«Подготовка к олимпиадам по биологии» - Коммулятивный эффект. Последовательность. Витамин. Этапы подготовки учащихся к олимпиадам и интеллектуальным конкурсам. Общие методические рекомендации. Желаем успехов на заочном этапе турнира. Формирование умений учащихся. Взаимосвязанная совокупность популяций. Метод биологических исследований. Насиживание самцов страуса яиц. Поперечный срез. Методика подготовки к олимпиадам и интеллектуальным турнирам по биологии.
«Билет по биологии» - Ряд отличий. Пармелия. Лишайники. Клетка. Органоида. АТФ. Безжизненные местообитания. Единица строения и жизнедеятельности организмов. Роль белков в организме. Роль белков.
«Типовые задания ЕГЭ по биологии» - Соответствие между признаком организма и царством. В5 Сопоставление особенностей строения и функционирования организма. Обобщение и применение знаний. Сопоставление особенностей строения и функционирования. Сопоставление биологических объектов. Отбор. Умение работать. Типичные ошибки при выполнении заданий ЕГЭ по биологии. Комплекс. Организмы. Установление последовательности биологических объектов.
«ГИА по биологии» - Структура и содержание стандарта по биологии. Распределение отметок по пятибалльной шкале. Число экзаменов. Устный экзамен по биологии. Диаграмма распределения отметок участников. Итоговая аттестация обучающихся. Рекомендации. Контрольные измерительные материалы 2013 г. Формы проведения. Государственная итоговая аттестация. Подготовку к экзамену. Проблемы итоговой аттестации по биологии. Структура биологического образования.
«С5 по биологии» - Общая масса всех молекул ДНК. Биосинтез белка. ДНК. Определение длины. Вычисление количества нуклеотидов. Определите число аминокислот. Определите последовательность нуклеотидов. Решение задач части С5. Первичная структура инсулина. Молекулярная биология. Задачи. Молекулярная масса. Деление клетки. Участок цепи молекулы ДНК. Число нуклеотидов. Сколько содержится нуклеотидов А, Т, Г, во фрагменте молекулы ДНК.
«Тестирование по биологии» - Споры бактерий. Проверочная работа по биологии. Сколько видов тканей существует в организме человека и животных. Половые части цветка. Печень. Образование органических веществ. Многочисленные органоиды. Растения по типу питания. Генеративный орган растения. Функции. Карп. Существование клеток. Пищеварительная система. Наружный скелет. Наземные позвоночные. Хлорофилл. Животные. Эвглена зелёная. Скорпионы.
Задача 1
Общая масса всех молекул ДНК 16 хромосом одной соматической клетки равна 4 10 9 мг (2С). Определить, чему будет равна масса всех хромосом в одной дочерней клетке и двух дочерних клетках, образовавшихся после митоза?
Решение:
Задача 2
Общая масса всех молекул ДНК в 46 хромосомах одной соматической клетки равна 6 10 9 мг (4С). Определить, чему будет равна масса всех хромосом в одной дочерней клетке и двух дочерних клетках, образовавшихся после митоза? Решение:
Таким образом, общая масса всех молекул ДНК в дочерней клетке равна 3 10 9 мг (2С), а в двух дочерних клетках - 6 10 9 мг (2С).
Задача 3
Общая масса всех молекул ДНК 22 хромосом одной соматической клетки равна 2 10 9 мг (4С). Определить, чему будет равна масса всех хромосом в одной дочерней клетке и в двух дочерних клетках, образовавшихся после митоза?
Решение:
Таким образом, общая масса всех молекул ДНК в дочерней клетке равна 1 10 9 мг (2С), а в двух дочерних клетках - 2 10 9 мг (2С).
Задача 4
Общая масса всех молекул ДНК 22 хромосом одной соматической клетки равна 3 10 9 мг (2С). Определить, чему будет равна масса всех хромосом в одной дочерней клетке и двух дочерних клетках, образовавшихся после мейоза?
Решение:
Задача 5
Общая масса всех молекул ДНК в 46 хромосомах одной соматической клетки равна 6 10 9 мг (4С). Определить, чему будет равна масса всех хромосом в одной дочерней клетке и в двух дочерних клетках, образовавшихся после мейоза?
Решение:
Таким образом, общая масса всех молекул ДНК в дочерней клетке равна 1,5 10 9 мг (1С), в двух дочерних клетках - 3 10 9 мг (1С), а в четырёх - 6 10 9 мг (1С).
Задача 6
Общая масса всех 46 хромосом одной соматической клетки равна 6 10 9 мг (4с). Сколько хромосом, хроматид и ДНК будут иметь сперматозоиды. Составить схему сперматогенеза, расписать стадии и названия клеток на каждой стадии образования.
Решение:
Таким образом, при сперматогенезе у человека образуются сперматозоиды, содержащие 23 хромосомы, 23 хроматиды, ДНК 1,5 10 9 мг (1с).
Задача 7
Соматические клетки шимпанзе имеют 48 хромосом и масса ДНК всех клеток составляет 8 10 9 мг (4 С). Определить количество хромосом, хроматид и ДНК в яйцеклетке самки. Составить схему овогенеза, расписать стадии и названия клеток на каждой стадии образования.
Решение:
Таким образом, количество хромосом, хроматид и ДНК в яйцеклетке самки составляет 22 хр-мы, 22 хр-ды, 2 10 9 мг (1С).
Молекула ДНК состоит из двух нитей, образующих двойную спираль. Впервые ее структура была расшифрована Френсисом Криком и Джеймсом Уотсоном в 1953 году.
Поначалу молекула ДНК, состоящая из пары нуклеотидных, закрученных друг вокруг друга цепочек, порождала вопросы о том, почему именно такую форму она имеет. Ученые назвали этот феномен комплементарностью, что означает, что в ее нитях друг напротив друга могут находиться исключительно определенные нуклеотиды. К примеру, напротив тимина всегда стоит аденин, а напротив цитозина - гуанин. Эти нуклеотиды молекулы ДНК и называются комплементарными.
Схематически это изображается так:
Т — А
Ц — Г
Данные пары образуют химическую нуклеотидную связь, которая определяет порядок расстановки аминокислот. В первом случае она немного слабее. Связь между Ц и Г более прочная. Некомплементарные нуклеотиды между собой пары не образуют.
О строении
Итак, строение молекулы ДНК особое. Такую форму она имеет неспроста: дело в том, что количество нуклеотидов очень большое, и для размещения длинных цепочек необходимо много места. Именно по этой причине цепочкам присуще спиральное закручивание. Это явление названо спирализацией, оно позволяет нитям укорачиваться где-то в пять-шесть раз.
Некоторые молекулы такого плана организм использует очень активно, другие - редко. Последние, помимо спирализации, подвергаются еще и такой «компактной упаковке», как суперспирализация. И тогда длина молекулы ДНК уменьшается в 25-30 раз.
Что такое «упаковка» молекулы?
В процессе суперспирализации задействуются гистоновые белки. Они имеют структуру и вид катушки для ниток или стержня. На них и наматываются спирализованные нити, которые становятся сразу «компактно упакованными» и занимают мало места. Когда возникает необходимость использования той или иной нити, она сматывается с катушки, к примеру, гистонового белка, и спираль раскручивается в две параллельные цепочки. Когда молекула ДНК пребывает именно в таком состоянии, с нее можно считывать необходимые генетические данные. Однако есть одно условие. Получение информации возможно, только если структура молекулы ДНК имеет раскрученный вид. Хромосомы, доступные для считывания, называются эухроматинами, а если они суперсипирализованы, то это уже гетерохроматины.
Нуклеиновые кислоты
Нуклеиновые кислоты, как и белки, являются биополимерами. Главная функция - это хранение, реализация и передача наследственной (генетической информации). Они бывают двух типов: ДНК и РНК (дезоксирибонуклеиновые и рибонуклеиновые). Мономерами в них выступают нуклеотиды, каждый из которых имеет в своем составе остаток фосфорной кислоты, пятиуглеродный сахар (дезоксирибоза/рибоза) и азотистое основание. В ДНК код входит 4 вида нуклеотидов - аденин (А)/ гуанин (Г)/ цитозин (Ц)/ тимин (Т). Они отличаются по содержащемуся в их составе азотистому основанию.
В молекуле ДНК количество нуклеотидов может быть огромным - от нескольких тысяч до десятков и сотен миллионов. Рассмотреть такие гигантские молекулы можно через электронный микроскоп. В этом случае удастся увидеть двойную цепь из полинуклеотидных нитей, которые соединены между собой водородными связями азотистых оснований нуклеотидов.
Исследования
В ходе исследований ученые обнаружили, что виды молекул ДНК у разных живых организмов отличаются. Также было установлено, что гуанин одной цепи может связываться только лишь с цитозином, а тимин - с аденином. Расположение нуклеотидов одной цепи строго соответствует параллельной. Благодаря такой комплементарности полинуклеотидов молекула ДНК способна к удвоению и самовоспроизведению. Но сначала комплементарные цепи под воздействием специальных ферментов, разрушающих парные нуклеотиды, расходятся, а затем в каждой из них начинается синтез недостающей цепи. Это происходит за счет имеющихся в большом количестве в каждой клетке свободных нуклеотидов. В результате этого вместо «материнской молекулы» формируются две «дочерние», идентичные по составу и структуре, и ДНК-код становится исходным. Данный процесс является предшественником клеточного деления. Он обеспечивает передачу всех наследственных данных от материнских клеток дочерним, а также всем последующим поколениям.
Как читается генный код?
Сегодня вычисляется не только масса молекулы ДНК - можно узнать и более сложные, ранее не доступные ученым данные. Например, можно прочитать информацию о том, как организм использует собственную клетку. Конечно, сначала сведения эти находятся в закодированном виде и имеют вид некой матрицы, а потому ее необходимо транспортировать на специальный носитель, коим выступает РНК. Рибонуклеиновой кислоте под силу просачиваться в клетку через мембрану ядра и уже внутри считывать закодированную информацию. Таким образом, РНК - это переносчик скрытых данных из ядра в клетку, и отличается она от ДНК тем, что в её состав вместо дезоксирибозы входит рибоза, а вместо тимина - урацил. Кроме того, РНК одноцепочная.
Синтез РНК
Глубокий анализ ДНК показал, что после того как РНК покидает ядро, она попадает в цитоплазму, где и может быть встроена как матрица в рибосомы (специальные ферментные системы). Руководствуясь полученной информацией, они могут синтезировать соответствующую последовательность белковых аминокислот. О том, какую именно разновидность органического соединения необходимо присоединить к формирующейся белковой цепи, рибосома узнает из триплетного кода. Каждой аминокислоте соответствует свой определенный триплет, который ее и кодирует.
После того как формирование цепочки завершено, она приобретает конкретную пространственную форму и превращается в белок, способный осуществлять свои гормональные, строительные, ферментные и иные функции. Для любого организма он является генным продуктом. Именно из него определяются всевозможные качества, свойства и проявления генов.
Гены
В первую очередь процессы секвенирования разрабатывались с целью получения информации о том, сколько генов имеет структура молекулы ДНК. И, хотя исследования позволили ученым далеко продвинуться в этом вопросе, узнать точное их количество пока что не представляется возможным.
Еще несколько лет назад предполагалось, что молекулы ДНК содержат приблизительно 100 тыс. генов. Немного погодя цифра уменьшилась до 80 тысяч, а в 1998 г. генетиками было заявлено, что в одной ДНК присутствует только 50 тысяч генов, которые являются всего лишь 3 % всей длины ДНК. Но поразили последние заключения генетиков. Теперь они утверждают, что в геном входит 25-40 тысяч упомянутых единиц. Получается, что за кодирование белков отвечает только 1,5 % хромосомной ДНК.
На этом исследования не прекратились. Параллельная команда специалистов генной инженерии установила, что численность генов в одной молекуле составляет именно 32 тысячи. Как видите, получить окончательный ответ пока что невозможно. Слишком много противоречий. Все исследователи опираются только на свои полученные результаты.
Было ли эволюционирование?
Несмотря на то что нет никаких доказательств эволюции молекулы (так как строение молекулы ДНК хрупкое и имеет малый размер), все же учеными было высказано одно предположение. Исходя из лабораторных данных, они озвучили версию следующего содержания: молекула на начальном этапе своего появления имела вид простого самовоспроизводящегося пептида, в состав которого входило до 32 аминокислот, содержащихся в древних океанах.
После саморепликации, благодаря силам естественного отбора, у молекул появилась способность защищать себя от воздействия внешних элементов. Они стали дольше жить и воспроизводиться в больших количествах. Молекулы, нашедшие себя в липидном пузыре, получили все шансы для самовоспроизведения. В результате череды последовательных циклов липидные пузыри приобрели форму клеточных мембран, а уже далее - всем известных частиц. Следует отметить, что сегодня любой участок молекулы ДНК представляет собой сложную и четко функционирующую структуру, все особенности которой учеными до конца еще не изучены.
Современный мир
Недавно ученые из Израиля разработали компьютер, которому под силу выполнять триллионы операций в секунду. Сегодня это самая быстрая машина на Земле. Весь секрет заключается в том, что инновационное устройство функционирует от ДНК. Профессора говорят, что в ближайшей перспективе такие компьютеры смогут даже вырабатывать энергию.
Специалисты из института Вейцмана в Реховоте (Израиль) год назад заявили о создании программируемой молекулярной вычислительной машины, состоящей из молекул и ферментов. Ими они заменили микрочипы из кремния. К настоящему времени команда еще продвинулась вперед. Теперь обеспечить компьютер необходимыми данными и предоставить нужное топливо может всего одна молекула ДНК.
Биохимические «нанокомпьютеры» - это не выдумка, они уже существуют в природе и проявлены в каждом живом существе. Но зачастую они не управляются людьми. Человек пока что не может оперировать геном какого-либо растения, чтобы рассчитать, скажем, число «Пи».
Идея об использовании ДНК для хранения/обработки данных впервые посетила светлые головы ученных в 1994 году. Именно тогда для решения простой математической задачи была задействована молекула. С того момента ряд исследовательских групп предложил различные проекты, касающиеся ДНК-компьютеров. Но здесь все попытки основывались только на энергетической молекуле. Невооруженным глазом такой компьютер не увидишь, он имеет вид прозрачного раствора воды, находящегося в пробирке. В нем нет никаких механических деталей, а только триллионы биомолекулярных устройств - и это только в одной капле жидкости!
ДНК человека
Какой вид у ДНК человека, людям стало известно в 1953 году, когда ученые впервые смогли продемонстрировать миру двухцепочную модель ДНК. За это Кирк и Уотсон получили Нобелевскую премию, так как данное открытие стало фундаментальным в 20 веке.
Со временем, конечно, доказали, что не только так, как в предложенном варианте, может выглядеть структурированная молекула человека. Проведя более детальный анализ ДНК, открыли А-, В- и левозакрученную форму Z-. Форма А- зачастую является исключением, так как образуется только в том случае, если наблюдается недостаточность влаги. Но это возможно разве что при лабораторных исследованиях, для естественной среды это аномально, в живой клетке такой процесс происходить не может.
Форма В- является классической и известна как двойная правозакрученная цепь, а вот форма Z- не только закручена в обратном направлении, влево, но также имеет более зигзагообразный вид. Учеными выделена еще и форма G-квадруплекс. В ее структуре не 2, а 4 нити. По мнению генетиков, возникает такая форма на тех участках, где имеется избыточное количество гуанина.
Искусственная ДНК
Сегодня уже существует искусственная ДНК, являющаяся идентичной копией настоящей; она идеально повторяет структуру природной двойной спирали. Но, в отличие от первозданного полинуклеотида, в искусственном - всего два дополнительных нуклеотида.
Так как дубляж создавался на основе информации, полученной в ходе различных исследований настоящей ДНК, то он также может копироваться, самовоспроизводиться и эволюционировать. Над созданием такой искусственной молекулы специалисты работали около 20 лет. В результате получилось удивительное изобретение, которое может пользоваться генетическим кодом так же, как и природная ДНК.
К четырем имеющимся азотистым основаниям генетики добавили дополнительные два, которые создали методом химической модификации естественных оснований. В отличие от природной, искусственная ДНК получилась достаточно короткой. Она содержит только 81 пару оснований. Тем не менее она также размножается и эволюционирует.
Репликация молекулы, полученной искусственным путем, имеет место благодаря полимеразной цепной реакции, но пока что это происходит не самостоятельно, а через вмешательство ученых. В упомянутую ДНК они самостоятельно добавляют необходимые ферменты, помещая ее в специально подготовленную жидкую среду.
Конечный результат
На процесс и конечный итог развития ДНК могут влиять различные факторы, например мутации. Это обуславливает обязательное изучение образцов материи, чтобы результат анализов был достоверным и надежным. В качестве примера можно привести тест на отцовство. Но не может не радовать, что такие казусы, как мутация, встречаются редко. Тем не менее образцы материи всегда перепроверяют, чтобы на основе анализа получить более точную информацию.
ДНК растений
Благодаря высоким технологиям секвенирования (HTS) совершена революция и в области геномики - выделение ДНК из растений также возможно. Конечно, получение из растительного материала молекулярной массы ДНК высокого качества вызывает некоторые трудности, обусловленные большим числом копий митохондрий и хлоропластов ДНК, а также высоким уровнем полисахаридов и фенольных соединений. Для выделения рассматриваемой нами структуры в этом случае задействуются самые разные методы.
Водородная связь в ДНК
За водородную связь в молекуле ДНК отвечает электромагнитное притяжение, создаваемое между положительно заряженным атомом водорода, который присоединен к электроотрицательному атому. Данное дипольное взаимодействие не подпадает под критерий химической связи. Но она может осуществиться межмолекулярно либо в различных частях молекулы, т. е. внутримолекулярно.
Атом водорода присоединяется к электроотрицательному атому, являющемуся донором данной связи. Электроотрицательным атомом может быть азот, фтор, кислород. Он - путем децентрализации - привлекает к себе электронное облако из водородного ядра и делает атом водорода заряженным (частично) положительно. Так как размер Н маленький, по сравнению с другими молекулами и атомами, заряд получается также малым.
Расшифровка ДНК
Прежде чем расшифровать молекулу ДНК, ученные сначала берут огромное количество клеток. Для наиболее точной и успешной работы их необходимо около миллиона. Полученные в процессе изучения результаты постоянно сравнивают и фиксируют. Сегодня расшифровка генома - это уже не редкость, а доступная процедура.
Конечно, расшифровывать геном одной клетки - это нецелесообразное занятие. Полученные в ходе таких исследований данные для ученых не представляют никакого интереса. Но важно понимать, что все существующие на данный момент методы декодировки, несмотря на их сложность, недостаточно эффективны. Они позволят считывать только 40-70 % ДНК.
Однако гарвардские профессора недавно заявили о способе, благодаря которому можно расшифровать 90 % генома. Методика основана на добавлении к выделенным клеткам молекул-праймеров, с помощью них и начинается репликация ДНК. Но даже и этот метод нельзя считать успешным, его еще нужно доработать, прежде чем открыто использовать в науке.
Задание:
Общая масса всех молекул ДНК в 46 хромосомах одной соматической клетки человека составляет около 6х10-9
мг. Определите, чему равна масса всех молекул ДНК в ядре при овогенезе перед началом мейоза, в профазе мейоза I и мейоза II. Объясните полученные результаты.
Ответ:
Перед началом мейоза хромосомы удваиваются, общая масса ДНК становится 12х10-9
мг.
В профазе мейоза I никаких изменений количества хромосом еще не произошло, остается 12х10-9 мг.
В ходе первого деления мейоза количество хромосом уменьшилось в 2 раза, следовательно, в профазе мейоза II 6х10-9 мг ДНК.
Обсуждение:
Дмитрий Поздняков: Мне непонятен первый ход. Почему под "общей массой всех молекул ДНК" имеется в виду 46 одинарных хромосом, а не 46 двойных? – Это же никак не прописано. Лично я при выполнении этого задания ошибся, у меня получилось 6, 6 и 3.
Анастасия: В интерфазе между делениями каждая хромосома состоит из одной хроматиновой нити, то есть 2n2c (где n-число хромосом, с - число хроматиновых нитей). Непосредственно перед мейозом происходит удвоение - 2n4c, то есть каждая хромосома состоит из двух хроматиновых нитей. В профазе I соотношение сохраняется - 2n4c, а после первого деления уменьшается число хромосом и одна хромосома состоит из двух нитей - n2c, после второго остается nc, то есть одна хромосома - одна нить.
В зависимости от того, какой моносахарид содержится в структурном звене полинуклеотида - рибоза или 2-дезоксирибоза , различают
- рибонуклеиновые кислоты (РНК) и
- дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК).
Нуклеотидные звенья макромолекул ДНК могут содержать аденин, гуанин, цитозин и тимин . Состав РНК отличается тем, что вместо тимина присутствует урацил .
Молекулярная масса ДНК достигает десятков миллионов а.е.м. Это самые длинные из известных макромолекул. Значительно меньше молекулярная масса РНК (от нескольких сотен до десятков тысяч). ДНК содержатся в основном в ядрах клеток, РНК в рибосомах и протоплазме клеток.
При описании строения нуклеиновых кислот учитывают различные уровни организации макромолекул: первичную и вторичную структуру.
- Первичная структура нуклеиновых кислот это нуклеотидный состав и определенная последовательность нуклеотидных звеньев в полимерной цепи.
В сокращённом однобуквенном обозначении эта структура записывается как ...– А – Г – Ц –...
- Под вторичной структурой нуклеиновых кислот понимают пространственно упорядоченные формы полинуклеотидных цепей.
Такая пространственная структура удерживается множеством водородных связей, образуемых азотистыми основаниями, направленными внутрь спирали. Водородные связи возникают между пуриновым основанием одной цепи и пиримидиновым основанием другой цепи. Эти основания составляют комплементарные пары (от лат. complementum - дополнение). Образование водородных связей между комплементарными парами оснований обусловлено их пространственным соответствием. Пиримидиновое основание комплементарно пуриновому основанию:
Водородные связи между другими парами оснований не позволяют им разместиться в структуре двойной спирали. Таким образом,
- ТИМИН (Т) комплементарен АДЕНИНУ (А),
- ЦИТОЗИН (Ц) комплементарен ГУАНИНУ (Г).
Комплементарность полинуклеотидных цепей служит химической основой главной функции ДНК хранения и передачи наследственных признаков.
Способность ДНК не только хранить, но и использовать генетическую информацию определяется следующими ее свойствами:
Вторичная структура РНК . В отличие от ДНК, молекулы РНК состоят из одной полинуклеотидной цепи и не имеют строго определенной пространственной формы (вторичная структура РНК зависит от их биологических функций).
Основная роль РНК непосредственное участие в биосинтезе белка. Известны три вида клеточных РНК, которые отличаются по местоположению в клетке, составу, размерам и свойствам, определяющим их специфическую роль в образовании белковых макромолекул:
- информационные (матричные) РНК передают закодированную в ДНК информацию о структуре белка от ядра клетки к рибосомам, где и осуществляется синтез белка;
- транспортные РНК собирают аминокислоты в цитоплазме клетки и переносят их в рибосому; молекулы РНК этого типа "узнают" по соответствующим участкам цепи информационной РНК, какие аминокислоты должны участвовать в синтезе белка;
- рибосомные РНК обеспечивают синтез белка определенного строения, считывая информацию с информационной (матричной) РНК.