«Алгоритм формування вмінь використовувати знання при рішенні типових задач з молекулярної біології»

Новоазовська загальноосвітня школа I-III ступенів №1
Методична розробка учителя-методиста
Прекрасної-Загребельної Вікторії Юріївни
з теми «Алгоритм формування вмінь використовувати знання при рішенні типових задач з молекулярної біології»
Фах: учитель біології
Рік присвоєння звання 2010Розробка пройшла апробацію на базі Новоазовської ЗШ I-III ступенів № 1,3
Методист Хуриленко М.М.
Керівник ШМО Алімов О.О.
Учитель біології Новоазовської ЗШ I-III ст.№3 вищої кваліфікаційної категорії, звання «Старший учитель» Гудова Л.П.
Схвалено Новоазовським РМК для впровадження у роботу учителями Новоазовського району
Рекомендовано: розповсюдити по школах району для використання на уроках біології
Завідуючий РМК Васильченко О.М.
Новоазовськ2012
Передмова
Одним із важливих завдань шкільного курсу «Біологія» є формування в учнів загальнонавчальних та спеціальних умінь. Вміння розв’язувати задачі – один із об’єктивних критеріїв оцінки глибини засвоєння матеріалу .
Практичне застосування здобутих знань під час роз’язуванн задач сприяє розвитку логічного мислення, творчому, аналітичному підходу до вирішення поставленого питання або проблеми в цілому, шо особливо важливо для майбутніх працівників сучасних галузей виробництва, сільского господарства, медицини.
У методичних рекомендаціях, що відповідають чинним програмам із загальної біології (Біологія. 10-11 кл. Програма для профільних класів загальнооосвітніх навчальних закладів з українською мовою навчання. – К.: Педагогічна преса, 2004; Біологія. 8-11 класи. Програми для загальноосвітніх навчальних закладів з поглибленим вивченням біології (Автори П. Балан, Ю. Вервес, В Войцицький, М. Кучеренко), подано алгоритм розв’язання задач з біології, одиниці вимірів, частково теоретичний маткріал, приклади задач з молекулярної біології, використаної літератури.
Поданий матеріал призначений для вчителів біології, старшокласників, абітурієнтів.
Одиниці вимірювання
В біології використовуються основні та похідні одиниці міжнародної системи одиниць (СО): довжини, маси, енергії, роботи, теплоти тощо.
Одиниці довжини – метр (м).
1 м = 10 дм =100 см = 106 мк = 109 нм, 1 нм = 10-9 м.
Одиниці маси – кілограми (кг).
1 кг = 103 г (грамів); 1 г = 109 нг (нанограмів);
1 дальтон – одиниця молекулярної маси, яка дорівнює масі атома Гідрогену.
Одиниця енергії, роботи та кількості теплоти - джоуль (Дж).
1 Дж = 107 ерг = 0,2388 кал; 1 кал = 4,1868 Дж.
У процесі розв’язування будь-якої задачі виділяють певні етапи.
Аналіз задачі. Уважно прочитайте зміст задачі, осмисліть її та визначте:
до якого розділу чи темі належить задача,
знайдіть, що дано і що необхідно знайти.
Скорочений запис умови.
За допомогою умовних позначень коротко запищіть, що дано і що треба знайти (як на уроках хімії чи фізики).
Подумайте, які з постійних відомих вам величин ви можете використати при рішенні задачі, запишіть їх.
Оформлення запису задачі.
Місце, що залишилось після короткого запису умови задачі, умовно поділіть на дві частини. В лівій частині запишіть данні, які ви будете використовувати, справа – рішення. Дій у задачі може бути декілька. Записуйте їх так: 1) …; 2) …; 3) … тощо.
Розв’язування задачі.
Розв’язуйте задачу поетапно.
На кожному етапі стисло формулюйте запитання.
Ретельно перевіряйте результати розрахунків.
Перевірте, чи всю інформацію з умови задачі використано.
За необхідністю оберіть інший спосіб розв’язування.
Завершальний етап.
Перевірте правильність розв’язування в цілому, сформулюйте і запишіть остаточну відповідь.
ПРИКЛАДИ РОЗВ’ЯЗАННЯ ЗАДАЧ НА МОЛЕКУЛЯРНІ ОСНОВИ СПАДКОВОСТІ
Під час розв’язання таких задач необхідно пам’ятати, що:
довжина одного нуклеотида, або відстань між двома сусідніми вздовж осі ДНК, становить 0,34 нм;
середня молекулярна маса одного нуклеотида 345 умовних одиниць;
середня молекулярна маса однієї амінокислоти дорівнює 100 умовних одиниць;
молекула білка в середньому складається з 200 амінокислот;
кожну амінокислоту в білковій молекулі кодує триплет нуклеотидів і-РНК (під час трансляції);
для визначення довжини гена (l) враховують кількість нуклеотидів, яка міститься в одному ланцюзі ДНК;
для визначення молекулярної маси гена (Mr) враховують кількість нуклеотидів, що міститься у двох ланцюгах ДНК;
трансляція здійснюється згідно з генетичним кодом;
для всіх ДНК виконується правило Чаргаффа: А=Т; Г=Ц;
А+Г = Т+Ц (вміст пуринових азотистих основ – аденіну і гуаніну – дорівнює вмісту піримідинових азотистих основ – тиміну і цитозину);
сума всіх нуклеотидів в молекулі ДНК або РНК (А+Т+Г+Ц чи А+У+Г+Ц) становить 100%.
Задача 1.
На фрагменті одного ланцюга ДНК нуклеотиди розташовані в послідовності, показаній нижче.
… АГТАЦГГЦАТГТАГЦ …
Намалюйте схему структури дволанцюгової молекули ДНК.
Якою є довжина в нанометрах цього фрагмента?
Якою є маса дволанцюгового фрагмента?
Розв’язанняКеруючись властивістю ДНК, здатністю до самовідтворення (реплікації), в основі якого лежить комплементарність, запишемо схему дволанцюгової ДНК:
ДНК: А Г Т -
А ЦГ -
Г ЦА -
Т Г Ц-
А Г Ц-
| | | | | | | | | | | | | | | Т ЦА - Т Г Ц- ЦГ Т - А ЦГ - Т ЦГ -
Довжина одного нуклеотида, або відстань між двома сусідніми вздовж осі ДНК, становить 0,34 нм. Довжина дволанцюгового фрагмента дорівнює довжині одного ланцюга.
l = 15 х 0,34 = 5,1 (нм) (15 - кількість нуклеотидів в одному ланцюгу).
Середня молекулярна маса одного нуклеотида 345 умовних одиниць, молекулярна маса фрагмента ДНК:
Мr = 345 х 15 = 5175 (а.о.м) (30 – кількість нуклеотидів у двох ланцюгах).
Відповідь. Другий ланцюг фрагмента ДНК має таку структуру: ТЦА – ТГЦ – ЦГТ – АЦГ – ТЦГ ; довжина фрагмента ДНК – 5,1 нм; молекулярна маса фрагмента ДНК – 5175 а.о.м.
Задача 2.
Фрагмент першого ланцюга ДНК має таку нуклеотидну послідовність: ТАЦАГАТГГАГТЦГЦ. Визначте послідовність мономерів білка, закодованого фрагментом другого ланцюга ДНК.
Розв’язанняДНК: - ТАЦ- АГА - ТГГ- АГТ- ЦГЦ-
||| ||| ||| ||| |||
- АТГ- ТЦТ- АЦЦ - ТЦА- ГЦГ-
іРНК: - УАЦ- АГА - УГГ- АГУ - ЦГЦ-
Білок: - тир - арг- трип - сер - арг-
Відповідь. Послідовність мономерів білка: тирозин – аргінін – триптофан – серин – аргінін.
Задача 3.
Фрагмент ланцюга А білка нормального гемоглобіну складається із 7 амінокислот, розміщених у такій послідовності:
вал – лей – лей – тре – про – глн – ліз.
Яка будова фрагмента іРНК, що є матрицею для синтезу цього фрагмента молекули гемоглобіну?
Яка будова фрагмента ДНК, що кодує дану іРНК?
Розв’язання-відповідь
Білок: вал - лей - лей - тре- про - гли- лізіРНК: ГУУ- УУА- УУА- АЦУ- ЦЦУ- ЦАА- АААДНК: ЦАА- ААТ- ААТ- ТГА- ГГА- ГТТ- ТТТ||| ||| ||| ||| ||| ||| |||
ГТТТТАТТААЦТЦЦТЦАААААЗадача 4.
Біохімічний аналіз показав, що іРНК має 30% аденіну, 18% гуаніну та 20% урацилу. Визначте частку (у %) кожного нуклеотида у відповідному фрагменті дволанцюгової ДНК?
Розв’язанняДано:
АіРНК = 30%;
ГіРНК = 18%;
УіРНК = 20%.
АДНК - ? ТДН К - ?
ГДНК - ? ЦДНК - ? Визначаємо відсоток цитозинових нуклеотидів у даній іРНК:
ЦіРНК =100% - (АіРНК + УіРНК + ГіРНК) =
= 100% - (30% +20% + 18%) = 32%.
Визначаємо відсоток аденінових і тимінових нуклеотидів (окремо) у фрагменті ДНК:
АДНК = ТДНК = (АіРНК + УіРНК) : 2 = (30% + 20%) : 2 = 25%.
Визначаємо відсоток гуанінового і цитозиновог нуклеотидів (окремо) у фрагменті ДНК:
ГДНК = ЦДНК = (ГіРНК + ЦіРНК) : 2 = (18% + 32%) : 2 = 25%.
Відповідь. Частка кожного нуклеотида у відповідному фрагменті дволанцюгової ДНК становить 25%.
Задача 5.
Білок складається зі 124 аміноліслот. Порівняйте відносні молекулярні маси білка та гена, який його кодує.
Розв’язанняДано:
Склад білка – 124 амінокислоти;
Мr(амінокислоти) = 100;
Мr(нуклеотида) = 345.
Мr(гена) - ? Мr(білка) - ?
1). Визначаємо відносну молекулярну масу білка:
124 х 100 = 12400.
2). Визначаємо кількість нуклеотидів у складі гена, що кодує даний білок: 124 х 3 х 2 = 744 (нуклеотиди).
3). Визначаємо відносну молекулярну масу гена:
744 х 345 = 256 680.
4). Визначаємо, у скільки разів ген важчий за білок:
256 680 : 12400 = 20,7 (рази).
Відповідь. Відносна молекулярна маса гена у 20,7 рази більша, ніж кодованого білка.
Задача 6.
Гормон росту людини (соматотропін) – білок, що містить 191 амінокислоту. Скільки кодуючи нуклеотидів і триплетів входить до складу гена соматотропіну?
Розв’язанняОдну амінокислоту кодує триплет нуклеотидів , отже, до складу гена соматотропну входить 191 триплет.
191 х 3 = 573 (нуклеотиди) – один ланцюг;
573 х 2 = 1146 (нуклеотидів) – обидва ланцюги.
Відповідь. До складу гена соматотропну входить 191 триплет, що містить 1146 нуклеотидів (обидва ланцюги гена).
Задача 7.
У хворого на синдром Фанконі (порушення утворення кісткової тканини) із сечею виділяються амінокислоти, яким відповідають наступні триплети іРНК: АУА, ГУЦ, АУГ, УЦА, УУГ, УАУ, ГУУ, АУУ. Визначте, які амінокислоти виділяються із сечею у хворих на синдром Фанконі (див. таблиця «Генетичний код»).
Розв’язання
Амінокіслоти: ілей, вал, мет, сер, лей, тир, вал, ілей.
Відповідь. У хворих на синдром Фанконі виділяються із сечею такі амінокислоти: ізолейцин, валін, метіонін, серін, лейцин, тирозин.
ЕКЗОН-ІНТРОННА ОРГАНІЗАЦІЯ ГЕНОМА
Більшість структурних генів еукаріот (ділянки ДНК) внутрішньо неоднородні. Вони складаються з екзонних (інформативних) та інтронних (безінформаційних) фрагментів.
Під час транскрипції в ядрі спочатку синтезується про-іРНК (незріла), яка має в собі як екзони, так і інтрони. Далі за допомогою комплекса ферментів безінформаційні ділянки вирізаються та руйнуються, а інформативні з’єднюються в новий полинуклеотидний ланцюг – зрілу іРНК. Механізм дозрівання іРНК в ядрі називається сплайсингом.
Задача 1.
Фрагмент ланцюга молекули ДНК містить 1100 нуклеотидів , з них 100, 120, і 130 нуклеотидів утворюють інтронні ділянки. Визначте, скільки амінокислот кодує цей фрагмент ДНК:
Дано:
N (ДНК-нуклеотидів) - 1100;
N (інтронних нуклеотидів) – 100,
120, 130.
N(амінокислот) -?
Розв’язання:
1). 100 + 120 + 130 = 350 ( кількість нуклеотидів, які утворюють інтронні ділянки);
2). 1100 – 350 = 750 ( кількість нуклеотидів, які утворюють екзонні ділянки);
3). 750 : 3 = 250 (амінокислотних залишків).
Відповідь. Цей фрагмент ДНК кодує 250 амінокислот.
Задача 2.
Структурний ген (фрагмент молекули ДНК) містить 384 цитозинових нуклеотидів, що становить 20% від їх загальної кількості. В екзонних ділянках цього гена закодовано білок, який складається із 120 амінокислотних залишків.
Який нуклеотидний склад гена?
Яка відносна молекулярна маса інтронних ділянок гена?
Наскільки зріла іРНК коротша за про-іРНК?
Дано:
N(Ц-нуклеотидів) – 384 (20%);
N(амінокислот у білку) – 120;
L(нуклеотида) – 0,34 нм;
Мr(нуклеотида) – 345.
Нуклеотидний склад гена -?
Мr(інтронних ділянок гена) - ?
Наскільки зріла іРНК коротша за про-іРНК -? Розв’язанняВизначаємо загальну кількість нуклеотидів у фрагменті ДНК. Оскільки на цитозинові нуклеотиди припадає 20% від їх кількості, то загальна кількість нуклеотидів становить:
384 нуклеотидів – 20%;
Х нуклеотидів – 100%;
Х = 384 х 100%20% = 1920 (нуклеотидів);
За принципом компліментарності:
Г = Ц = 384 нуклеотиди = 20%. Звідси: А = Т = 100%-(Г+Ц)2 = 30%.
384 нуклеотиди – 20%;
Х нуклеотидів – 30%;х = 384 х 30%20% = 576 9нуклеотидів);
А = Т 576 нуклеотидів.
Знаходимо кількість нуклеотидів у екзонних ділянках гена:
3 х 2 = 720 (нуклеотидів).
Знаходимо кількість нуклеотидів у інтронних ділянках гена:
1920 – 720 = 1200 (нуклеотидів).
Знаходимо відносну молекулярну масу інтронних ділянок гена:
Mr(інтр. ділянок гена) = 1200 х 345 = 414 000.
Довжина молекули про-іРНК дорівнює довжині структурного гена:
l(про-іРНК) = (384 + 576) х 0,34 = 326,4 (нм).
Зріла іРНК складається лише з інформативної частини. Її довжина становить:
l(зрілої РНК) = 120 х 3 х 0,34 = 122,4 (нм).
Різниця в довжині про-іРНК та зрілої іРНК складає:
326,4 нм – 122,4 нм = 204 нм.
Відповідь. 1. Ген містить по 576 аденінових і тимінових нуклеотидів, і по 384 гуанінових і цитозинових нуклеотиди. 2. Відносна молекулярна маса інтронних ділянок гена – 414 000. 3. Різниця в довжині між про-іРНК та зрілою іРНК – 204 нм.
Література:
Барна Іван Загальна біологія. Збірник задач. – Тернопіль: Видавництво «Підручники і посібники», 2009 – 736 с.
Біологія: Довідник для абітурієнтів та школярів загальноосвітніх навчальних закладів: Навчально-методичний посібник. – 2-ге видання. – К.: Літері ЛТД, 2009. – 656 с.
Овчинников С.А. Сборник задач и упражнений по общей биологии: Учебное пособие. – Донецк: Третье тысячелетие, 2002. – 128 с.
Биология. Словарь-справочник.: Учеб. Пособие / Авт.-сост.: В.П. Попович, Т.А. Сало, Л.В. Деревинская. – Х.: Країна мрій, 2006. – 112 с.