Задачи по цитологии

ЗАДАНИЕ С5

Решение задач по цитологии на применение знаний в новой ситуации

Задание С5 включает задачи по цитологии, связанные с процес­сами реализации наследственной информации и делением клетки. Эти задачи хороши тем, что вопросы в них конкретны и точны. С другой стороны, они достаточно сложны и требуют глубокого понимания тех процессов, о которых идет речь. Важным момен­том при решении заданий С5 является объяснение выполняемых действий, особенно если в задаче так и написано: «Ответ поясни­те». Наличие пояснений позволяет проверяющему сделать вывод о понимании учащимся данной темы, а их отсутствие может при­вести к потере очень важного балла.

Задание С5 оценивается в три балла, которые начисляются в случае полностью верного решения. Поэтому, приступая к задаче, в первую очередь необходимо выделить все вопросы. Количество ответов должно им соответствовать, иначе можно также ли­шиться балла.

При решении ряда задач данного раздела необходимо пользо­ваться таблицей генетического кода. Правила пользования таб­лицей обычно указываются в задании, но лучше научиться это­му заранее. Для определения аминокислоты, кодируемой тем или иным триплетом, необходимо выполнить следующие действия. Первый нуклеотид триплета находим в левом вертикальном ряду, второй - в верхнем горизонтальном, третий - в правом верти­кальном ряду. Искомая аминокислота находится в точке пересе­чения воображаемых линий, идущих от нуклеотидов.

ЗАДАЧИ НА КОЛИЧЕСТВЕННЫЕ СООТНОШЕНИЯ ПРИ РЕАЛИЗАЦИИ НАСЛЕДСТВЕННОЙ ИНФОРМАЦИИ

При решении задач этого типа необходимо помнить и обяза­тельно указывать в пояснениях следующее:

• каждая аминокислота доставляется к рибосомам одной тРНК, следовательно, количество аминокислот в белке равно количе­ству молекул тРНК, участвовавших в синтезе белка;

• каждая аминокислота кодируется тремя нуклеотидами (одним триплетом, или кодоном), поэтому количество кодирующих ну­клеотидов всегда в три раза больше, а количество триплетов (ко­донов) равно количеству аминокислот в белке;

• каждая тРНК имеет антикодон, комплементарный кодону иРНК, поэтому количество антикодонов, а значит и в целом молекул тРНК равно количеству кодонов иРНК;

• иРНК комплементарна одной из цепей ДНК, поэтому количество нуклеотидов иРНК равно количеству нуклеотидов ДНК. Количе­ство триплетов, разумеется, также будет одинаковым.

Задача 1. В трансляции участвовало 75 молекул тРНК. Опреде­лите число аминокислот, входящих в состав синтезируемого белка, а также число триплетов и нуклеотидов в гене, который кодирует данный белок.

Решение.

1. Одна молекула тРНК доставляет к рибосоме одну аминокисло­ту. В трансляции участвовало 75 молекул тРНК, следовательно, в состав синтезированного белка входит 75 аминокислот.

2. Каждая аминокислота кодируется одним триплетом ДНК, поэто­му участок ДНК, кодирующий данный белок, содержит 75 триплетов.

3. Каждый триплет - это три нуклеотида, следовательно, указан­ный участок ДНК содержит 75 х 3 = 225 нуклеотидов.

Ответ: 75 аминокислот, 75 триплетов ДНК, 225 нуклеотидов ДНК.

Задача 2. Белок состоит из 200 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. Ответ поясните.

Решение.

1. Средняя масса аминокислоты - 110, количество аминокислот

в белке - 200, следовательно, молекулярная масса белка 110x200 = 22000.

1. Каждая аминокислота кодируется тремя нуклеотидами, сле­довательно, количество нуклеотидов в указанном участке гена 200 х 3 = 600.

2. Молекулярная масса участка гена составляет 600 х 300 = 180000.

3. 180000 / 22000 = 8,2, т. е. молекулярная масса участка гена в 8,2 раза больше молекулярной массы кодируемого белка.

Ответ: в 8,2 раза.

ЗАДАЧИ НА ПОСТРОЕНИЕ МОЛЕКУЛЫ иРНК, АНТИКОДОНОВ тРНК И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ АМИНОКИСЛОТ В БЕЛКЕ

При решении задач этого типа необходимо помнить и обязательно указывать в пояснениях следующее:

• нуклеотиды иРНК комплементарны нуклеотидам ДНК;

• вместо тимина во всех видах РНК записывается урацил;

• нуклеотиды иРНК пишутся подряд, без запятых, т. к. имеется в виду одна молекула;

• антикодоны тРНК пишутся через запятую, т. к. каждый антикодон принадлежит отдельной молекуле тРНК;

• аминокислоты находим по таблице генетического кода;

• если дана таблица генетического кода для иРНК, значит, исполь­зуем кодоны иРНК:

• аминокислоты в белке пишутся через дефис, т. к. имеется в виду, что они уже соединились и образовали первичную структуру белка.

Задача 3. Фрагмент цепи ДНК имеет последовательность АЦГТТГЦЦЦААТ. Определите последовательность нуклеотидов иРНК, антикодоны тРНК и последовательность аминокислот в синтезируемом белке.

Решение.

2.Пояснения. иРНК строим комплементарно ДНК; антикодоны тРНК комплементарны кодонам иРНК; аминокислоты находим по кодонам иРНК, используя таблицу генетического кода.

ЗАДАЧИ НА ОПРЕДЕЛЕНИЕ АМИНОКИСЛОТНОЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ В БЕЛКЕ ДО И ПОСЛЕ ИЗМЕНЕНИЙ В ДНК

При решении задач этого типа главное правильно убрать или, наоборот, добавить в зависимости от условий указанный нуклео­тид или, возможно, целый триплет.

Задача 4. С какой последовательности аминокислот начинается белок, если он закодирован такой последовательностью нукле­отидов: ГАЦЦГАТГТАТГАГА. Каким станет начало цепочки, если под влиянием облучения четвертый нуклеотид окажется выби­тым из молекулы ДНК? Как это отразится на свойствах синтези­руемого белка?

Решение.

2).Получаем измененную последовательность нуклеотидов. Для этого считаем слева направо, находим четвертый нуклеотид и уби­раем его. Оставшаяся последовательность будет на один нуклеотид короче, поэтому последний триплет будет неполным. Значит, и по­следовательность аминокислот будет короче на одну аминокислоту.

3).Первичная структура белка изменилась (изменилось число ами­нокислот и их последовательность), что отразится на пространствен­ной структуре молекулы, а значит, и на ее свойствах и функциях.

ЗАДАЧИ НА ОПРЕДЕЛЕНИЕ СТРУКТУРЫ тРНК И ПЕРЕНОСИМОЙ ЕЕ АМИНОКИСЛОТЫ

При решении задач данного типа следует помнить следующее:

• тРНК синтезируются прямо на матрице ДНК по принципу ком- плементарности и без участия иРНК (обычно это указывается в условии задачи);

• указанный в условии триплет тРНК является антикодоном;

• чтобы узнать, какую аминокислоту переносит тРНК, необходимо построить кодон иРНК, комплементарный антикодону тРНК;

• по кодону иРНК с помощью таблицы генетического кода опреде­ляем аминокислоту.

Задача 5. Известно, что все виды РНК синтезируются на ДНК- матрице. Фрагмент молекулы ДНК, на которой синтезировался участок центральной петли тРНК, имеет следующую последо­вательность нуклеотидов: ЦГЦГАЦГТГГТЦГАА. Установите ну­клеотидную последовательность участка тРНК, который синте­зируется на данном фрагменте, и аминокислоту, которую будет переносить эта тРНК в процессе биосинтеза белка, если третий триплет соответствует антикодону тРНК. Ответ поясните.

Решение.

ЗАДАЧИ НА КОЛИЧЕСТВЕННОЕ СООТНОШЕНИЕ НУКЛЕОТИДОВ В МОЛЕКУЛЕ ДНК

И НА РАСЧЕТ ЧИСЛА ВОДОРОДНЫХ СВЯЗЕЙ МЕЖДУ НИМИ

При решении подобных задач необходимо помнить:

• количество адениловых (А) нуклеотидов равно количеству тими- диловых (Т), а количество гуаниловых (Г) - количеству цитиди- ловых (Ц);

• между аденином и тимином две водородные связи, между гуани­ном и цитозином - три.

Задача 6. Фрагмент молекулы ДНК состоит из 2000 нуклеотидов, при этом количество гуаниловых в полтора раза больше тими- диловых. Сколько нуклеотидов А, Т, Г и Ц содержится в данном фрагменте ДНК?

Решение.

1. Примем за X число тимидиловых нуклеотидов, тогда число аде- ниловых - тоже X, число гуаниловых - 1,5Х, число цитидиловых тоже 1,5Х.

2. X + X + 1,5Х + 1,5Х = 2000, X = 400.

3. Следовательно, количество Т = 400, А = 400, Г = 600, Ц = 600.

4. Ответ: Т = 400, А = 400, Г = 600, Ц = 600.

Задача 7. Фрагмент цепи ДНК имеет последовательность АЦТАТАГЦА. Определите нуклеотидную последовательность второй цепи и общее количество водородных связей, которые образуются между двумя цепями.

Решение.

1. 

2)Считаем количество пар аденин - тимин и умножаем на 2, т. к. между аденином и тимином образуются две водородные связи. 6x2 = 12 водородных связей.

3) Считаем количество пар гуанин - цитозин и умножаем на 3, т. к. между гуанином и цитозином образуются три водородные связи. 3x3 = 9 водородных связей.

4) Общее количество водородных связей в этом фрагменте 12 + 9 = 21.

Ответ: 21 водородная связь

ЗАДАЧИ НА ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЛИНЫ ОТДЕЛЬНОГО УЧАСТКА ДНК ИЛИ КОЛИЧЕСТВА НУКЛЕОТИДОВ В НЕМ

Задачи данного типа требуют внимательности в математи­ческих расчетах. Кроме того, необходимо учитывать, о чем идет речь, о парах нуклеотидов или об общем количестве нуклеотидов.

Задача 8. Контурная длина молекулы ДНК бактериофага состав­ляет 17x10'⁶ м. После воздействия на него мутагенами длина оказалась 13,6x10^-6 м. Определите, сколько пар азотистых осно­ваний выпало в результате мутации, если известно, что рассто­яние между соседними нуклеотидами составляет 34x10¹¹ м.

Решение.

1. Вычислим общую длину отрезка ДНК бактериофага выпавшего в результате воздействия мутагенами. 17x10'⁶ - 13,6x10⁶ = 3,4x10 ⁶(м).

2. Вычислим количество пар нуклеотидов в выпавшем фрагменте:

3,4x10^-6 / 34x10'¹¹ = 10⁴ = 10 ООО (пар нуклеотидов).

Ответ: 10 тысяч пар нуклеотидов.

ЗАДАЧИ НА ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОБЩЕЙ ДЛИНЫ ДНК В ПОЛОВЫХ И СОМАТИЧЕСКИХ КЛЕТКАХ НА РАЗНЫХ ЭТАПАХ ИХ ЖИЗНЕННОГО ЦИКЛА

При решении подобных задач необходимо четко понимать следу­ющее:

• количество ДНК и количество хромосом - не одно и то же;

• после репликации ДНК число хромосом остается прежним, а ко­личество ДНК увеличивается вдвое (каждая хромосома содер­жит две хроматиды);

• количество ДНК в соматических клетках в два раза больше, чем в половых;

• в конце интерфазы, т. е. после завершения репликации, в сома­тической клетке количество ДНК становится в два раза больше обычного;

• в течение профазы, метафазы и анафазы количество ДНК по- прежнему превышает обычное в два раза;

• после завершения деления (а точнее, после завершения тело- фазы) образовавшиеся дочерние клетки содержат количество ДНК, характерное для соматической клетки данного организма;

• у цветковых растений клетки эндосперма содержат триплоидный набор хромосом, поэтому количество ДНК в них в три раза боль­ше, чем в гаметах.

Задача 9. В хромосомах соматических клеток человека у муж­чин содержится 5,6x10⁹ пар нуклеотидов. Какое количество пар нуклеотидов содержится в сперматозоидах и в клетках голов­ного мозга? Какое количество пар нуклеотидов содержится в эпителиальных клетках в момент метафазы?

Решение.

1. Сперматозоид содержит гаплоидный набор хромосом, следо-

вательно, количество ДНК в два раза меньше, чем в соматических клетках: 5,6x10⁹ / 2 = 2,8x10⁹ пар нуклеотидов.

1. Клетки головного мозга являются соматическими, следователь­но, содержат 5,6x10⁹ пар нуклеотидов.

2. В момент метафазы количество ДНК в делящейся клетке вдвое больше обычного (т. к. хромосомы содержат по две хроматиды), сле­довательно, количество нуклеотидов составляет

5,6x10⁹ х 2 = 11,2x10⁹ пар нуклеотидов.

Ответ: 1) 2,8x10⁹ п. н„ 2) 5,6x10⁹ п. н„ 3) 11,2x10⁹ п. н.

ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО РЕШЕНИЯ

С5.1. Белок состоит из 240 аминокислот. Установите число нуклео­тидов молекуле иРНК и в двухцепочечном фрагменте ДНК, кодирую­щем данный белок, и число молекул тРНК, необходимых для пере­носа аминокислот к месту синтеза белка.

С5.2. Участок цепи ДНК, кодирующий первичную структуру полипеп­тида, состоит из 510 нуклеотидов. Определите число нуклеотидов соответствующей иРНК, число аминокислот в белке и количество тРНК, необходимых для переноса этих аминокислот к месту синтеза. Ответ поясните.

С5.3. В трансляции участвовало 60 молекул тРНК. Определите чис­ло аминокислот, входящих в состав синтезируемого белка, а также число кодонов иРНК и количество нуклеотидов в двухцепочечном фрагменте ДНК, содержащем информацию о первичной структуре данного белка.

С5.4. Белок состоит из 150 аминокислот. Определите примерную мо­лекулярную массу соответствующей иРНК, если известно, что сред­няя молекулярная масса нуклеотида - 300.

С5.5. Отрезок молекулы ДНК, кодирующий первичную структуру белка, имеет последовательность ТЦАТГГЦТТАГГ. Определите последова­тельность нуклеотидов иРНК, антикодоны тРНК, участвующих в синте­зе белка, и последовательность аминокислот в синтезируемом белке.

С5.6. В биосинтезе белка участвовали тРНК с антикодонами УУА, ГГЦ, ЦГЦ, АУА, ЦГУ. Определите структуру двухцепочечного участка молекулы ДНК, несущего информацию о синтезируемом полипепти­де и последовательность аминокислот в нем.

С5.7. Матрицей для синтеза белка послужил фрагмент иРНК, имею­щий последовательность АУГГЦУАААЦЦГ. Определите антикодоны тРНК, участвовавшие в трансляции, первичную структуру синтези­рованного белка и последовательность нуклеотидов в гене, кодиру­ющем данный белок.

С5.8. Смысловой участок цепи ДНК представлен последователь­ностью нуклеотидов ЦЦГАЦАГАЦГТАГГА. В результате мутации произошла замена шестого слева аденилового нуклеотида на гуани- ловый. Определите последовательность аминокислот, кодируемую исходным и измененным фрагментами ДНК. Сравните их. Какое свойство генетического кода позволяет объяснить полученные ре­зультаты?

С5.9. В последовательности цепи ДНК ТГЦАТГТААГГТЦЦА в ре­зультате мутации выпал третий нуклеотид во втором триплете. Определите аминокислотную последовательность в нормальном и измененном белке. Сравните их. К какому виду мутаций относится данное изменение?

С5.10. Определите последовательность аминокислот в белке, коди­руемом участком цепи ДНК ТТГЦАТГТААГГ. Как изменится первич­ная структура белка, если в результате действия мутагена фрагмент цепи, включающий 4-7 нуклеотиды, перевернулся на 180°? Как это отразится на свойствах белка?

С5.11. Скорость транскрипции составляет примерно 50 нуклеотидов в секунду. Сколько времени потребуется для синтеза иРНК, несущей ин­формацию о белке, состоящем из 200 аминокислот? Ответ поясните.

С5.12. Скорость трансляции составляет примерно 6 триплетов в се­кунду. Сколько времени потребуется для синтеза белка, состоящего из 180 аминокислот?

С5.13. Двухцепочечный фрагмент молекулы ДНК включает 200 ну­клеотидов. Нуклеотиды с гуанином (Г) составляют 16% от общего числа нуклеотидов. Определите количество нуклеотидов каждого вида. Объясните полученные результаты.

С5.14. Известно, что все виды РНК синтезируются на ДНК-матрице. Фрагмент молекулы ДНК, на которой синтезировался участок цент­ральной петли тРНК, имеет следующую последовательность ну­клеотидов: ГЦГАЦГТГТТЦГААЦ. Установите нуклеотидную после­довательность участка тРНК, который синтезируется на данном фрагменте, и аминокислоту, которую будет переносить эта тРНК в процессе биосинтеза белка, если третий триплет соответствует ан­тикодону тРНК. Ответ поясните.

С5.15. Определите число А, Т, Г и Ц нуклеотидов в двухцепочечном фрагменте ДНК, если известно, что 40 из них соединены между со­бой двойными водородными связями, а 50 - тройными. Ответ по­ясните.

С5.16. Участок одной из двух цепей молекулы ДНК содержит 150 аде- ниловых нуклеотидов (А), 200 тимидиловых (Т), 300 гуаниловых (Г) и 100 цитидиловых (Ц). Какое число А, Т, Г и Ц нуклеотидов содержит­ся в двухцепочечной молекуле ДНК? Сколько аминокислот составля­ют первичную структуру белка, кодируемого этим фрагментом ДНК? Ответ поясните.

С5.17. Альфа-цепь гемоглобина содержит 141 аминокислотный остаток. Определите длину участка ДНК, кодирующего последо­вательность аминокислот в а-цепи, если известно, что расстояние между нуклеотидами составляет 0,34 нм.

С5.18. Общее количество нуклеотидов в соматических клетках жен­щины равно 11,4x10⁹. Рассчитайте суммарную длину всех молекул ДНК соматической клетки женщины, если расстояние между сосед­ними нуклеотидами составляет 34х10~¹¹м. Определите общую длину ДНК в яйцеклетке. Ответ поясните.

С5.19. Гаплоидный набор хромосом мягкой пшеницы составляет 21. Сколько хромосом содержится в клетках корня пшеницы, зародыша семени и эндосперма семени. Ответ поясните.

С5.20. Диплоидный набор хромосом шимпанзе равен 48. Опреде­лите число молекул ДНК в клетках шимпанзе: 1) в начале деления клетки; 2) после окончания митоза; 3) после окончания мейоза.