Задания по молекулярной биологии

Здравствуйте, уважаемые читатели блога репетитора биологии по Скайпу biorepet-ufa.ru.

В этой статье рубрики «Из диалогов в комментариях» собраны вопросы читателей  и мои ответы на задания по молекулярной биологии, то есть задания по структуре ДНК, механизмах репликации, транскрипции и трансляции. Считаю рассмотрение этих заданий важным, так как в любом варианте контрольных работ ЕГЭ  и ОГЭ всегда есть задания по молекулярной биологии, на которые учащиеся, как правило, отвечают довольно плохо. 

Самой хорошей базой для подготовки к сдаче экзаменов по биологии, кроме изучения учебников,  является Открытый банк заданий ФИПИ, включающий тесты  КИМов за все прошлые годы сдачи  ЕГЭ  и  ОГЭ (ГИА) в нашей стране.

1. Виктор: Борис Фагимович, помогите, пожалуйста, решить такую  задачу:
Длина фрагмента молекулы ДНК равна 68 нм, что составляет 10% от длины всей молекулы. На долю адениловых нуклеотидов в данной молекуле ДНК приходится 12%. Определите относительную молекулярную массу фрагмента молекулы, принимая во внимание, что относительная масса одного нуклеотида равна 354, и количество всех видов нуклеотидов в данной молекуле ДНК.

Б.Ф.: В одной цепи этого фрагмента молекулы ДНК, равном 68 нм, будет находиться 68 : 0,34 = 200 штук нуклеотидов (так как длина одного нуклеотида = 0,34 нм), а в двух цепях — 400 штук нуклеотидов. Значит относительная молекулярная масса этого фрагмента ДНК будет = 400 х 354 = 141600.
Во всей молекуле ДНК будет содержаться 400 х 100% : 10% = 4000 нуклеотидов. Доля адениновых нуклеотидов в этой молекуле ДНК будет 4000 х 12% : 100% = 480 штук. Столько же будет и тиминовых нуклеотидов, так как А комплементарен Т. На долю гуаниновых и цитозиновых нуклеотидов в этом фрагменте ДНК в сумме будет приходиться 4000 — 960 = 3040 штук или по 1520 штук каждого.

2. Елена: Борис Фагимович, сломала голову, решение есть, но правильное ли оно? На долю адениновых нуклеотидов приходится 30%, на долю урациловых — 12%. Определите процентный состав азотистых оснований в соответствующей двухцепочечной ДНК?

Б.Ф.: Очевидно, что  указанные цифры соответствуют содержанию этих двух типов нуклеотидов в одноцепочечной молекуле РНК (так как урациловые нуклеотиды есть только в РНК). Значит, в данной молекуле РНК  А + У = 42%, тогда на долю остальных (Г и Ц) приходится 58%. Постройте (можно и мысленно) ту цепочку ДНК, с которой транскрибировалась данная молекула РНК. Это будет цепь, состоящая из 42% (А + Т) и 58% (Г + Ц). Помним, что две цепочки ДНК построены относительно друг друга по принципу комплементарности азотистых оснований: сколько адениновых нуклеотидов, столько же и тиминовых; сколько гуаниновых, столько же цитозиновых. Ответ: в составе искомой молекулы двухцепочечной ДНК будет А и Т по 21%, Г и Ц — по 29%.

3. Иван: Сколько всего нуклеотидов потребуется для репликации ДНК, если Т=200, а Ц=800.

Б.Ф.: Если в двухцепочечной ДНК содержится 200 тиминовых нуклеотидов, значит и 200 адениновых; раз 800 цитозиновых, то и 800 гуаниновых, то есть всего содержится 2000 нуклеотидов. При репликации или самоудвоении ДНК на каждой материнской нити синтезируется по одной дочерней нити, то есть для этого потребуется 2000 нуклеотидов.

4. Сара: Белок состоит из 200 аминокислот. Какую длину (нм) имеет определяющий его ген, если один виток спирали ДНК включает 10 пар нуклеотидов и его длина составляет 3,4 нм.

Б.Ф.: Поскольку 200 аминокислот кодируются 600 нуклеотидами ДНК, а на один виток спирали приходится 10 нуклеотидов, то всего участок ДНК, кодирующий данный белок, будет состоять из 60 витков. Так как длина одного витка — 3,4 нм, то длина этого отрезка ДНК составит 204 нм.

5. Юрий: Каким будет нуклеотидный состав участка двухцепочечной ДНК, если и-РНК содержит аденина — 21%, цитозина — 25%, гуанина — 24%, урацила — 30% ?

Б.Ф.: Вспомним правило комплементарности азотистых оснований нуклеотидов и-РНК, которая создавалась при транскрипции согласно последовательности нуклеотидов одной цепи молекулы ДНК. Правило такое: нуклеотид с азотистым основанием А комплементарен Т, Ц комплементарен Г, У комплементарен А. Значит адениновому(А), цитозиновому (Ц), гуаниновому (Г), урациловому (У) нуклеотидам и-РНК соответствовали: тиминовый (Т), гуаниновый (Г), цитозиновый (Ц), адениновый (А) нуклеотиды этой цепи ДНК. Поэтому содержание нуклеотидов в этой цепи ДНК будет таким: Т — 21%, Г  -25%, Ц — 24%, А — 30%. Во второй цепи ДНК содержание А будет равно 21%, Ц — 25%, Г — 24%, Т — 30%. Тогда нуклеотидный состав двухцепочечной ДНК будет А и Т по 25,5%, Г и Ц по 24,5%.

6. Ирина: Определить молекулярную массу гена (2х цепей ДНК), если в одной цепи закодирован белок с молекулярной массой 1000. Известно, что молекулярная масса аминокислоты 100, а одного нуклеотида 345.

Б.Ф.: Один ген кодирует один белок. В данном белке 1000:100=10 штук аминокислот. Так как генетический код триплетен, то 10 аминокислот кодируются 30 нуклеотидами одной цепи ДНК. Значит молекулярная масса всех нуклеотидов в одной цепи ДНК будет 345 х 30 = 10350. Тогда в двух цепях ДНК молекулярная масса нуклеотидов составит 10350 х 2 = 20700.

7. Алина: Борис Фагимович, наткнулась на такую странность. ДНК — последовательность генов. Термин «ген» был впервые употреблён в 1909 году, тогда как структура ДНК была открыта только в 1953.
1) Как можно дать название тому, о чём практически не имеешь представления? Получается, Вильгельм Йоханссон, основываясь на факте наследования потомками родительских признаков, просто дал определение этим (наследуемым) признакам, которые позже были выявлены экспериментально, в ДНК?
2) Мендель то работал еще раньше, в середине 19 века! О каких можно говорить хромосомах, аллельных-неаллельных генах и т.д. Хм… а ведь мейоз был открыт в 1882… Как можно увидеть процессы мейоза, когда не знали структуры ДНК?
С 80-х гг. XIX в. в практике микроскопических исследований непременным атрибутом становится микротом, изобретенный Я.Пуркинье. Применение микротома дало возможность изготавливать тонкие срезы и получать непрерывные серии срезов, что привело к успехам в изучении тонкого строения клетки.
3) Так вот, почему клетку возможно было рассмотреть в 80-х годах 19 века, а структуру ДНК увидели только в 50-х 20 века?

Б.Ф.: 1) Да, действительно, так и было: понятие «ген» было введено в науку задолго до того, как смогли построить саму модель ДНК.
2) Мендель использовал слово «задатки». Это мы сейчас, трактуя его опыты, называем вещи своими именами. При митозе и мейозе человек видит при помощи световой микроскопии не раскрученные молекулы ДНК, а хроматиновые нити ДНК, находящиеся в сильно спирализованном состоянии — ХРОМОСОМЫ — и описывает именно их поведение.
3) Да, клетки и их крупные органеллы хорошо видны при помощи световой микроскопии и были описаны в 19 веке. Но мелкие органеллы (рибосомы например), а тем более сами молекулы веществ в световой микроскоп рассмотреть невозможно. Лишь после создания и применения для микроскопирования биологических объектов электронного микроскопа, смогли описать и мелкие органеллы клетки, и даже увидеть структуру таких крупных молекул как ДНК.

8. Наталия: Интересно узнать Ваше мнение по следующему вопросу. Какая из нитей ДНК является кодогенной и чем это определяется? Ведь они комплементарны, и, по сути, каждая из нитей на одном и том же участке несет разную («зеркальную») кодирующую информацию. Направление от 5` к 3` есть с обеих сторон, но последовательности комплементарны и несут «обратную» информацию. Извините, если мой вопрос слишком примитивен.

Б.Ф.: Для меня Ваш вопрос вовсе не примитивен, но я никогда ранее не «заморачивался» по этому поводу. В учебнике «Биология» Ярыгина с соавторами, читаем на стр. 93: «В связи с тем, что РНК-полимераза способна собирать полинуклеотид лишь от 5′-конца к 3′-концу, матрицей для транскрипции может служить только одна из двух цепей ДНК, а именно та, которая обращена к ферменту своим 3′-концом (3′—>5′). Такую цепь называют кодогенной».

А вот современные задания линии 27, составленные командой Рохлова, наоборот, предполагают, что эту цепь следует считать матричной (транскрибируемой), а комплементарную ей нетранскрибируемую нить считать кодогенной (или смысловой).   В современных заданиях линии 27 в самом условии для многих задач уже указывается какая из нитей ДНК кодогенная (смысловая), а какая матричная (или транскрибируемая). Но есть задания, где не оговаривается сразу  какая нить транскрибируемая, а это нужно самим догадаться по условию задания (см. мой ответ на вопрос  17 на этой странице).

9. Надя: Борис Фагимович, совсем не знаю как подступиться к этой задаче. Бактерии кишечной палочки содержат одну молекулу ДНК с молекулярной массой 2*10⁹, а бактериофаг, паразитирующий в кишечной палочке, содержит тоже 1 молекулу ДНК, но с молекулярной массой 3*10⁷.
Сколько видов белков может быть закодировано в бактериальной ДНК, если принять, что типичный белок состоит из 200 аминокислот? Сколько видов белка можно закодировать в бактериофаге?

Б.Ф.: Согласно триплетному генетическому коду на кодирование 1 молекулы белка из 200 аминокислот требуется 600 нуклеотидов ОДНОЙ цепи ДНК. Если вся двухцепочечная молекула бактериальной ДНК весит 2*10⁹ г/моль, то 1 цепь весит 1*10⁹.
По справочным данным находим, что молекулярная масса 1 нуклеотида равна 345 г/моль. Значит в одной цепи ДНК их будет 2898550 штук. Делим на 600 и получаем, что в данной цепи бактериальной ДНК находится информации (будто бы) о 4830 штуках белков. Пишу «будто бы» (хотя это и есть ответ для этой задачи), так как на самом деле примерно в 10 раз меньше (поскольку 90% всех нуклеотидов ДНК не несут информации о белках, а являются всевозможными регуляторными участками).
В одной цепи ДНК бактериофага (с ММ равной 1,5*10⁷) находится 43470 штук нуклеотидов. И если они все несут информацию о белках (что тоже абсолютно не верно), то в них может быть закодировано 72 белка.
Надя, это пример очень плохо составленной задачи по молекулярной биологии. В экзаменационных тестах такого быть не должно. Где Вы на экзамене найдете цифру 345 (интернетом же пользоваться нельзя)? Все задачи на экзамене должны быть решаемыми исходя из имеющихся данных — это обязательное правило. И сами вопросы к этой задаче: сколько «видов» белков? Это полнейшая чушь. Мы никогда этого узнать не можем «сколько видов». Имелось то в виду вообще «сколько штук белков» может быть закодировано такой-то длиной ДНК.
Надя, и ко всем обращаюсь: не решайте задачи, добытые где-то на просторах интернета, не тратьте на них свое драгоценное время, а надо решать только задания ФИПИ.

Надя: Спасибо большое за объяснение! Да я бы и не решала эту задачу, если бы ее в школе не задали на дом.

Б.Ф.: А, понятно. Надя, Вы всё же на уроке, если будет возможность, проконсультируйтесь у учителя, почему она задает вам задание с неполным условием.

10. Станислав: Борис Фагимович, помогите с такой задачей. Укажите возможное количество вариантов антикодонов тРНК для расшифровки информации о молекуле белка, состоящей из 550 аминокислот.
Скажите, правильно ли я рассуждаю. В белке 550 аминокислот, каждую аминокислоту переносит определенный триплет (антикодон). Всего триплетов в таблице генетического кода 64, но 3 из них не кодируют аминокислоты, значит остается 61 триплет, или антикодон. Каждая аминокислота может переноситься любым из 61 антикодонов, значит 61 × 550 = 33500 вариантов антикодонов.

Б.Ф.: Сначала о неточностях в определениях: «каждую аминокислоту переносит определенный триплет (антикодон)». Так говорить не правильно. Аминокислоты ПЕРЕНОСЯТ т-РНК, которые будут отличаться своей антикодоновой частью (в т-РНК, в её головной части, есть только антикодон, который нельзя называть триплетом). А вот ИНФОРМАЦИЯ о последовательности аминокислот в белке записана последовательностью триплетов (кодонов) и-РНК. Вы правильно рассуждаете, что теоретически всех (именно ВСЕХ, ВСЕХ — больше не бывает) триплетов (кодонов) и-РНК, которые могли бы нести информацию об аминокислотах может быть максимум 64 (это потому, что генетический код триплетен и просто не может быть более 64 сочетаний троек нуклеотидов из четырех существующих А, У, Г, Ц. Да, правильно, три триплета нуклеотидов являются терминаторами и не несут информацию об аминокислотах. Остается 61 триплет (кодон) и-РНК. Каждому кодону и-РНК при трансляции соответствует комплементарный антикодон т-РНК. Поэтому не может существовать более 61 т-РНК, отличающихся своими головными участками — антикодонами. Таким образом, в переносе 550 аминокислот (как и в переносе, допустим, 1550 аминокислот) не может принимать участие более 61 различной т-РНК.

11. Алиса: Помогите пожалуйста решить задачу. Одна из цепочек ДНК имеет следующую последовательность нуклеотидов: ГЦГ АЦГ ТТЦ ЦЦГ АТГ ТГГ ГГА ГАГ. Используя какую закономерность  можно построить вторую цепочку и какие свойства двухцепочечной ДНК при этом  обнаружатся?

Б.Ф.: Вторая цеть ДНК строится по принципу комплементарности азотистых оснований. Напротив нуклеотида с пуриновым азотистым основанием А будет находиться нуклеотид с пиримидиновым азотистым основанием Т (или наоборот Т — А). Напротив нуклеотида с пуриновым азотистым основанием Г  будет находиться нуклеотид с пиримидиновым азотистым основанием  Ц (или наоборот Ц — Г). Пуриновые азотистые основания состоят из двух бензольных колец, а пиримидиновые — из одного.                                              Комплементарная цепочка ДНК будет такая: ЦГЦ ТГЦ ААГ ГГЦ ТАЦ АЦЦ ЦЦТ ЦТЦ.                                        Для двухцепочечной молекулы ДНК Чаргафф обнаружил следующее правило: сумма нуклеотидов с пуриновыми азотистыми основаниями (А + Г) равна сумме нуклеотидов с пиримидиновыми азотистыми основаниями (Т + Ц).

12. Илья: Участок одной цепи ДНК имеет последовательность нуклеотидов: Г-Г-А-А-Ц-А-Ц-Т-А-Г-Т-Т-А-А-А-А-Т-А. Какова последовательность аминокислот в полипептиде, соответствующем этой генетической информации?

Б.Ф.: Сначала надо произвести транскрипцию, определить последовательность нуклеотидов и-РНК, закодированной этой последовательностью ДНК. Известно, что транскрипция осуществляется по принципу комплементарности азотистых оснований: и-РНК: Ц-Ц-У — У-Г-У — Г-А-У — Ц-А-А — У-У-У — У-А-У.
Теперь по таблице генетического кода находим последовательность аминокислот, закодированную этим участком цепи и-РНК: про-цис-асп-глн-фен-тир.

13. Светлана: Борис Фагимович, скажите как думаете по следующему вопросу? В молекуле РНК количество нуклеотидов с гуанином составляет 30%. Сколько нуклеотидов с аденином в этой молекуле? Я считаю, что правило Чаргаффа в этом случае не применимо, а поэтому точно сказать сколько нуклеотидов с гуанином нет возможности.

Б.Ф.: Да, Светлана, в молекуле РНК не «работает» правило Чаргаффа и мы не сможет никогда ответить на вопрос такой задачи.

14. Даша: Борис Фагимович, встретился в тесте такой вопрос? Готовая к трансляции иРНК состоит из 360 нуклеотидов. Сколько аминокислотных остатков будет в молекуле белка.
1. менее чем 120
2. более чем 120
3. точно 120
4. примерно 120.
Вопрос то не сложный, но вот ответ должен быть один. Мне кажется, что менее чем или более чем по смыслу равны слову примерно. Склоняюсь к 1 ответу, если вспомнить про стоп-кодоны.

Б.Ф.: Даша, если этот тест из Открытого Банка Заданий ФИПИ (в чем я глубоко сомневаюсь, так как Вы большой любитель «поиска приключений»), то однозначно авторами был задуман ответ 3 (число 360 делится на 3 без остатка). Именно он позволял оценить знания школьников о триплетности генетического кода.  Даша, почему пишу «позволял»? Так как в тестовых заданиях по ЕГЭ начиная с 2019 года в подобных заданиях стали учитывать и стоп-кодон, которым заканчивается молекула и-РНК и который не кодирует никакую аминокислоту. Поэтому, Вы правы, по тестам, составленным по-новому здесь следует выбрать ответ 1) менее чем 120.

Даша: Спасибо большое. Тест не ЕГЭшный. К сожалению по аналогичным тестам нам ставят оценки за четверти. Не знаю кто их составляет, но найти ответы на некоторые вопросы в учебниках и в Интернете бывает не возможно.

15. Алина: Борис Фагимович, ответьте пожалуйста. Известно более 170 аминокислот. Почему все разнообразие белков создается лишь из 20?

Б.Ф.: Алина, мне неизвестно точно число всех возможных аминокислот: 170 их или может быть обнаружено будет еще больше. Но неизменным остается тот факт, что протеиногенных аминокислот (то есть аминокислот, входящих в состав белковых молекул) всего 20. И 20 штук — это огромное количество для образования бесконечного числа белковых молекул. Информация то о белках кодируется всего 4 разными знаками (нуклеотидами ДНК), которые, чередуясь любым образом, обеспечивают практически возможность создания бесконечного количества разных белковых молекул.

Игорь: Мне тоже интересен этот вопрос, что происходит с остальными аминокислотами, не входящими в «двадцатку»? На что нужны организму все прочие аминокислоты, каково их участие?

Б.Ф.: Действительно, помимо 20 волшебных аминокислот обнаруживают в организме человека еще как минимум 60-80 различных аминокислот, не входящих в состав биополимеров — белковых молекул. Я никогда не задавался Вашим вопросом, поэтому не знаю как на него ответить. Мне, как репетитору по биологии, интереснее знать, как объяснить учащимся, почему белки состоят только из 20 аминокислот, что только определенные 20 аминокислот закодированы в ДНК путем генетического кода.

16. Катерина: Хотела спросить про транскрипцию. Вроде всё просто, но…Стоит ли загромождать голову понятиями: три стадии синтеза и-РНК (инициация, элонгация, терминация), последующему дозреванию (процессинг и сплайсинг), названиями ферментов, участвующих в данных процессах? В принципе разобраться с ними можно. Но мне кажется оно того не стоит.

Б.Ф.: В принципе никакие знания не бывают лишними, тем более знания, касающиеся глубинных основ жизни. Если Вы дальше думаете специализироваться в медицине или заниматься изучением биотехнологий методами генной инженерии, то можно изучить транскрипцию на профильном уровне.                                  Если же ближайшая цель на отлично сдать ЕГЭ, то надо хорошо знать всю, всю, всю базовую школьную биологию, не делать по крайней мере элементарных ляпов, которые бывают и в учебниках. Например, «генетическая информация клетки» и «генетический код» часто в учебниках трактуются как синонимы, а это просто чудовищное заблуждение.

17. Вера: Борис Фагимович, не могу решить задачу. Известно, что в участке ДНК находится не содержащий интронов ген, кодирующий тетрапептид. Этот участок имеет следующий состав:
…ГТАААТГЦЦТААЦГЦТТААГЦЦА… Обозначьте концы фрагмента и определите состав пептида.

Б.Ф.: Надо исходить из того, какое строение имеет и-РНК. Началом у любой и-РНК служит стартовый кодон АУГ, а заканчивается и-РНК одним из трех возможных стоп-кодонов: УАА, УАГ или УГА. Трансляция (биосинтез белка)  идет от 5′ к 3′ концу и-РНК. То есть, и-РНК, являющаяся матрицей для искомого тетрапептида, имеет последовательность: 5′ АУГ-ХХХ-ХХХ-ХХХ-УАА(или УАГ, или УГА) 3′.
      Теперь находим с какого участка предложенного фрагмента ДНК могла быть транскрибирована такая нить и-РНК (причем, нам известно, что интронов, то есть некодирующих участков в предложенном фрагменте ДНК нет)?
      Очевидно, предложенный фрагмент ДНК является нетранскрибируемой (кодогенной, смысловой) нитью, так как осуществив с неё транскрипцию, мы не найдем ни АУГ, ни любой из стоп-кодонов. А раз это так, то нам, для оформления задачи, нужно найти по принципу комплементарности азотистых оснований вторую (транскрибируемую) нить ДНК. Потом с этой нити опять по принципу комплементарности осуществить транскрипцию для нахождения и-РНК. Я этот момент в  «оформление» опускаю, так как искомая кодогенная нить ДНК и будет соответствовать последовательности нуклеотидов и-РНК (только, конечно же, с заменой Т на У).
     Итак, имеем последовательность нуклеотидов в и-РНК: 5’ГУАА-АУГ-ЦЦУ-ААЦ-ГЦУ-УАА(стоп кодон)-ГЦЦА 3′. По таблице генетического кода находим искомый тетрапептид: мет-про-асн-ала.

*************************************************************************

Уважаемые посетители блога, у кого возникнут вопросы к репетитору биологии по Скайпу, пишите в комментариях соответствующих статей.

У меня на блоге вы можете приобрести  ответы на все тесты ОБЗ ФИПИ за все годы проведения экзаменов  по ЕГЭ и ОГЭ (ГИА).