Как найти длину белка

Решение задач по молекулярной биологии

Разделы: Биология

Темы «Молекулярная биология» и «Генетика» – наиболее интересные и сложные темы в курсе «Общая биология». Эти темы изучаются и в 9-х, и в 11­х классах, но времени на отработку умения решать задачи в программе явно недостаточно. Однако умение решать задачи по генетике и молекулярной биологии предусмотрено Стандартом биологического образования, а также такие задачи входят в состав КИМ ЕГЭ.

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

Типовые задачи знакомят с основными приемами рассуждений в генетике, а «сюжетные»– полнее раскрывают и иллюстрируют особенности этой науки, делая ее интересной и привлекательной для учащихся. Подобранные задачи характеризуют генетику 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.

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

Примеры решения задач

• 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.

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. Для наглядности можно использовать магнитную «азбуку» ДНК (прием автора статьи) .
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 последовательности аминокислот, которой начинается цепь инсулина.
Решение: Задание выполняется с помощью таблицы генетического кода, в которой нуклеотиды в иРНК (в скобках – в исходной ДНК) соответствуют аминокислотным остаткам.

Задача № 3. 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 ДНКопределить невозможно, структура может варьировать. Используя принцип комплементарности и таблицу генетического кода получаем один из вариантов:

Бесплатный
Дистанционный конкурс «Стоп коронавирус»

Приглашаем к участию
учеников 1-11 классов

Идёт приём заявок

Мастер-класс по теме «Решение задач по молекулярной биологии»

Решение задач по молекулярной биологии

Мастер-класс учителя биологии МОУ СОШ№13 станицы Терновской Корниенко А.В.

Решение задач по молекулярной биологии

В курсе общей биологии для понимания хода процессов редупликации, транскрипции и трансляции, строения ДНК и РНК, необходимо теорию подкреплять практикой, вводя в курс элементарные задачи по молекулярной биологии.

Простейшие задачи молекулярной биологии можно разделить на следующие типы:

1. «Прямой синтез»:

— выстраивание цепи нуклеиновой кислоты (редупликация, транскрипция) по матрице, используя принцип комплементарности;

— определение структуры белка по заданной иРНК(трансляция), используя таблицу генетического кода

2. «Обратный синтез»:

— восстановление участка цепи ДНК по известной РНК, используя принцип комплементарности;

— определение структуры участка ДНК (молекулы РНК) по известному полипептиду, используя таблицу генетического кода и принцип комплементарности;

3. Определение антикодонов и количества тРНК, по заданной цепи иРНК или ДНК;

4. Определение структуры белка, если известна точечная мутация ДНК (выпадение, вставка нуклеотида и др.);

5. Нахождение процентного содержания трех нуклеотидов в молекуле ДНК по известному процентному содержанию четвертого;

6. Вычисление количества водородных связей между цепями ДНК, если известны: суммарное количество нуклеотидов и количество одного из них;

7. Вычисление количества нуклеотидов в ДНК, кодирующих пептид с заданным количеством аминокислот;

8. Определение длины гена, если известны: количество аминокислот и расстояние между нуклеотидами;

9. Определение молекулярной массы гена, используя известные молекулярные массы белка, аминокислоты, нуклеотида ;

10. Определение количества нуклеотидов и их массы в гене, если известна молекулярная масса ДНК и масса всех нуклеотидов одного вида;

11. Определение числа оборотов спирали гена ДНК и количества аминокислот, если известно количество пар нуклеотидов в гене и в витке спирали;

12. Комбинированные задачи, в которых сочетаются предыдущие типы.

Рассмотрим решение подобных задач каждого типа:

Определите нуклеотидный состав дочерней ДНК, которая возникла в процессе редупликации по следующей цепи: АТТГЦАТТГАГГА.

ДНК₁: А Т Т Г Ц А Т Т Г А Г Г А

ДНК₂: Т А А Ц Г Т А А Ц Т Ц Ц Т

Определите нуклеотидный состав РНК, которая возникла в процессе транскрипции со следующей цепи ДНК: АТТГЦАТТГАГГА.

ДНК: А Т Т Г Ц А Т Т Г А Г Г А

РНК: У А А Ц Г У А А Ц У Ц Ц У

Определите структуру белка, который был синтезирован по данной иРНК, используя таблицу генетического кода ЦУГЦЦАГЦАУГГ.

РНК: ЦУГ – ЦЦА – ГЦА – УГГ

Белок: лей — про — ала — три

Определите структуру участка молекулы РНК, используя таблицу генетического кода, если полипептид, который был синтезирован по ней имеет следующий состав: иле-тре-асн-сер

Белок: иле — тре — асн — сер

иРНК: АУУ – АЦУ – ААУ – АГУ

5. Используя таблицу генетического кода и принцип комплементарности, установите состав гена ДНК, по которому была синтезирована следующая молекула белка: иле-тре-асн-сер

Белок: иле — тре — асн — сер

иРНК: АУУ – АЦУ – ААУ – АГУ

ДНК: ТАА – ТГА — ТТА — ТЦА

6. Используя принцип комплементарности, установите состав гена ДНК, по которому была синтезирована следующая РНК: ЦУГЦЦАГЦАУГГ

РНК: Ц У Г Ц Ц А Г Ц А У Г Г

ДНК: Г А Ц Г Г Т Ц Г Т А Ц Ц

7. Определите антикодоны и количество тРНК для следующей цепи иРНК: Ц У Г Ц Ц А Г Ц А У Г Г

иРНК: Ц У Г — Ц Ц А — Г Ц А — У Г Г

тРНК: Г А Ц , Г Г У , Ц Г У , А Ц Ц

количество триплетов иРНК = количеству тРНК = 4

8. Определите структуру белка, который был синтезирован по следующему отрезку ДНК: ТААТГАТТАТЦА. Изменится ли структура белка, если вместо 9 нуклеотида встанет Т?

ДНК: ТАА – ТГА — ТТА — ТЦА

иРНК: АУУ – АЦУ – ААУ – АГУ

Белок: иле — тре — асн — сер

9-й нуклеотид приходится на 3-й триплет ТТА, если возникнет мутация, то он будет выглядеть так: ТТТ, значит триплет иРНК изменится на ААА, что приведет к замене аминокислоты асн, на лиз. Вывод: да, белок изменит свою структуру.

9. Сколько процентов А,Т,Г содержится в молекуле ДНК , если известно, что Ц содержится 25%?

Количество комплементарных азотистых оснований равное А=Т, Г=Ц, а сумма всех оснований составляет А+Т+Г+Ц=100%, следовательно: Г=Ц=25%, Г+Ц=50%,

10. Какое количество водородных связей в гене между двумя цепями ДНК, если известны, что он состоит из12 нуклеотидов, 5 из которых – адениловые

Комплементарные основания: А-Т, Г-Ц, между нуклеотидами первой пары 2 связи, второй пары — 3 связи, следовательно А-Т обрадуют 5 пар и 10 связей, а Г-Ц — 8 пар и 24 связи. Всего 34 связи.

11. Какое количество нуклеотидов в ДНК, которая кодирует пептид, в состав которого входит 50 аминокислот?

1 аминокислоту кодирует триплет нуклеотидов, следовательно их будет в 3 раза больше чем аминокислот:50х3=150.

12. Определите длину гена, если который кодирует 120 аминокислот, расстояние между нуклеотидами 0,34нм

1 аминокислоту кодирует триплет нуклеотидов, следовательно их будет в 3 раза больше чем аминокислот: 120х3=360. расстояние между парами нуклеотидов 0,34нм, значит длина гена равна 360х0,34нм=122,4нм

13. Определите молекулярную массу гена, если молекулярная масса белка составляет1000а.е.м., а аминокислоты – 100 а.е.м., нуклеотида 345а.е.м.

Количество аминокислот в пептиде равно 1000/100=10. Каждую аминокислоту кодирует триплет нуклеотидов, значит нуклеотидов в гене 10х3=30. Молекулярная масса гена (двух цепей ДНК) равна 30х2х345=206000а.е.м.

14. Определите количество нуклеотидов и их молекулярной массы в гене, если известно, что молекулярная масса участка ДНК равна 138000а.е.м. Молекулярная масса всех адениловых нуклеотидов составляет 22400а.е.м. (молекулярная масса 1 нуклеотида равна 345 а.е.м.)

Количество комплементарных азотистых оснований равное А=Т, Г=Ц, значит и масса их будет равна, молекулярная масса А=Т=22400а.е.м.,

молекулярная масса Г=Ц=138000-22400х2₌46600(а.е.м.)

Количество нуклеотидов в гене равно 138000/345=400

15. 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.

Т.к. в витке 10 пар нуклеотидов, то количество оборотов ДНК равно 27000/10=2700. 1 аминокислоту кодирует триплет нуклеотидов, следовательно в гене закодировано 2700/3=9000 аминокислот.

Для закрепления навыков и развития творческого потенциала в качестве домашнего задания можно предложить учащимся составить подобные задачи самим.

1. Генетика в задачах: учебное пособие по курсу биологии/ Адельшина Г.А., Адельшин Ф.К.-М.: Издательство «Глобус», 2009.

2. задачник. Цитология, генетика. Л.Н.Шипкова, Т.Ю.Пескова, Издание 2 (дополненное)/ Краснодар, 2002.

Молекулярная масса белков

Белки относятся к высокомолекулярным соединениям, в состав которых входят сотни и даже тысячи аминокислотных остатков, объединенных в макромолекулярную структуру. Молекулярная масса белков колеблется от 6000 (нижний предел) до 1000000 и выше в зависимости от количества отдельных полипептидных цепей в составе единой молекулярной структуры белка. Такие полипептидные цепи получили название субъединиц. Их мол. масса варьирует в широких пределах – от 6000 до 100000 и более.

Аминокислотный состав и последовательность аминокислот выяснены для многих тысяч белков. В связи с этим стало возможным вычисление их молекулярной массы химическим путем с высокой точностью. Однако для огромного количества встречающихся в природе белков химическое строение не выяснено, поэтому основными методами определения молекулярной массы все еще остаются физико-химические методы (гравиметрические, осмометрические, вискозиметрические, электрофоретические, оптические и др.). На практике наиболее часто используются методы седиментационного анализа, гель-хроматография и гель-электрофорез. Определение молекулярной массы белков методами седиментационного анализа проводят в ультрацентрифугах , в которых удается создать центробежные ускорения (g), превышающие в 200000 и более раз ускорение земного притяжения. Обычно вычисляют молекулярную массу по скорости седиментации молекул белка или седиментационному равновесию. По мере перемещения молекул от центра к периферии образуется резкая граница растворитель-белок (регистрируется автоматически). Оптические свойства растворителя и белка используются при определении скорости седиментации; последнюю выражают через константу седиментации s, которая зависит как от массы, так и от формы белковой частицы:

где v – скорость перемещения границы растворитель-белок, см/с; ω – угловая скорость ротора, рад/с; r – расстояние от центра ротора до середины ячейки с раствором белка, см. Константа седиментации имеет размерность времени (ее выражают в секундах). Величина константы седиментации, равная 1•10 –13 с, условно принята за единицу и названа сведбергом (S). Значения констант седиментации большинства белков лежат в пределах 1–50 S, хотя в ряде случаев эти значения превышают 100 S.

Для вычисления молекулярной массы (М), помимо константы седиментации, необходимы дополнительные сведения о плотности растворителя и белка и другие согласно уравнению Сведберга:

где R – газовая постоянная, эрг/(моль•град); Т – абсолютная температура (по шкале Кельвина); s – константа седиментации; ρ – плотность растворителя; v – парциальный удельный объем молекулы белка; D — коэффициент диффузии.

Определение молекулярной массы белков методом ультрацентрифугирования требует много времени и сложной и дорогостоящей аппаратуры. Поэтому в последние годы разработаны два более простых метода (гель-хроматография и электрофорез). При использовании гель-хроматографии в первую очередь требуется откалибровать колонку. Для этого через колонку с сефадексом пропускают несколько белков с известными молекулярными массами и строят график, откладывая значения логарифмов молекулярной массы против их элюционных объемов, которые находят, как показано на рис. 1.9.

Известно, что между логарифмом молекулярной массы белка, имеющего сферическую форму, и элюционным объемом существует прямая зависимость. Поэтому легко определить молекулярную массу исследуемого белка, зная его объем элюции. Второй разновидностью этого метода является тонкослойная гель-хроматография. Длина пробега белка (в миллиметрах) через тонкий слой сефадекса находится в логарифмической зависимости от молекулярной массы белка (рис. 1.10).

Рис. 1.9. Измерение объема элюции (V_Э).

Рис. 1.10. Зависимость между длиной пробега белковых частиц при гель-хроматографии в тонком слое сефадекса Г-150 (сверхтонкого) и их молекулярными массами (в полулогарифмической системе координат).

1 — рибонуклеаза; 2 — химотрипсиноген; 3 -яичный альбумин; 4 — сывороточный альбумин; 5 — γ-глобулин; Х — белок с неизвестной молекулярной массой.

Гель-хроматография, кроме простоты и быстроты, имеет дополнительное преимущество: не требуется выделять белок в чистом виде, так как примеси других белков не мешают определению, поскольку каждый из них проходит через колонку со свойственной ему скоростью, определяемой молекулярной массой. Это обстоятельство широко используется в энзимологии, когда оказывается возможным определение молекулярной массы даже очень небольшого количества фермента в присутствии других белков, не обладающих аналогичной каталитической активностью.

При использовании диск-электрофореза в полиакриламидном геле для определения молекулярной массы белков также строят график зависимости между логарифмом молекулярной массы калибровочных белков и подвижностью белковых частиц в полиакриламидном геле, а затем, определив подвижность исследуемого белка, по графику находят его массу (рис. 1.11). Электрофорез проводят в присутствии детергента додецилсульфата натрия, так как только в этом случае наблюдается прямая пропорциональная зависимость между молекулярной массой и подвижностью белков. Белки с четвертичной структурой при этих условиях распадаются на субъединицы, поэтому метод находит широкое применение для определения молекулярной массы субъединиц белка.

Рис. 1.11. Зависимость между молекулярной массой и относительной подвижностью белка при диск-электрофорезе в полиакриламидном геле в присутствии додецилсульфата натрия (в полулогарифмической системе координат).

1 — сывороточный альбумин; 2 — яичный альбумин; 3 — пепсин; 4 — химотрипсиноген; 5 — мио-глобин; 6 — цитохром с; Х — белок с неизвестной молекулярной массой.

Недавно предложен новый масс-спектрометрический метод (так называемый лазерный десорбционно-ионизационный метод), позволяющий определять молекулярную массу небольших пептидов (вазопрессин, инсулин) и крупных биополимерных молекул и, кроме того, структуру биомолекул.