок. Вирізання відбувається по спеціальним специфічним послідовностям, які служать сигналами для сплайсингу. Мя-РНК своїми нуклеотидними послідовностями комплементарно взаємодіє з кінцевими ділянками інтронів, які утворюють при цьому замкнені петлі.
В наш час доведена можливість альтернативного сплайсингу, при якому з одного і того ж первинного транскрипту, внаслідок видалення різних інтронних ділянок, можуть утворюватись різні м-РНК.
Розв’язування задач
Задача 1
Структурний ген ферменту РНК-полімерази містить 9 450 пар нуклеотидів. Відомо, що РНК – полімераза складається з 329 амінокислотних залишків. Скільки кодуючи і некодуючих нуклеотидних пар міститься в гені РНК-полімерази? Яка молекулярна маса зрілої і-РНК?
Дано: Розв’язування
n (пар нуклеотидів) = 9 450 1. 1 амінокислота – 3 нуклеотиди
n(амінокислот) = 329 329 амінокислот – х нуклеотидів
-------------------------------- х = 329 х 3 = 987 (нуклеотидів)
Екзони (пар нуклеотидів) -? 2. Екзони – 987 пар нуклеотидів
Інтрони (пар нуклеотидів) -? Інтрони – 9 450 – 987 = 8 463 (пар нукл.)
m (і-РНК) -? 3. m (і-РНК) = 987 х 345 = 340 515
Відповідь : Екзони – 987 п. н.,
Інтрони – 8 463п. н.,
m (і-РНК) - 340 515
Задача 2
Молекула про-і-РНК складається з 900 нуклеотидів, причому на інтронні ділянки припадає 300 нуклеотидів. Визначте довжину і масу молекули і-РНК, яка братиме участь в трансляції.
Дано: Розв’язування
n (нукл.) = 900 1. n ( екзони) = 900 – 300 = 600
n (інтрони) = 300 2. l (і-РНК) = 0,34 х 600 = 204 (нм)
--------------------- 3. m (і-РНК) = 345 х 600 = 207 000
l (і-РНК) - ? Відповідь : l (і-РНК) =204 (нм),
m ( і-РНК) -? m (і-РНК) = 207 000
Задачі для самостійного розв’язування
Генетичний код
Білки складаються з 20 амінокислот. Інформація про структуру білків записана в ДНК чотирма видами нуклеотидів. Якщо один нуклеотид буде шифрувати одну амінокислоту, то чотири ( 4 ´ ) – 4 амінокислоти, що недостатньо. Якщо по два нуклеотиди будуть шифрувати одну амінокислоту, то ( 4 2 ) – 16 амінокислот, що також недостатньо. Якщо по три нуклеотиди будуть шифрувати одну амінокислоту, то ( 4 3 ) – 64 амінокислоти, що достатньо і з надлишком. Триплет нуклеотидів, який кодує одну амінокислоту, називається кодоном. А сукупність кодонів, які кодують всі амінокислоти – генетичним кодом.
З 64 триплетів нуклеотидів кодуючи ми є 61, три триплети УГА, УАА, УАГ – не несуть спадкової інформації, є кодонами термінаторами, вони сигналізують про закінчення синтезу. Кодон АУГ є стартовим, з нього починається синтез.
Розв’язування задач
Задача 1
По даному фрагменту комплементарного ланцюга ДНК, визначте структурний, синтезуйте і-РНК, визначте порядок розташування амінокислот і укажіть , яка т-РНК буде постачати ці амінокислоти до місця синтезу білка.
Дано:
Комплементарний Структурний і-РНК Амінокислоти т-РНК
Ланцюг ланцюг
А -------------- Т ------- А
Т -------------- А ------- У МЕТ УАЦ
Г ------------- Ц ------- Г
А -------------- Т ------- А
А -------------- Т ------- А ЛИЗ УУУ
А -------------- Т ------- А
Г -------------- Ц ------- Г
Т -------------- А ------- У ВАЛ ЦАА
Т -------------- А ------- У
Задача 2
До складу білка входить 800 амінокислот. Яка довжина гену, що кодує цей білок?
Дано: Розв’язування :
n (білка) = 800 амінокислот 1. 1 амінокислота – 3 нуклеотиди
----------------------------------- 800 амінокислот – х нуклеотидів
l (гену) -? Х = 800 х 3 = 2400( нуклеотидів )
2. l (1 нуклеотиду )= 0,34 нм
l (гену) = 0,34 х 2400 = 816(нм)
Відповідь: l гену = 816нм.
Задача 3
Визначте молекулярну масу і довжину гена, який містить інформацію про білок з молекулярною масою 28 0000.
Дано: Розв’язування :
m (білка) = 28 0000 1. m (1 амін.) = 100
------------------------ n ( амін. ) = 28 0000: 100 = 2 800 ( амін.)
m (гена) - ? 2. 1 амінокислота – 3 нуклеотиди
l ( гена) -? 2 800 амінокислот – х нуклеотидів
х = 2 800 х 3 = 8 400 ( нуклеотидів)
3. l (гену) = 0, 34нм х 8 400 = 2 856нм
4. m (гену ) = 345 х 2х 8400 = 5 796 000
Відповідь: l (гену) = 2 856нм, m (гену ) = 5 796 000
Задачі для самостійного розв’язування
АЦЦ АТА ГТЦ ЦАА ГГА. Визначте послідовність амінокислот в поліпептидному ланцюгу.
аланін – лізин – валін – серин. Визначте послідовність нуклеотидів у ділянці ДНК, яка кодує цю частину ланцюга.
Регуляція синтезу білка
Вперше регуляція роботи генів показана французькими вченими Ф. Жакобом і Ж.Моно, за що у 1964 році вони отримали Нобелівську премію. Вони створили модель регуляції, яка отримала назву моделі Оперона.
Об’єктом дослідження були бактерії Е.coli. Якщо помістити бактерії на середовище з глюкозою, то вони швидко ростуть і розмножуються. Якщо помістити бактерії на лактозу, ріст колоній починається не відразу, а з невеликою затримкою. Дослідження показали, що для росту бактерій на лактозному середовищі потрібні дві речовини, які E.coli звичайно не синтезує: фермент, який гідролізує лактозу на глюкозу і галактозу і фермент, який забезпечує поглинання клітиною лактози. Гени, які відповідають за синтез цих ферментів, знаходяться в одному опероні, за роботу якого відповідає ген-регулятор.
Оперон складається з ділянок: П – промотора, місця приєднання ферменту РНК-полімерази, О – оператора, ділянки ДНК, яка безпосередньо прилягає до структурних генів і керує їх роботою і структурних генів – С1, С2, С3…, які несуть інформацію про робочі білки організму. Роботою оперону керує ген-регулятор – Р. У випадку лактозного оперону ген-регулятор синтезує білок-репресор, який, блокуючи оператор, припиняє синтез. Такий контроль роботи генів називається негативним. Білок-репресор може синтезуватися в активній і неактивній формі. Якщо він синтезується в активній формі, то він блокує оператор і синтез не відбувається. Для зняття репресії потрібна певна речовина – індуктор, яка підходить до репресора, як ключ до замку. Вона змінює його конфігурацію і він перестає блокувати оператор.
Якщо білок-репресор синтезується в неактивній формі, то зчитування інформації зі структурних генів відбувається. Утворені білки зв’язуються з репресором. Він змінює свою конфігурацію і вже як ключ до замку підходить до оператора, блокуючи його. При цьому зчитування інформації припиняється.
Розв’язування задач
Задача 1
Оперон ( сукупність структурних генів і гена оператора) містить 9 300 пар нуклеотидів. В ньому закодовано три поліпептидні ланцюги, кожен з яких складається з 250 амінокислотних залишків. Кількість інтронних ділянок така ж сама, як і екзонних. Визначте лінійні розміри гена-оператора.
Дано : Розв’язування :
n (генів оперону) = 9 300 (п. н) 1. Кількість амінокислот в 3 білках:
n (білків ) =3 250 х 3 = 750
n (амінок.) = 250 (в 1 білку) 2. n (екзонів ) = 750 х 3 = 2 250 ( п. н.)
n (інтронів) = n (екзонів) 3. n (нуклеотидів) = 2 250 х 2 = 4 500 (п. н.)
----------------------------------- 4. n (нукл.оператора) = 9 300 – 4 500 = 4 800
l (гена оператора) - ? 5. l (оператора) = 0,34 х 4 800 = 1 632 (п.н.)
Відповідь: l (гена оператора) = 1 632 (п.н.)
Задачі для самостійного розв’язування
Рестрикція
Розрізання ДНК рестриктазами на багато різних фрагментів з однаковими «липкими» кінцями.
Рестриктази (ендонуклеази ) – ферменти, які здатні розрізати ДНК по певним сайтам. Відкриті в кінці ХХ століття. Точки розрізання називаються сайтами рестрикції. Вони мають поліндромну послідовність, тобто читаються однаково в обох напрямках.
Назви цих ферментів утворюються за таким принципом: перша велика літера позначає рід мікроорганізму, дві маленькі - вид, римські цифри та іноді великі літери - порядковий номер рестриктази серед інших рестриктаз даної бактерії. Наприклад, EcoRI - рестриктаза RI із Escherichia coli.
Методами клонування будь-які фрагменти ДНК, отримані за допомогою рестриктаз, можна вбудувати в плазміду або ДНК бактеріофага - вектор для молекулярного клонування, а потім розмножити ці генетичні елементи в клітинах бактерій або дріжджів, збільшуючи їхню кількість у мільйони разів.
Секвенування кожного з фрагментів, які містяться в геномній бібліотеці клонів, і порівняння послідовностей фрагментів, що перекриваються дозволяє розмістити клоновані фрагменти в порядку їхньої локалізації в геномі, тобто встановити повну послідовність геному.
Рестрикційний аналіз
Задача 1
Лінійний фрагмент ДНК, довжиною 13 тис. пар нуклеотидів ампліфікували, після чого одну частину обробили Bgl II, а другу Eco RI, третю обома рестриктазами ( Bgl II + Eco RI). Продукти розщеплення розділили гель-електрофорезом у агарозному гелі.
1. Побудуйте рестрикційну карту даного фрагмента ДНК.
2. Дайте відповідь на запитання.
2.1. Скільки рестрикційних фрагментів утвориться при розщепленні лінійної молекули ДНК, на якій міститься 2 сайти рестрикції?
2.2. Скільки рестрикційних фрагментів утвориться при розщепленні кільцевої молекули ДНК, на якій міститься 2 сайти рестрикції?
Розв’язування
Дано:
Bgl II – 2, 11
Eco R I – 5, 8
Bgl II + Eco R I – 2, 5, 6
Задача 2
Лінійний фрагмент ДНК, довжиною 1500 пар нуклеотидів ампліфікували, після чого одну частину обробили рестриктазою І, а другу – рестриктазою ІІ, третю обома рестриктазами разом. Продукти розщеплення розділили гель-електрофорезом у агарозному гелі.
1. Побудуйте рестрикційну карту даного фрагмента ДНК.
2. Дайте відповідь на запитання.
2.1. Скільки рестрикційних фрагментів утвориться при розщепленні лінійної молекули ДНК, на якій міститься 4 сайти рестрикції?
2.2. Скільки рестрикційних фрагментів утвориться при розщепленні кільцевої молекули ДНК, на якій міститься 4 сайти рестрикції?
Розв’язування
Дано:
RI – 200, 600, 700
RII – 450, 500, 550
RI+II – 150, 200, 300, 400, 450
Секвенування
Визначення послідовності нуклеотидів в ДНК.
Методи секвенування ДНК засновані на взаємній комплементарності ланцюгів ДНК. Живі організми використовують принцип комплементарності при подвоєнні генетичного матеріалу та подолання ушкоджень (репарації). Він також лежить в основі ампліфікації ДНК і їх подальшого секвенування за допомогою метода, розробленого в кінці 1970 –х років Ф. Сенгером.
Виділені з бактеріальних клітин фрагменти багаторазово ампліфікують за допомогою полімеразної ланцюгової реакції (ПЛР). Зразок ДНК нагрівають до температури, при якій ланцюги розходяться. В реакційну суміш додають дезоксинуклеозидтрифосфати (dNTP) і праймер – короткий олігонуклеотид, комплементарний невеликому сегменту ДНК – матриці. Після чого ДНК-полімераза послідовно приєднує нуклеотиди, комплементарні матричному ланцюгу. Процес багаторазово повторюється, поки не отримують міліони копій кожного фрагмента.
Розчин з одноланцюговими фрагментами і праймерами розподіляють по чотирьом пробіркам, в кожну з яких додають чотири різні dNTP і один з флуоресцентно мічених дидезоксинуклеозидтрифосфатов (ddNTP). Диде-зоксинуклеотид відрізняється тим, що містить атом Н замість ОН-групи не тільки при 2'-, а також і при 3'-атомі пентози. Відповідно, включення такого нуклеотиду в ланцюг, що синтезується, зупинить подальше зростання ланцюга внаслідок відсутності 3' ОН-групи на його кінці.
Синтез ланцюга відбувається до тих пір, поки в ланцюг не включиться ddNTP (мічений). В цьому місці синтез припиняється, і в кожній з пробірок утворюється унікальний набір негативно заряджених фрагментів різної довжини, які закінчуються одним з мічених ddNTP.
Фрагменти розділяють за допомогою капілярного електрофорезу. Коли фрагменти проходять через вікно детектора, ddNTP починають флуоресцувати, внаслідок можна визначити нуклеотидну послідовність.
Використана література:
1