Методическое пособие по биологии для подготовки к ГИА «Решение задач по молекулярной биологии. Принцип комплементарности, правило Чаргаффа

Методическое пособие по биологии 

для подготовки к ГИА

«Решение задач по молекулярной биологии.

 Принцип комплементарности, правило Чаргаффа

Подготовила: учитель биологии,

учитель первой квалификационной категории

 МОУ «Школа № 101 г. Донецка»

Темы «Химический состав клетки»,» Основы цитологии » в 9 классе и  и «Молекулярный уровень организации жизни» в 10 классе  –интересные и сложные в курсе «Общая биология . Но времени на отработку умения решать задачи по молекулярной биологии  в программе явно недостаточно. Однако умение решать задачи по молекулярной биологии предусмотрено Государственным  Стандартом биологического образования, а также  такие задачи входят в состав ГИА.

     Для  решения задач по молекулярной биологии  необходимо владеть следующими биологическими понятиями: виды нуклеиновых  кислот, строение ДНК, принцип комплементарности,  репликация ДНК , функции ДНК, правило Чаргаффа, строение  и функции РНК, генетический код, свойства генетического кода, мутация.

     Типовые задачи знакомят с основными приемами рассуждений в молекулярной биологии, а "сюжетные"– полнее раскрывают и иллюстрируют особенности этой науки, делая ее интересной и привлекательной для учащихся. Подобранные задачи характеризуют молекулярную биологию  как точную науку, использующую математические методы анализа. Решение задач в биологии требует умения анализировать фактический материал, логически думать и рассуждать , а также определенной изобретательности при решении особенно трудных  и запутанных задач. Предлагаем следующий алгоритм действий .

АЛГОРИТМ ФОРМИРОВАНИЯ УМЕНИЙ

ИСПОЛЬЗОВАТЬ ЗНАНИЯ ПРИ РЕШЕНИЯ ТИПОВЫХ ЗАДАЧ ПО МОЛЕКУЛЯРНОЙ БИОЛОГИИ

Одним из важных задач школьного курса «Биология» является формирование у учащихся общеучебных и специальных умений. Умение решать задачи - один из объективных критериев оценки глубины усвоения материала.

Практическое применение полученных знаний при решении задач способствует развитию логического мышления, творческой, аналитическом подходе к решению поставленного вопроса или проблемы в целом, что особенно важно для будущих работников современных отраслей производства, сельского хозяйства, медицины.

Представленный материал предназначен для учителей биологии, старшеклассников, абитуриентов.

Для закрепления теоретического материала по способам и приемам  решения задач предлагаются задачи для самостоятельного решения, а также вопросы для самоконтроля.

Примеры решения задач

Необходимые пояснения:

• Один шаг это полный виток спирали ДНК–поворот на 360^o
• Один шаг составляют 10 пар нуклеотидов
• Длина одного шага – 3,4 нм
• Расстояние между двумя нуклеотидами – 0,34 нм
• Молекулярная масса одного нуклеотида – 345 г/моль
• Молекулярная масса одной аминокислоты – 120 г/мол
• В молекуле ДНК: А+Г=Т+Ц (Правило Чаргаффа: ∑(А) = ∑(Т), ∑(Г) = ∑(Ц), ∑(А+Г) =∑(Т+Ц)
• Комплементарность нуклеотидов: А=Т; Г=Ц
• Цепи ДНК удерживаются водородными связями, которые образуются между комплементарными азотистыми основаниями: аденин с тимином соединяются 2 водородными связями, а гуанин с цитозином тремя.
• В среднем один белок содержит 400 аминокислот;
• вычисление молекулярной массы белка:

где М_min – минимальная молекулярная масса белка,
а – атомная или молекулярная масса компонента,
в – процентное содержание компонента.

В процессе решения любой задачи выделяют определенные этапы.

Анализ задачи. Внимательно прочитайте содержание задачи, осмыслите ее и определите:

 к какому разделу или теме относится задача,

 найдите, что дано и что необходимо найти.

1. Сокращенная запись условия.

 С помощью условных обозначений коротко запищит, что дано и что нужно найти (как на уроках химии или физики).

 Подумайте, какие из постоянных известных вам величин можно использовать при решении задачи, запишите их.

2. Оформление записи задачи.

Место, что осталось после короткого записи условия задачи, условно разделите на две части. В левой части запишите данные, которые вы будете использовать, в правой - решение. Действий в задаче может быть несколько. Записывайте их так: 1) ...; 2) ...; 3) ... и т.д.

3. Решение задачи.

 Решайте задачу поэтапно.

 На каждом этапе кратко сформулируйте вопрос.

 Тщательно проверяйте результаты расчетов.

 Проверьте всю ли информацию из условия задачи использовали.

 При необходимости выберите другой способ решения.

4. Завершающий этап.

Проверьте правильность решения в целом, сформулируйте и запишите окончательный ответ.

Примеры решения задач на молекулярные основы НАСЛЕДСТВЕННОСТИ

Задача № 1.Одна из цепочек  ДНК имеет последовательность нуклеотидов : АГТ  АЦЦ  ГАТ  АЦТ  ЦГА  ТТТ  АЦГ  ... Какую последовательность нуклеотидов имеет вторая цепочка ДНК той же молекулы.

Решение: по принципу комплементарности достраиваем вторую цепочку (А-Т,Г-Ц) .Она выглядит следующим образом:                                   ТЦА  ТГГ  ЦТА   ТГА  ГЦТ  ААА  ТГЦ.

Задача № 2. Последовательность нуклеотидов в начале гена, хранящего информацию о белке инсулине, начинается так:                        ААА  ЦАЦ  ЦТГ  ЦТТ  ГТА  ГАЦ. Напишите последовательность     иРНК  транскрибированной с данного гена.

Решение: Дана  смысловая цепь ДНК: ААА  ЦАЦ  ЦТГ  ЦТТ  ГТА  ГАЦ

По принципу комплементарности  строим цепь иРНК. Не забываем, что в иРНК тимин заменяется урацилом

иРНК: УУУ  ГУГ  ГАЦ  ГАА  ЦАУ  ЦУГ

Задача 3. На фрагменте одной цепи ДНК нуклеотиды расположены в последовательности, показанной ниже.

... АГТАЦГГЦАТГТАГЦ ...

1. Нарисуйте схему структуры двухцепочечной молекулы ДНК.

2. Какова длина в нанометрах этого фрагмента?

3. Какова масса двухцепной фрагмента?

решение

1. Руководствуясь свойством ДНК, способностью к самовоспроизведению (репликации), в основе которого лежит комплиментарность, запишем схему двухцепочечной ДНК:

ДНК:

А Г Т -А Ц Г -Г Ц А -Т Г Ц -А Г Ц-

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

2. Длина одного нуклеотида, или расстояние между двумя соседними вдоль оси ДНК, составляет 0,34 нм. Длина двухцепочечной фрагмента равна длине одной цепи.

L = 15 х 0,34 = 5,1 (нм) (15 - количество нуклеотидов в одной цепи).

3. Средняя молекулярная масса одного нуклеотида 345 условных единиц, молекулярная масса фрагмента ДНК:

Мr = 345 х 15 = 5175 (а.о.м) (30 - количество нуклеотидов в двух цепях).

Ответ. Вторая цепь фрагмента ДНК имеет следующую структуру: ТЦА - ТГЦ - ЦГТ - АЦГ - ТЦГ; длина фрагмента ДНК - 5,1 нм; молекулярная масса фрагмента ДНК - 5175 а.е.м.

Задача № 4. Большая из двух цепей белка инсулина имеет (так называемая цепь В) начинается со следующих аминокислот : фенилаланин-валин-аспарагин-глутаминовая кислота-гистидин-лейцин. Напишите последовательность нуклеотидов в начале участка молекулы ДНК,  хранящего информацию об этом белке.

Решение (для удобства используем табличную форму записи решения): т.к. одну аминокислоту могут кодировать несколько триплетов, точную структуру и-РНК  и участка  ДНК определить невозможно, структура может варьировать. Используя принцип комплементарности  и таблицу генетического кода получаем один из вариантов:

Задача № 5. Участок гена имеет следующее строение, состоящее из последовательности нуклеотидов: ЦГГ  ЦГЦ  ТЦА  ААА  ТЦГ  ...  Укажите строение соответствующего участка белка, информация о котором содержится в данном гене. Как отразится на строении  белка удаление из гена четвертого нуклеотида?

Решение (для удобства используем табличную форму записи решения): Используя  принцип  комплементарности  и таблицу генетического кода получаем:

При удалении из гена четвертого нуклеотида – Ц произойдут заметные изменения – уменьшится количество и состав аминокислот в  белке:

Задача 6.Биохимический анализ показал, что иРНК имеет 30% аденина, 18% гуанина и 20% урацила. Определите долю (в%) каждого нуклеотида в соответствующем фрагменте двухцепочечной ДНК?

решение

дано:

А   = 30%;

Г   = 18%;

У   = 20%.

Определяем процент цитозинових нуклеотидов в данной иРНК:

        = 100% - (+) =

       = 100% - (30% + 20% + 18%) = 32%.

Определяем процент адениновых и тиминових нуклеотидов (отдельно) во фрагменте ДНК:

        = (+): 2 = (30% + 20%): 2 = 25%.

Согласно  правила Чаргафа . А=Т в ДНК и = 25%

Определяем процент гуанинових и цитозиновог нуклеотидов (отдельно) во фрагменте ДНК:

    = (+): 2 = (18% + 32%): 2 = 25%.

Согласно  правила Чаргафа . Г=Ц в ДНК и = 25%

Ответ. Доля каждого нуклеотида в соответствующем фрагменте двухцепочечной ДНК составляет 25%.

Задача 7.Структурный ген (фрагмент молекулы ДНК) содержит 384 цитозинових нуклеотидов, составляет 20% от их общего количества. В экзонных участках этого гена закодировано белок, состоящий из 120 аминокислотных остатков.

1. Какой нуклеотидный состав гена?

2. Какая относительная молекулярная масса интронных участков гена?

3. Насколько зрелая иРНК короче про-иРНК?

дано:

N (Ц нуклеотидов) - 384 (20%);

N (аминокислот в белке) - 120;

L (нуклеотида) - 0,34 нм;

Мr (нуклеотида) - 345.

1. Нуклеотидный состав гена -?

2. Мr (интронных участков гена) -?

3. Насколько зрелая иРНК короче про-иРНК -?

решение

1. Определяем общее количество нуклеотидов в фрагменте ДНК. Поскольку на цитозин нуклеотиды приходится 20% от их количества, то общее количество нуклеотидов составляет:

384 нуклеотидов - 20%;

Х нуклеотидов - 100%;

Х = 1920 (нуклеотидов);

По принципу комплиментарности  согласно правилу Чаргаффа:

Г = Ц = 384 нуклеотиды = 20%. Отсюда: А = Т = 30%.

384 нуклеотиды - 20%;

Х нуклеотидов - 30%; х = 576 9нуклеотидив);

А = Т 576 нуклеотидов.

2. Находим количество нуклеотидов в экзонных участках гена:

120 3 х 2 = 720 (нуклеотидов).

       Находим количество нуклеотидов в интронных участках гена:

1920 - 720 = 1200 (нуклеотидов).

Находим относительную молекулярную массу интронных участков гена:

Mr (интро. Участков гена) = 1200 х 345 = 414000.

3. Длина молекулы про-иРНК равна длине структурного гена:

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

Зрелая иРНК состоит только из информативной части. Ее длина составляет:

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

Разница в длине о-иРНК и зрелой иРНК составляет:

326,4 нм - 122,4 нм = 204 нм.

Ответ. 1. Ген содержит по 576 адениновых и тиминових нуклеотидов, и по 384 гуанинових и цитозинових нуклеотиды. 2. Относительная молекулярная масса интронных участков гена - 414 000. 3. Разница в длине между про- иРНК и зрелой иРНК - 204 нм.

Задача № 8 . Исследования показали, что в иРНК содержится 34% гуанина,18% урацила, 28% цитозина и 20% аденина. Определите процентный состав  азотистых оснаваний в участке ДНК, являющейся матрицей для данной и-РНК.
Решение (для удобства   используем табличную форму записи решения): 

Процентное соотношение азотистых оснований высчитываем исходя из принципа комплементарности:

Суммарно  А+Т  и Г+Ц ( согласно правилу Чаргафа) в смысловой цепи будут составлять: А+Т=18%+20%=38%  ; Г+Ц=28%+34%=62%.

 В антисмысловой (некодируемой) цепи суммарные показатели будут такими же , только процент отдельных оснований будет обратный: А+Т=20%+18%=38%  ; Г+Ц=34%+28%=62%. В обеих же цепях в парах комплиментарных оснований будет поровну, т.е аденина и тимина – по 19%, гуанина и цитозина по 31%.

Задача № 9.  На фрагменте одной нити ДНК нуклеотиды расположены в последовательности:  А–А–Г–Т–Ц–Т–А–Ц–Г–Т–А–Т. Определите процентное содержание всех нуклеотидов в этом фрагменте ДНК и длину гена.

Решение:

1)    достраиваем вторую нить (по принципу комплементарности)

А–А–Г–Т–Ц–Т–А–Ц–Г–Т–А–Т.

Т- Т- Ц- А- Г- А- Т- Г- Ц- А- Т-А

2) Определяем количество нуклеотидов в 2х цепях ДНК

∑(А +Т+Ц+Г) = 24,

3)    Определяем количество нуклеотидов:

из них

 ∑(А) = 8 = ∑(Т)

  
4) молекула ДНК  двуцепочечная, поэтому длина гена равна длине одной цепи:

12 × 0,34 = 4,08 нм

Задача № 10. В молекуле ДНК на долю цитидиловых нуклеотидов приходится 18%. Определите процентное содержание других нуклеотидов в этой ДНК.

Решение:

1)    т.к. Ц = 18%, то и Г = 18%;( по правилу Чаргаффа)

2)    на долю А+Т приходится 100% – (18% +18%) = 64%, т.е. по 32%

Задача № 11. В молекуле ДНК обнаружено 880 гуанидиловых нуклеотидов, которые составляют 22% от общего числа нуклеотидов в этой ДНК. Определите: а) сколько других нуклеотидов в этой ДНК? б) какова длина этого фрагмента?

Решение:

1)    Правило Чаргаффа: ∑(Г) = ∑(Ц)= 880 (это 22%);

2)    На долю других нуклеотидов приходится

100% – (22%+22%)= 56%, т.е. по 28%; Для вычисления количества этих нуклеотидов составляем пропорцию:

22% – 880
28% – х, отсюда х = 1120

3) для определения длины ДНК нужно узнать, сколько всего нуклеотидов содержится в 1 цепи:

(880 + 880 + 1120 + 1120) : 2 = 2000
2000 × 0,34 = 680 (нм)

Задача № 12. Дана молекула ДНК с относительной  молекулярной массой 69 000, из них 8625 приходится на долю адениловых нуклеотидов. Найдите количество всех нуклеотидов в этой ДНК. Определите длину этого фрагмента.

Решение:

1)    Определим количество нуклеотидов в ДНК

69 000 : 345 = 200 (нуклеотидов в ДНК),

2)    Определим количество адениловых нуклеотидов

8625 : 345 = 25 (адениловых нуклеотидов в этой ДНК),

3)    Определим количество гуаниловых и цитидиловых нуклеотидов

∑(Г+Ц) = 200 – (25+25)= 150, т.е. их по 75;

4)    Определим длину ДНК

 200 нуклеотидов в двух цепях,

значит в одной – 100. 100 × 0,34 = 34 (нм)

Задача № 13. Что тяжелее: белок или его ген?

Решение: Пусть х – количество аминокислот в белке, тогда масса этого белка – 120х, количество нуклеотидов в гене, кодирующем этот белок, – 3х, масса этого гена – 345 × 3х.  120х < 345 × 3х, значит ген тяжелее белка.

Задача № 14. Гемоглобин крови человека содержит 0, 34% железа. Вычислите минимальную молекулярную массу гемоглобина.

Решение: М_min = 56 : 0,34% · 100% = 16471


Задача №15. Белок содержит 0,5% глицина. Чему равна минимальная молекулярная масса этого белка, если М глицина = 75,1? Сколько аминокислотных остатков в этом белке?

Решение: М_min = 75,1 : 0,5% · 100% = 15020 ; 15020 : 120 = 125 (аминокислот в этом белке)

Задачи для самостоятельной работы

1.     Молекула ДНК распалась на две цепочки. одна из них имеет строение : ТАГ  АЦТ  ГГТ  АЦА  ЦГТ  ГГТ  ГАТ  ТЦА ... Какое строение будет иметь  вторая молекула ДНК ,когда указанная цепочка достроится до полной двухцепочечной молекулы ?

2.     Полипептидная цепь одного белка животных имеет следующее начало : лизин-глутамин-треонин-аланин-аланин-аланин-лизин-... С какой последовательности нуклеотидов начинается ген, соответствующий этому белку?

3.     Участок молекулы белка имеет следующую последовательность аминокислот: глутамин-фенилаланин-лейцин-тирозин-аргинин. Определите одну из возможных последовательностей нуклеотидов в молекуле ДНК.

4.     Участок молекулы белка имеет следующую последовательность аминокислот: глицин-тирозин-аргинин-аланин-цистеин. Определите одну из возможных последовательностей нуклеотидов в молекуле ДНК.

5.     Одна из цепей рибонуклеазы (фермента поджелудочной железы) состоит из 16 аминокислот: Глу-Гли-асп-Про-Тир-Вал-Про-Вал-Про-Вал-Гис-фен-Фен-Асн-Ала-Сер-Вал. Определите  структуру участка ДНК , кодирующего эту часть рибонуклеазы.

6.     Фрагмент гена ДНК имеет следующую последовательность нуклеотидов ГТЦ  ЦТА  АЦЦ  ГГА  ТТТ. Определите последовательность нуклеотидов и-РНК и аминокислот в полипептидной цепи белка.

7.     Фрагмент гена ДНК имеет следующую последовательность нуклеотидов ТЦГ  ГТЦ  ААЦ  ТТА  ГЦТ. Определите последовательность нуклеотидов и-РНК и аминокислот в полипептидной цепи белка.

8.     Фрагмент гена ДНК имеет следующую последовательность нуклеотидов ТГГ  АЦА  ГГТ  ТТЦ  ГТА. Определите последовательность нуклеотидов и-РНК и аминокислот в полипептидной цепи белка.

9.     Определите порядок следования аминокислот в участке молекулы белка, если известно, что он кодируется такой последовательностью нуклеотидов ДНК: ТГА  ТГЦ   ГТТ  ТАТ  ГЦГ  ЦЦЦ. Как изменится  белок , если химическим путем будут удалены 9-й и 13-й нуклеотиды?

10.                        Кодирующая цепь ДНК имеет последовательность нуклеотидов: ТАГ  ЦГТ  ТТЦ  ТЦГ  ГТА. Как изменится структура молекулы белка, если произойдет удвоение шестого нуклеотида в цепи ДНК. Объясните результаты.

11. Кодирующая цепь ДНК имеет последовательность нуклеотидов: ТАГ  ТТЦ  ТЦГ  АГА. Как изменится структура молекулы белка, если произойдет удвоение восьмого нуклеотида в цепи ДНК. Объясните результаты.

12. Под воздействием мутагенных факторов во фрагменте гена: ЦАТ  ТАГ  ГТА  ЦГТ  ТЦГ произошла замена второго триплета на триплет АТА. Объясните, как изменится структура молекулы белка.

13. Под воздействием мутагенных факторов во фрагменте гена: АГА  ТАГ  ГТА  ЦГТ  ТЦГ произошла замена четвёртого триплета на триплет АЦЦ. Объясните, как изменится структура молекулы белка.

14. Фрагмент молекулы и-РНК имеет следующую последовательность нуклеотидов: ГЦА  УГУ  АГЦ  ААГ  ЦГЦ. Определите последовательность аминокислот в молекуле белка и её молекулярную массу.

15. Фрагмент молекулы и-РНК имеет следующую последовательность нуклеотидов: ГАГ  ЦЦА  ААУ  АЦУ  УУА. Определите последовательность аминокислот в молекуле белка и её молекулярную массу.

16. Ген ДНК включает 450пар нуклеотидов. Какова длина, молекулярная масса гена и сколько аминокислот закодировано в нём?

17. Сколько нуклеотидов содержит ген ДНК, если в нем закодировано 135 аминокислот. Какова молекулярная масса данного гена и его длина?

18. Фрагмент одной цепи ДНК имеет следующую структуру: ГГТ АЦГ АТГ ТЦА АГА. Определите первичную структуру белка, закодированного в этой цепи, количество (%) различных видов нуклеотидов в двух цепях фрагмента и его длину.

19. Какова молекулярная масса гена и его длина, если в нем закодирован белок с молекулярной массой 1500 г/моль?

20. Какова молекулярная масса гена и его длина, если в нем закодирован белок с молекулярной массой 42000 г/моль?

21. В состав белковой молекулы входит 125 аминокислот. Определите количество нуклеотидов в и-РНК и гене ДНК, а также количества молекул т-РНК принявших участие в синтезе данного белка.

22. В состав белковой молекулы входит 204 аминокислоты. Определите количество нуклеотидов в и-РНК и гене ДНК, а также количества молекул т-РНК принявших участие в синтезе данного белка.

23. В синтезе белковой молекулы приняли участие 145 молекул   т-РНК. Определите число нуклеотидов в и-РНК, гене ДНК и количество аминокислот в синтезированной молекуле белка.

24. В синтезе белковой молекулы приняли участие 128 молекул   т-РНК. Определите число нуклеотидов в и-РНК, гене ДНК и количество аминокислот в синтезированной молекуле белка.

25. Фрагмент цепи и-РНК имеет следующую последовательность: ГГГ  УГГ  УАУ  ЦЦЦ  ААЦ  УГУ. Определите, последовательность нуклеотидов на ДНК, антикодоны т-РНК, и последовательность аминокислот соответствующая фрагменту гена ДНК.

26. Фрагмент цепи и-РНК имеет следующую последовательность: ГУУ  ГАА  ЦЦГ  УАУ  ГЦУ. Определите, последовательность нуклеотидов на ДНК, антикодоны т-РНК, и последовательность аминокислот соответствующая фрагменту гена ДНК.

27. В молекуле и-РНК содержится 13% адениловых, 27% гуаниловых и 39% урациловых нуклеотидов. Определите соотношение всех видов  нуклеотидов в ДНК, с которой была транскрибирована данная и-РНК.

28. В молекуле и-РНК содержится 21% цитидиловых, 17% гуаниловых и 40% урациловых нуклеотидов. Определите соотношение всех видов  нуклеотидов в ДНК, с которой была транскрибирована данная и-РНК

29. Молекула и-РНК содержит 21% гуаниловых нуклеотидов, сколько цитидиловых нуклеотидов содержится в кодирующей цепи участка ДНК?

30. Если в цепи молекулы ДНК, с которой транскрибирована генетическая информация, содержалось 11% адениловых нуклеотидов, сколько урациловых нуклеотидов будет содержаться в соответствующем ему отрезке и-РНК?

Используемая литература.

1.     Болгова И.В. Сборник задач по общей биологии с решениями для поступающих в вузы–М.: ООО "Издательство Оникс":"Издательство."Мир и Образование", 2008г.

2.     Барна Иван Общая биология. Сборник задач. - Киев: Издательство «Ранок», 2009 - 736 с.

3.     Воробьев О.В. Уроки биологии с применением информационных технологий .10 класс. Методическое пособие с электронным приложением–М.:Планета,2012г.

4.     Овчинников С.А. Сборник задач и упражнений по общей биологии: Учебное пособие. - Донецк: Третье тысячелетие, 2002. - 128 с.

5.     Биология. Словарь-справочник .: Учеб. Пособие / /Авт.-сост .: В.П. Попович, Т.А. Сало, Л.В. Деревинская. - М .: Страна грез, 2006. - 112 с.

6.     Чередниченко И.П. Биология. Интерактивные дидактические материалы.6-11 класс. Методическое пособие с электронным интерактивным приложением. – М.:Планета,2012г.

7.     Интернет-ссылки:

8.     http://ru.convdocs.org/download/docs-8406/8406.doc

9.     http://bio.1september.ru/articles/2009/06

1.      

Скачано с www.znanio.ru