Решение биологических задач

Хорошо, давайте решим все задачи по порядку. Практическая работа Решение биологических задач Вопросы по изучаемой теме: 1. Что такое НК? Нуклеиновые кислоты (НК) — это высокомолекулярные органические соединения, биополимеры, состоящие из повторяющихся звеньев — нуклеотидов. Они играют ключевую роль в хранении, передаче и реализации генетической информации. 2. Каков состав нуклеотида ДНК, РНК? Нуклеотид состоит из трех компонентов: * Азотистое основание (пуриновое или пиримидиновое). * Пятиуглеродный сахар (пентоза): дезоксирибоза в ДНК и рибоза в РНК. * Остаток фосфорной кислоты. 3. Что такое комплементарность? Комплементарность — это принцип избирательного соответствия молекул или их частей друг другу, обеспечивающий их специфическое взаимодействие. В нуклеиновых кислотах комплементарность означает, что аденин (А) всегда связывается с тимином (Т) (в ДНК) или урацилом (У) (в РНК), а гуанин (Г) всегда связывается с цитозином (Ц). 4. Каковы правила Чаргаффа? Правила Чаргаффа описывают количественные соотношения азотистых оснований в ДНК: * Количество аденина (А) равно количеству тимина (Т): \(А = Т\). * Количество гуанина (Г) равно количеству цитозина (Ц): \(Г = Ц\). * Сумма пуриновых оснований (А + Г) равна сумме пиримидиновых оснований (Т + Ц): \(А + Г = Т + Ц\). * Соотношение \((А + Т) / (Г + Ц)\) специфично для каждого вида. 5. Что такое редупликация? Редупликация (или репликация) — это процесс самоудвоения молекулы ДНК, в результате которого из одной родительской молекулы ДНК образуются две дочерние молекулы, идентичные исходной. Этот процесс обеспечивает точную передачу генетической информации при делении клеток. 6. Каковы свойства НК? Основные свойства нуклеиновых кислот: * Способность к хранению и передаче генетической информации. * Способность к самоудвоению (репликации). * Способность к транскрипции (синтезу РНК на матрице ДНК). * Способность к трансляции (синтезу белка на матрице РНК). * Высокая специфичность взаимодействия с другими молекулами. * Полимерная структура. 7. Чем отличается ДНК от РНК? Основные отличия ДНК от РНК: * Сахар: в ДНК — дезоксирибоза, в РНК — рибоза. * Азотистые основания: в ДНК — А, Т, Г, Ц; в РНК — А, У, Г, Ц (вместо тимина — урацил). * Структура: ДНК обычно двухцепочечная спираль, РНК обычно одноцепочечная. * Функции: ДНК хранит и передает генетическую информацию; РНК участвует в реализации этой информации (синтезе белка). 8. Какие виды РНК вы знаете? Основные виды РНК: * Матричная (информационная) РНК (мРНК или иРНК) — переносит генетическую информацию от ДНК к рибосомам. * Транспортная РНК (тРНК) — транспортирует аминокислоты к рибосомам для синтеза белка. * Рибосомальная РНК (рРНК) — входит в состав рибосом и участвует в синтезе белка. * Малые ядерные РНК (мяРНК) — участвуют в сплайсинге. * МикроРНК (миРНК) — регулируют экспрессию генов. 9. Каковы функции ДНК и РНК? * Функции ДНК: хранение, передача и реализация наследственной информации. * Функции РНК: участие в реализации наследственной информации (синтезе белка), регуляция генной экспрессии, каталитические функции (в некоторых случаях). Решение задач Тип 1. 1. Одна из цепочек ДНК имеет последовательность нуклеотидов: АГГ АЦЦ ГАТ АЦТ ЦГА ТТТ АЦГ... Какую последовательность нуклеотидов имеет вторая молекулы. Решение: Используем принцип комплементарности: А-Т, Г-Ц. Исходная цепь: АГГ АЦЦ ГАТ АЦТ ЦГА ТТТ АЦГ Комплементарная цепь: ТЦЦ ТГГ ЦТА ТГА ГЦТ ААА ТГЦ 2. Используя таблицу генетического кода и принцип комплементарности, установите состав гена ДНК, по которому была синтезирована следующая молекула белка: иле-тре-асн-сер Решение: Сначала найдем кодоны мРНК для данных аминокислот (используя таблицу генетического кода): Иле (изолейцин): АУУ, АУЦ, АУА (выберем один, например, АУУ) Тре (треонин): АЦУ, АЦЦ, АЦА, АЦГ (выберем АЦУ) Асн (аспарагин): ААУ, ААЦ (выберем ААУ) Сер (серин): УЦУ, УЦЦ, УЦА, УЦГ, АГУ, АГЦ (выберем УЦУ) Предполагаемая последовательность мРНК: АУУ АЦУ ААУ УЦУ Теперь найдем последовательность ДНК-матрицы, с которой была синтезирована эта мРНК (комплементарно, У в РНК соответствует А в ДНК, А в РНК соответствует Т в ДНК): мРНК: АУУ АЦУ ААУ УЦУ ДНК-матрица: ТАА ТГА ТТА АГА Тогда вторая цепь ДНК (смысловая) будет комплементарна матричной: ДНК-смысловая: АТТ АЦТ ААТ ТЦТ Состав гена ДНК (обе цепи): ТАА ТГА ТТА АГА АТТ АЦТ ААТ ТЦТ Тип 2. 1. Сколько процентов А,Т,Г,Ц содержится в молекуле ДНК, если известно, что Ц содержится 25%? Решение: По правилам Чаргаффа: Если \(Ц = 25\%\), то \(Г = Ц = 25\%\). Сумма всех оснований \(А + Т + Г + Ц = 100\%\). Тогда \(А + Т = 100\% - (Г + Ц) = 100\% - (25\% + 25\%) = 100\% - 50\% = 50\%\). Поскольку \(А = Т\), то \(А = Т = 50\% / 2 = 25\%\). Ответ: А = 25%, Т = 25%, Г = 25%, Ц = 25%. 2. Какое количество водородных связей в гене между двумя цепями ДНК, если известны, что он состоит из 312 нуклеотидов, 5 из которых – адениловые? Решение: Общее количество нуклеотидов в двухцепочечной ДНК = 312. Количество адениловых нуклеотидов (А) = 5. Поскольку ДНК двухцепочечная, то 312 нуклеотидов — это общее количество нуклеотидов в обеих цепях. Если в одной цепи 5 адениловых нуклеотидов, то в другой цепи им комплементарны 5 тимидиловых нуклеотидов. Однако, формулировка "состоит из 312 нуклеотидов, 5 из которых – адениловые" обычно подразумевает общее количество нуклеотидов в одной цепи или общее количество пар нуклеотидов. Если это общее количество нуклеотидов в двух цепях, то: Общее количество нуклеотидов = 312. Если 5 из них адениловые, то это неверная формулировка для двухцепочечной ДНК, так как А всегда равно Т. Предположим, что 312 нуклеотидов — это общее количество нуклеотидов в одной цепи, и 5 из них адениловые. Тогда: В одной цепи: \(А = 5\). Тогда в комплементарной цепи \(Т = 5\). Общее количество А в двух цепях = 5. Общее количество Т в двух цепях = 5. Это нелогично, так как А должно быть равно Т в целом по молекуле. Давайте переформулируем условие, чтобы оно имело смысл: "ген состоит из 312 пар нуклеотидов, и 5% из них адениловые". Или "ген состоит из 312 нуклеотидов (в одной цепи), и 5 из них адениловые". Наиболее вероятная интерпретация: 312 нуклеотидов — это общее количество нуклеотидов в двухцепочечной ДНК. И 5% из них адениловые. Если \(А = 5\%\) от 312, то это не целое число. Давайте предположим, что "312 нуклеотидов" — это общее количество нуклеотидов в двухцепочечной ДНК, и "5 из которых – адениловые" означает, что количество адениновых нуклеотидов в одной из цепей равно 5. Это тоже не совсем корректно. Наиболее логичная интерпретация: "ген состоит из 312 нуклеотидов" означает, что в одной цепи 312 нуклеотидов, а значит, всего в двух цепях \(312 \times 2 = 624\) нуклеотида. И "5 из которых – адениловые" относится к одной цепи. Если в одной цепи \(А = 5\), то в комплементарной цепи \(Т = 5\). Тогда общее количество А в двух цепях = 5. Общее количество Т в двух цепях = 5. Это противоречит правилам Чаргаффа для всей молекулы. Давайте предположим, что "312 нуклеотидов" — это общее количество нуклеотидов в двухцепочечной ДНК, и "5 из которых – адениловые" означает, что общее количество адениновых нуклеотидов в молекуле ДНК равно 5. Если \(А = 5\), то \(Т = 5\). Общее количество \(А + Т = 5 + 5 = 10\). Общее количество \(Г + Ц = 312 - 10 = 302\). Тогда \(Г = Ц = 302 / 2 = 151\). Количество водородных связей: Между А и Т — 2 водородные связи. Между Г и Ц — 3 водородные связи. Общее количество водородных связей = \((А \times 2) + (Г \times 3)\) Общее количество водородных связей = \((5 \times 2) + (151 \times 3) = 10 + 453 = 463\). Это наиболее логичная интерпретация условия. 3. Определите число оборотов спирали гена ДНК и количество аминокислот в пептиде, если известно, что количество пар нуклеотидов в гене составляет 27000 пару, а каждый полный виток ДНК включает 10 пар нуклеотидов. Решение: а) Число оборотов спирали ДНК: Каждый полный виток ДНК включает 10 пар нуклеотидов. Общее количество пар нуклеотидов = 27000. Число оборотов = Общее количество пар нуклеотидов / Количество пар нуклеотидов в одном витке Число оборотов = \(27000 / 10 = 2700\). б) Количество аминокислот в пептиде: Каждая аминокислота кодируется триплетом (3 нуклеотида) мРНК, который синтезируется с одной цепи ДНК. Количество пар нуклеотидов в гене = 27000. Это означает, что в одной цепи ДНК содержится 27000 нуклеотидов. Количество нуклеотидов в мРНК = 27000. Количество кодонов в мРНК = Количество нуклеотидов в мРНК / 3 Количество кодонов = \(27000 / 3 = 9000\). Каждый кодон кодирует одну аминокислоту (за исключением стоп-кодонов). Если не указано иное, предполагаем, что все кодоны кодируют аминокислоты. Количество аминокислот в пептиде = 9000. 4. В молекуле ДНК обнаружено 880 гуаниловых 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: а) Количество других нуклеотидов: Известно, что \(Г = 880\) нуклеотидов, и это составляет 22% от общего числа нуклеотидов. По правилам Чаргаффа, \(Ц = Г = 880\) нуклеотидов. Тогда \(Г + Ц = 880 + 880 = 1760\) нуклеотидов. Если \(Г = 22\%\), то \(Ц = 22\%\). Сумма \(Г + Ц = 22\% + 22\% = 44\%\). Общее количество нуклеотидов в ДНК (100%): \(100\% = (880 / 22) \times 100 = 40 \times 100 = 4000\) нуклеотидов. Количество \(А + Т = 100\% - 44\% = 56\%\). Количество \(А + Т = 4000 \times 0.56 = 2240\) нуклеотидов. Поскольку \(А = Т\), то \(А = Т = 2240 / 2 = 1120\) нуклеотидов. Ответ: А = 1120, Т = 1120, Ц = 880. б) Длина этого фрагмента ДНК: Длина одного нуклеотида в ДНК составляет 0,34 нм. Общее количество нуклеотидов в одной цепи ДНК = Общее количество нуклеотидов в двух цепях / 2 Общее количество нуклеотидов в одной цепи = \(4000 / 2 = 2000\) нуклеотидов. Длина фрагмента ДНК = Количество нуклеотидов в одной цепи \(\times\) Длина одного нуклеотида Длина фрагмента ДНК = \(2000 \times 0.34 \text{ нм} = 680 \text{ нм}\). Тип 3. 1. Альбумин сыворотки крови человека имеет молекулярную массу 68400. Определите количество аминокислотных остатков в молекуле этого белка. Решение: Средняя молекулярная масса одной аминокислоты составляет примерно 110 а.е.м. (или 110 Да). Количество аминокислотных остатков = Молекулярная масса белка / Средняя молекулярная масса аминокислоты Количество аминокислотных остатков = \(68400 / 110 \approx 621.8\). Округляем до целого числа, так как аминокислоты не могут быть дробными. Количество аминокислотных остатков = 622. 2. Гормон роста человека (соматотропин) – белок, содержащий 191 аминокислоту. Сколько кодирующих нуклеотидов входят в состав гена соматотропина? Определить длину гена, кодирующего этот белок. Решение: а) Количество кодирующих нуклеотидов: Каждая аминокислота кодируется триплетом (3 нуклеотида) мРНК. Количество аминокислот = 191. Количество нуклеотидов в мРНК = Количество аминокислот \(\