Методические рекомендации для студентов медицинского колледжа к самостоятельной работе "Решение задач по молекулярной биологии"

Севастопольское государственное бюджетное образовательное учреждение

профессионального образования

«Севастопольский медицинский колледж имени Жени Дерюгиной»

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

для студентов медицинского колледжа

к самостоятельной работе

«Решение задач по молекулярной биологии»

Методические рекомендации подготовлены

преподавателем биологии и генетики человека

с основами медицинской генетики

З.М.СМИРНОВОЙ

Севастополь

2014г

ЗАДАЧИ ПО МОЛЕКУЛЯРНОЙ БИОЛОГИИ

Молекулярная биология изучает механизмы хранения и передачи наследственной информации.

РЕШЕНИЕ И ОФОРМЛЕНИЕ ЗАДАЧ

- ход решения должен соответствовать последовательности процессов, протекающих в клетке;

- решая задачи необходимо, обосновывать каждое действие теоретически;

- запись решения оформлять аккуратно, символы нуклеотидов в цепи ДНК, иРНК, тРНК
четкие, расположены на одной линии по горизонтали;

- цепи ДНК, иРНК, тРНК размещать на одной строке без переноса;

- ответы на все вопросы выписывать в конце решения, которые должны быть
предельно краткими и абсолютно точным.

Типы задач по молекулярной биологии

1. Транскрипция и ее моделирование:

- определение строения иРНК по структуре ДНК;

Определение антикодонов тРНК по кодонам иРНК (ДНК).

2. Трансляция и ее моделирование:

- определение строение молекулы белка по структуре молекулы иРНК (ДНК);

3. Вычисление количества нуклеотидов, их процентное соотношение в цепи ДНК, иРНК;

4. Определение длины, массы ДНК, иРНК;

5. Определение массы белка;

6. Комбинированные задачи.

Для решения задач необходимо знать:

1. Средняя молекулярная масса аминокислоты – 110 г/моль;

2. Средняя молекулярная масса нуклеотида – 300 г/моль

3. Линейная длина одного нуклеотида (или одной пары нуклеотидов) в нуклеиновой кислоте – 0,34 нм;

3. Триплет (три нуклеотида ДНК или иРНК) шифруют одну аминокислоту (генетический код триплетен);

4. Правила Чаргаффа: А = Т, Г = Ц;

А + Г = Т + Ц (100% в 2-х цепях);

5. Между азотистыми основаниями водородных связей: А = Т – две; Г ≡ Ц – три.

6. Антикодоны тРНК комплементарны кодонам иРНК, а последовательность нуклеотидов иРНК комплементарна одной цепи ДНК;

7. Антикодоны тРНК определяют по кодонам иРНК, по принципу комплементарности.

Антикодоны тРНК можно определить по последовательность нуклеотидов в одной цепи ДНК и наоборот, учитывая, что в молекуле ДНК нет урацила (У), вместо него присутствует тимин (Т).

8. Последовательность аминокислот в полипептиде определяется только по кодонам иРНК, используя таблицу генетического кода.

Структурно-логическая схема

к решению задач по молекулярной биологии

ОБУЧАЮЩИЕ ЗАДАЧИ

1. Транскрипция и ее моделирование:

определение строения иРНК по структуре ДНК

Задача 1. Фрагмент одной из цепей ДНК имеет следующую последовательность нуклеотидов: АААГАТЦАЦАТАТТТ. Определите строение молекулы иРНК, образующейся в процессе транскрипции на данном участке молекулы ДНК.

Решение

Определяем последовательность нуклеотидов иРНК по принципу комплементарности:

А – У; Г – Ц.

ДНК: АААГАТЦАЦАТАТТТ

иРНК: УУУЦУАГУГУАУААА.

Ответ: строение молекулы иРНК – УУУЦУАГУГУАУААА.

Задача 2. Фрагмент цепи ДНК имеет следующую последовательность нуклеотидов: ГАЦЦГАТТЦАГАЦАЦ. Определите кодоны иРНК и антикодоны тРНК.

Решение

По принципу комплементарности кодоны иРНК определяем по ДНК, а антикодоны тРНК по кодонам иРНК.

Кодоны иРНК: ЦУГ–ГЦУ–ААГ–УЦУ–ГУГ;

антикодоны тРНК: ГАЦ; ЦГА; УУЦ; АГА; ЦАЦ.

1. Трансляция и ее моделирование:

определение строения молекулы белка по структуре молекулы ДНК (иРНК)

Генетический код (триплеты иРНК)

Примечание: Триплеты УАА, УАГ и УГА не кодируют аминокислот, а являются стоп-сигналами при считывании.

Задача 3. Участок молекулы ДНК состоит из следующих кодонов: ЦТЦ – ТТЦ – АТГ – ТАТ – ТЦЦ – ААЦ. Напишите структуру иРНК и первичную структуру белка, который кодирует этот отрезок молекулы ДНК.

Решение

Определяем структуру иРНК по ДНК согласно принципу комплементарности.

иРНК: ГАГ – ААГ – УАЦ – АУА – АГГ – УУГ.

Первичную структуру белка определяем по кодонам иРНК, пользуясь таблицей генетического кода.

Последовательность аминокислот: глу – лиз – тир – иле – арг – лей.

Ответ: иРНК: ГАГ – ААГ – УАЦ – АУА – АГГ – УУГ.

Первичная структура белка: глу – лиз – тир – иле – арг – лей.

Задача 4. Фрагмент цепи ДНК имеет последовательность нуклеотидов:

Т Г Г А Г Т Г А Г Т Т А. Определите последовательность нуклеотидов на иРНК, антикодоны тРНК и аминокислотную последовательность фрагмента молекулы белка.

Решение

Согласно принципу комплементарности, на участке ДНК построим иРНК, а по цепи иРНК определим антикодоны тРНК:

ДНК Т Г Г А Г Т Г А Г Т Т А

иРНК А Ц Ц У Ц А Ц У Ц А А У

антикодоны тРНК У Г Г; А Г У; Г А Г; У У А

иРНК разделим на триплеты и по таблице генетического кода определим аминокислотную последовательность белка:

иРНК: АЦЦ – УЦА – ЦУЦ – ААУ.

Белок: тре – сер – лей – асн

Ответ: иРНК: А Ц Ц У Ц А Ц У Ц А А У;

антикодоны тРНК У Г Г; А Г У; Г А Г; У У А

аминокислотная последовательность белка: тре, сер, лей, асн

Задача 4. Полипептид состоит из следующих аминокислот: пролин – тирозин – валин - пролин – гистидин – фенилаланин. Определите структуру участка иРНК, кодирующего данный полипептид, а также последовательность нуклеотидов цепи ДНК с которой синтезирована иРНК.

Решение

Структуру иРНК определяем по таблице генетического кода:

иРНК: ЦЦУУАУГУУЦЦЦЦАУУУУ;

Последовательность нуклеотидов ДНК находим по иРНК согласно принципу комплементарности: ДНК – ГГААТАЦААГГГГТАААА.

Ответ: структура иРНК: ЦЦУУАУГУУЦЦЦЦАУУУУ;

ДНК ГГААТАЦААГГГГТАААА.

Задача 5. Какие изменения произойдут в строении белка, если в фрагменте молекулы иРНК, имеющим состав АУАГУЦАУГУУАЦУГ, произойдет замена нуклеотида в положении 2 на аденин, а в положении 7 на цитозин?

Решение

До изменений в иРНК, полипептид имел следующую последовательность аминокислот, согласно таблице генетического кода: иле – вал – мет – лей – лей.

После изменений: иРНК – АААГУЦЦУГУУАЦУГ;

полипептид: лиз – вал – лей – лей – лей.

Ответ: белок после изменений: лиз – вал – лей – лей – лей.

Задача 6. В участке молекулы иРНК находится информация о порядке расположения аминокислотных остатков в белке, который содержит 200 пептидных связей. Определите сколько нуклеотидных остатков входит в состав участка молекулы ДНК, который содержит информацию о данном белке.

Решение

1. Определим количество аминокислот в белке, учитывая, что пептидных связей на одну меньше, чем аминокислотных остатков: 200 + 1 = 201 аминокислотных остатков в белке.

2. Определим количество нуклеотидных остатков, зная, что одну аминокислоту кодирует три нуклеотида (генетический код триплетен): 3 х 201 = 603 нуклеотида на одной цепи и столько же на другой (ДНК двойная спираль): 603 х 2 = 1206 нуклеотидных остатка.

Ответ: В состав участка молекулы ДНК водит 1206 нуклеотидных остатков.

1. Вычисление количества нуклеотидов, их процентное соотношение в цепи ДНК, иРНК

Задача 7. Фрагмент молекулы ДНК содержит 22% тимидиловых нуклеотидов в общем количестве нуклеотидов. Определите процентное содержание в данном фрагменте гуаниловых, цитидиловых, тиминовых нуклеотидов.

Дано:

Т -22% .

Содержание (%) А, Г, Ц –?

Решение

Согласно правилу Чаргаффа А = Т; Г = Ц,

Сумма нуклеотидов в ДНК составляет 100%.

Так как тимин комплементарен аденину, то А = 22%.

А+Т = 22% + 22% = 44%

100% - 44% = 56% (Г+Ц)

Так как гуанин комплементарен цитозину, то их количество равно, следовательно,

56 : 2 = 28% (приходится на Г и столько же на Ц)

Ответ: А – 22%, Г – 28%, Ц – 28%.

Задача 8. Сколько содержится нуклеотидов А, Т, Г, в фрагменте молекулы ДНК, если в нем обнаружено 1500 нуклеотидов Ц, что составляет 30% от общего количества нуклеотидов в этом фрагменте ДНК?

Дано:

Ц- 30% =1500 нуклеотидов

Количество нуклеотидов А, Т, Г – ?

Решение

Согласно правилу Чаргаффа: А = Т; Г = Ц, следовательно, количество Г = 30%, что составляет 1500 нуклеотидов. Ц + Г = 1500 + 1500 = 3000.

30% + 30% = 60%.

Все нуклеотиды в ДНК – 100%, следовательно, 100% – 60% = 40%, приходится на А и Т, на каждый по 20%

20% - х

30% - 1500; Х = 20 х 1500 : 30 = 1000 нуклеотидов приходится на А и столько же на Т.

Ответ: фрагмент молекулы ДНК содержит: Г – 1500, А – 1000, Т – 1000.

Задача 9. Цепь иРНК содержит: А – 10%; Г – 14%; У – 34%; Ц – 42%.

Определите процентное содержание нуклеотидов в молекуле ДНК, которая послужила матрицей для этой иРНК.

Решение

Состав иРНК: А – 10%; Г – 14%; У – 34%; Ц – 42%.

Тогда состав ДНК: Т – 10%; Ц – 14%; А – 34%; Г – 42%.

А – 10%; Г – 14%; Т – 34%; Ц – 42%.

А = Т = (34% + 10%)/2 = 22%.

Г = Ц = (14% = 42%)/2 = 28%.

Ответ: процентное содержание нуклеотидов в молекуле ДНК: А – 22%; Т – 22%;

Г – 28%; Ц – 28%.

Задача 10. Сколько нуклеотидов содержит ген, кодирующий белок из 210 аминокислот?

Решение

Одну аминокислоту кодирует 3 нуклеотда, следовательно, 210 х 3 = 630 нуклеотидов находится на одной цепи ДНК. На двух цепях ДНК: 630 х 2 = 1260 нуклеотидов.

Ответ: 1260 нуклеотидов. 

4. Определение длины, массы ДНК, иРНК

Задача 11. Участок молекулы ДНК состоит из 60 пар нуклеотидов. Определите длину фрагмента ДНК (расстояние между нуклеотидами в ДНК составляет 0,34 нм)

Дано:

60 пар нуклеотидов

L_ДНК – ?

Решение

Зная, что длина нуклеотида 0,34 нм: L_ДНК = 60 х 0,34= 20,4 нм

Ответ: длина ДНК – 20,4 нм.

Задача 12. Длина фрагмента молекулы ДНК составляет 510 нм. Определите число пар нуклеотидов в этом участке.

Решение

Длина нуклеотида 0,34 нм

510 : 0,34 = 1500 нуклеотидов

Ответ: 1500 пар нуклеотидов.

Задача 13. Число нуклеотидов в двух цепях ДНК равно 100. Определите длину этого

участка

Дано:

100 нуклеотидов

L_ДНК – ?

Решение

Длина нуклеотида 0,34 нм, длина ДНК определяется по одной цепи. Определим количество нуклеотидов на одной цепи: 100/2 = 50 нуклеотидов.

Длина ДНК: 50 х 0,34 = 17нм

Ответ: 17нм.

Задача 14. Какую длину имеет участок молекулы ДНК, в котором закодирована первичная структура инсулина, если молекула инсулина содержит 51 аминокислоту, а один нуклеотид занимает 0,34 нм в цепи ДНК? Какое число молекул тРНК необходимо для переноса этого количества аминокислот к месту синтеза? Ответ поясните.

Дано:

51 аминокислота,

1 нуклеотид 0,34 нм

L_ДНК – ?

Число тРНК – ?

1) одну аминокислоту кодирует три нуклеотида: 51 х 3 =153 нуклеотида;

2) один нуклеотид имеет длину 0,34 х 153 = 52 нм;

3) одна тРНК переносит одну аминокислоту: тРНК – 51 молекула;

Ответ: длина ДНК 52 нм, число тРНК – 51.

Задача 15. Число нуклеотидов в цепи и-РНК равно 100. Определите длину этого участка.

Решение

и-РНК состоит из одной цепи, длина нуклеотида 0,34 нм

100 х 0,34 = 34нм

Ответ: 34нм.

Задача 16. В состав белка входит 500 аминокислот. Какова длина информативной части гена, который кодирует данный белок?

Решение

Каждую аминокислоту кодирует три нуклеотида. Следовательно, соответствующий участок одной цепи ДНК состоит из 500 х 3 = 1500 нуклеотидов, а ген состоит из 1500 пар нуклеотидов.

Длина одной пары нуклеотидов 0,34 нм.

Длина гена: 1500 х 0,34 = 510нм.

Ответ: длина информативной части гена 510 нм.

Задача 17. Молекулярная масса белка 19800. Определите длину информативной части гена, который кодирует этот белок.

Решение

Белок состоит из аминокислот. Молекулярная масса аминокислоты – 110. Белок состоит из 19800 : 110 = 180 (аминокислот).

Генетический код триплетен. Всего нуклеотидов на информативной части ДНК: 180 х 3 = 540.

Расстояние между соседними нуклеотидами 0,34нм. Длина гена: 540 х 0,34 = 183,6 нм.

Ответ: длина информативной части гена 183,6 нм.

5. Определение массы белка, количества аминокислот

Задача 18. Фрагмент молекулы ДНК содержит 1230 нуклеотидных остатков. Сколько аминокислот будет входить в состав белка, если в ней не содержится неинформативных последовательностей? Определите молекулярную массу белка?

Решение

Т.к. неинформативных последовательностей нет, все 1230 нуклеотидов шифруют аминокислоты. Генетический код триплетен, поэтому 1230 : 3 = 410 аминокислот.

Одна аминокислота имеет среднюю молекулярную массу – 110.

Mr _белка: 410 х 110 = 45100

Ответ: 410 аминокислот. Mr _белка: 45100.

Задача 19. Определите число аминокислот, входящих в состав белка, число триплетов и число нуклеотидов в гене, который кодирует этот белок, если в процессе трансляции участвовало 30 молекул тРНК.

Решение

Одна тРНК переносит одну аминокислоту, следовательно, аминокислот 30.

Одну аминокислоту кодирует один триплет – три нуклеотида ДНК (иРНК), поэтому триплетов 30.

1 триплет – 3 нуклеотида, следовательно, 30 х 3 = 90 нуклеотидов.

Ответ: аминокислот 30; триплетов 30; нуклеотидов 90.

Комбинированные задачи

Задача 20. Молекулярная масса полипептида составляет 44000. Определите длину кодирующего его гена.

Дано:

Mr _белка - 44000

Mr _{аминокислоты} - 110

расстояние между нуклеотидами 0,34нм

L_ДНК – ?

Решение

Так как полипептид состоит из аминокислот со средней Mr – 110, найдем количество аминокислот 44000 : 110 = 400.

Одну аминокислоту шифрует три нуклеотида: 400 х 3 = 1200 нуклеотидов

Ген – участок ДНК, состоит из нуклеотидов. Длина гена 1200 х 0,34=408 нм.

Ответ: длина гена 408 нм.

Задача 21. Белок состоит из 100 аминокислот. Установите, во сколько раз молекулярная масса участка гена, кодирующего данный белок, превышает молекулярную массу белка, если средняя молекулярная масса аминокислоты -110, а нуклеотида - 300.

Дано:

Белок – 100 аминокислот

Mr _{аминокислоты} – 110

Mr _{нуклеотида} – 300

Во ск. раз Mr гена

превышает Mr белка – ?

Решение

Так как ген – участок ДНК, состоит из нуклеотидов, то определим их количество, зная, что одну аминокислоту кодируют 3 нуклеотида:

100 х 3 = 300 нуклеотидов на одной спирали ДНК.

ДНК двойная спираль, следовательно: 300 х 2 = 600 нуклеотидов на двух спиралях

Mr _белка: 100 х 110 = 11000,

Mr _гена: 600 х 300 = 180000; 180000/11000 = 20,7 раз

Mr _гена, кодирующего данный белок, превышает Mr _белка 16,3 раза

Ответ: в 16,3 раза.

ЗАДАЧИ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО РЕШЕНИЯ

1. Укажите триплет нуклеотидов в иРНК, которые обеспечивают начало процесса трансляции.

2. Укажите триплеты нуклеотидов в иРНК, которые обеспечивают окончание процесса трансляции.

3. Определите последовательность нуклеотидов иРНК, синтезированную с правой цепи участка молекулы ДНК, если её левая цепь имеет следующую последовательность:

- Ц – Г – А – Г – Т – Т – Г – Г – А – Т – Т – Ц – Г – Т – Г -.

4. Определите последовательность аминокислотных остатков в молекуле белка, закодированной в участке цепи ДНК:

- Г – Т – А – А – Г – А – Т – Т – Т – Ц – Т – Ц – Г – Т – Г –.

5. Определите последовательность нуклеотидов в молекуле иРНК, если участок молекулы белка, синтезированный с неё имеет вид: - треонин– метионин – гистидин – валин –изолейцин – пролин –цистеин -.

6. Как изменится структура белка, если из кодирующего его участка ДНК:

Г – А – Т – А – Ц – Ц – Г – А – Т – А – А – А – Г – А – Ц …, удалить шестой и тринадцатый (слева) нуклеотиды?

7. Какие изменения произойдут в строении белка, если в кодирующем его участке ДНК:

Т – А – А – Ц – А – Г – А – Г – Г – А – Ц – Ц – А – А – Г… между 10 и 11 нуклеотидами включен цитозин, между 13 и 14 – тимин, а на конце рядом с гуанином прибавится еще один гуанин?

8. Определите иРНК и первичную структуру белка, закодированного в участке ДНК:

-Г – Т – Т – Ц – Т – А – А – А – А – Г – Г – Ц – Ц – А - Т -, если 5-й нуклеотид будет удален, а между 8 и 9 нуклеотидом встанет тимидиловый нуклеотид?

9. Полипептид состоит из следующих друг за другом расположенных аминокислот: валин – аланин – глицин – лизин – триптофан – валин – серин – глутаминовая кислота. Определите структуру участка ДНК, кодирующего выше указанный полипептид.

10. В цепи ДНК имеется 28,6 % тимидиловых азотистых оснований. Определить процент гуаниловых, адениловых, цитидиловых оснований в этой цепи.

11. В молекуле иРНК обнаружено 440 гуаниловых нуклеотидов, 235 адениловых, 128 цитидиловых и 348 уридиловых нуклеотидов. Определите:

а) сколько и каких нуклеотидов содержится в молекуле ДНК, «слепком» с которой является данная иРНК?

б) какова длина данного участка молекулы иРНК?

12. Фрагмент молекулы ДНК содержит 570 тимидиловых нуклеотидов, что составляет 32,5 % от общего их количества. Определить, сколько в данном фрагменте содержится цитидиловых, адениловых и гуаниловых нуклеотидов.

13. Белок состоит из 167 аминокислот. Какую длину имеет определяющий его ген? Сколько нуклеотидов входит в его состав?

14. Молекула иРНК несет информацию о белке, состоящем из 230 аминокислот. Какова длина данной молекулы иРНК? Сколько нуклеотидов имеется в участке молекулы ДНК, с которой была транскрибирована данная иРНК?

15. В ходе трансляции образован полипептид, который содержит 49 пептидных связей. Укажите сколько нуклеотидных остатков входит в состав участка молекулы РНК, который содержит информацию о первичной структуре этого полипептида?

16. Одна белковая молекула состоит из 460 аминокислот. Определите длину и массу гена, несущего информацию о структуре этой белковой молекулы.

17. Определите антикодоны т-РНК, участвующих в синтезе белка, кодируемого следующим фрагментом ДНК:

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