Теория. Цитология. Генетика и молекулярная биология

На этом уроке мы рассмотрим блок тем, который необходимо знать для успешного выполнения задания № 3 ЕГЭ по биологии. Речь пойдет о знаниях, необходимых для решения расчетных задач.

Мы изучим основные понятия генетики и молекулярной биологии, рассмотрим цитологию клетки и разберем типичные ошибки в задачах по данной теме.

Обзор тем

• Строение ДНК (правило Чаргаффа: $A = T$, $G = C$, $A+G = T+C$)
• Количество молекул ДНК в хромосомах (в зависимости от фазы митоза/мейоза)
• Генетический код и его свойства (триплетность)

• Связь между числом нуклеотидов и аминокислот
• Количество хромосом и ДНК в клетках в разные фазы клеточного цикла (митоз, мейоз)
• Различия между гаплоидными и диплоидными клетками
• Сравнение гаплоидного и диплоидного наборов хромосом
• Митоз и мейоз: особенности фаз, изменения числа хромосом и молекул ДНК

• Различия между соматическими клетками и гаметами
• Содержание хромосом в различных типах клеток (спермии, яйцеклетки, зиготы, заростки, клетки листа и корня).

Строение ДНК

ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) — двухцепочечная молекула, образованная нуклеотидами.

Каждый нуклеотид состоит из азотистого основания, сахара (дезоксирибозы) и остатка фосфорной кислоты. Азотистые основания — это органические молекулы, которые входят в состав нуклеотидов, а те, в свою очередь, являются структурными единицами ДНК.

• Азотистые основания располагаются внутри двойной спирали.
• Они соединяются между собой водородными связями.
• Именно последовательность оснований несет наследственную информацию.
• Стабильность двойной спирали ДНК обеспечивается правилом Чаргаффа: две водородные связи между $A$ и $T$ и три водородные связи между $G$ и $C$.

В иРНК вместо тимина ($T$) используется урацил ($U$) — это главное отличие. При транскрипции (синтезе иРНК по ДНК): каждый $A$ в матричной цепи ДНК → $U$ в иРНК, аденин ($A$) в ДНК комплементарен урацилу ($U$) в иРНК.

Всего в молекуле ДНК — $100\%$ нуклеотидов. Если известен процент одного основания, другие можно найти: если $G = 30\%$, то $C = 30\%$, тогда $A + T = 40\% \Rightarrow A = T = 20\%$.

{"questions":[{"content":"На матричной цепи некоторой молекулы ДНК на долю нуклеотидов с аденином приходится $21\\%$. Определите долю нуклеотидов с урацилом на цепи молекулы иРНК, которая была синтезирована с данной ДНК. В ответе запишите только соответствующее число.[[fill_choice_big-1]]","widgets":{"fill_choice_big-1":{"type":"fill_choice_big","options":["$21$","$79$","$42$","$37$"],"placeholder":0,"answer":0}},"hints":["Если на матричной цепи ДНК $A=21\\%$, то в иРНК будет $U=21\\%$."]}]}

Генетический код

Генетический код — это система записи информации о последовательности аминокислот в белке с помощью последовательности нуклеотидов в молекулах ДНК или иРНК.

Основное свойство генетического кода, которое нужно знать для успешного решения задания № 3 в ЕГЭ по биологии, — триплетность: $1$ аминокислота кодируется $3$ нуклеотидами ($1$ кодоном).

Существуют стоп-кодоны, которые не кодируют аминокислоту, а сигнализируют об окончании трансляции. В задачах ЕГЭ их учитывать не нужно, если не сказано иное.

{"questions":[{"content":"Сколько нуклеотидов в гене кодируют последовательность $35$ аминокислот в молекуле белка?[[fill_choice_big-1]]","widgets":{"fill_choice_big-1":{"type":"fill_choice_big","options":["$105$","$70$","$35$","$140$"],"placeholder":0,"answer":0}},"explanation":"Каждая аминокислота кодируется тремя нуклеотидами (один триплет, или кодон):<br />$$35\\ \\text{аминокислот} \\times 3 = 105\\ \\text{нуклеотидов}.$$"}]}

Митоз и мейоз. Репликация ДНК

Репликация происходит в интерфазе (перед делением): количество молекул ДНК удваивается, хромосома начинает состоять из двух хроматид. В интерфазе и в профазе митоза/мейоза I каждая хромосома = $2$ молекулы ДНК.

В соматической клетке $20$ хромосом. Сколько хромосом и молекул ДНК будет в клетке перед митозом?

Показать решение

Скрыть

В клетке перед мейозом $24$ хромосомы. Сколько хромосом и молекул ДНК в каждой клетке после мейоза II?

Показать решение

Скрыть

{"questions":[{"content":"Сколько молекул ДНК содержит каждая хромосома перед митозом?[[fill_choice_big-1]]","widgets":{"fill_choice_big-1":{"type":"fill_choice_big","options":["$2$","$1$","$8$","$4$"],"placeholder":0,"answer":0}},"explanation":"Перед митозом каждая хромосома состоит из двух сестринских хроматид, а каждая хроматида содержит одну молекулу ДНК. После репликации ДНК в интерфазе каждая хромосома удваивается и содержит $2$ молекулы ДНК, соединенные в районе центромеры."}]}

Соматические клетки и гаметы

Диплоидный ($2n$) — парный набор хромосом. Каждая хромосома имеет пару, например, у человека $2n = 46$ хромосом → $23$ пары. Гаплоидный (n) — одинарный набор. В гаметах (половых клетках) только по одной хромосоме из каждой пары: у человека: $n = 23$ хромосомы.

Гаметы формируются из специальных клеток путем мейоза. В процессе мейоза число хромосом сокращается вдвое: $2n \to n2n→n$. Это нужно для того, чтобы при оплодотворении зигота вновь получила полный диплоидный набор: $n(\text{сперматозоид}) + n(\text{яйцеклетка}) = 2n(\text{зигота})$.

{"questions":[{"content":"Сколько половых хромосом содержится в соматической клетке человека, если в диплоидном наборе содержится $46$ хромосом? [[fill_choice_big-1]]","widgets":{"fill_choice_big-1":{"type":"fill_choice_big","options":["$2$","$46$","$23$","$1$"],"placeholder":0,"answer":0}},"explanation":"Диплоидный набор в соматической клетке: $2n=46$.<br />Из них $2$ хромосомы — половые (XX у женщин, XY у мужчин), остальные $44$ — аутосомы."}]}

Типичные ошибки

• Ошибка: все клетки организма имеют одинаковое число хромосом.
• Правильно: гаметы — всегда гаплоидные, а соматические клетки — диплоидные.
• Обоснование: гамета (сперматозоид, яйцеклетка) = $n$, соматическая клетка = $2n$. Если дана информация о гаплоидной клетке — увеличиваем в два раза, чтобы найти диплоидную (и наоборот).

• Ошибка: при митозе меняется число хромосом, в мейозе оба деления одинаковы.
• Правильно: при митозе не меняется число хромосом, при первом делении при мейозе число хромосом уменьшается, при втором — нет.
• Обоснование: митоз — число хромосом не меняется, каждая хромосома делится, образуя идентичные клетки. После мейоза I становится в $2$ раза меньше хромосом, после мейоза II количество ДНК уменьшается, хромосом не становится меньше. В профазе и метафазе хромосомы уже состоят из $2$ хроматид = $2$ молекулы ДНК.

• Ошибка: одна аминокислота кодируется $1$ или $2$ нуклеотидами, неправильный перевод между количеством нуклеотидов и аминокислот.
• Правильно: $1$ аминокислота = $3$ нуклеотида.
• Обоснование: умножаем количество аминокислот на 3, если нужно найти число нуклеотидов, и делим на $3$ — чтобы найти количество аминокислот из нуклеотидов.

Практические советы для ЕГЭ

Что необходимо уметь делать, чтобы успешно справиться с задачами по теме «Цитология. Генетика. Молекулярная биология»:

• отличать гаплоидные и диплоидные клетки;
• считать число хромосом и ДНК на разных этапах деления;
• переводить аминокислоты в нуклеотиды и обратно;
• пользоваться правилом Чаргаффа;
• понимать, что при митозе — число хромосом сохраняется, при мейозе — уменьшается вдвое.

Часто задаваемые вопросы