KOREŠPONDENČNÝ SEMINÁR
Z BIOLÓGIE
Frederick Sanger
(*13.8.1918- †19.11.2013)
dvojnásobný laureát Nobelovej ceny za chémiu
za jeho prácu na primárnej štruktúre proteínov, obzvlášť inzulínu (1958)
za jeho príspevky týkajúce sa určenia sekvencií nukleových kyselín (1980)
2013/2014
1.KOLO
Korešpondenčný seminár z biológie
organizujú:
Prírodovedecká fakulta
Univerzity Komenského v Bratislave
Ústav anorganickej chémie
Slovenskej akadémie vied
Milí mladí biológovia!
Aj v tomto školskom roku sa môžete zapojiť do riešenia úloh Korešpondenčného seminára
z biológie. Keďže úlohy riešite doma, sú zostavené aj z oblastí, ktoré sa bežne na stredných školách
nevyučujú a môžu vyzerať na prvý pohľad ťažké. Ale ak porozmýšľate, pohľadáte v literatúre, na
internete, poradíte sa s vyučujúcimi, zistíte, že sa dajú ľahko vyriešiť. Okrem toho na úspešný postup
v súťaži nie je ani zďaleka potrebné mať správne vyriešené všetky úlohy, preto sa nebojte zapojiť do
seminára vyriešením len časti zadaných úloh.
Najlepší riešitelia získajú certifikát, ktorý ich oprávňuje k štúdiu odboru biológia na Prírodovedeckej
fakulte UK bez prijímacích skúšok.
Aj v tomto ročníku používame elektronickú registráciu. Preto sa najneskôr v deň, kedy odošlete svoje
riešenia 1. kola, zaregistrujte na internetovej stránke bio.korsem.sk. Ak riešite aj korešpondenčný
seminár z chémie, zaregistrujte sa pre každú súťaž zvlášť.
Pravidlá korešpondenčného seminára:
1. Úlohy sú rozdelené do dvoch kategórií:
• Juniori pre 1. a 2. ročník stredných škôl
• Seniori pre 3. a 4. ročník stredných škôl
2. Za každú správne vyriešenú oblasť úloh získava riešiteľ 10 bodov, za neúplné, alebo čiastočne
správne riešenie primerane menej.
3. Riešenia úloh musia byť odoslané najneskôr v deň, ktorý je uvedený v zadaní.
4. Jednotlivé kolá nie sú postupové, teda úlohy vyšších kôl rieši študent bez ohľadu na výsledok
predchádzajúcich kôl. Poradie sa určuje až na záver súťaže.
Pokyny pre riešiteľov:
1. Úlohy riešte samostatne!!!
2. Riešenia píšte výhradne na odpoveďové hárky, ktoré si stiahnete z bio.korsem.sk.
3. Riešenie každej oblasti úloh opravuje vždy ich autor, preto netlačte odpoveďové hárky rôznych
oblastí úloh obojstranne na jeden list.
4. Spolu s riešením prvého kola sa zaregistrujte na internetovej stránke bio.korsem.sk.
5. Pokiaľ máte nejaké nejasnosti v zadaniach úloh, reklamácie k opravám, otázky k riešeniam,
neváhajte nás kontaktovať a opýtať sa na [email protected]
Vyriešené úlohy posielajte do 15.2.2014 na adresu:
Korešpondenčný seminár z biológie
Ústav anorganickej chémie SAV
Dúbravská cesta 9
845 36 Bratislava
Veľa šťastia pri riešení úloh!
Juniori
J1: Slávni biológovia
Spoznáte slávnych biológov a ich výskumné objekty na obrázkoch?
1. Zistite, ktorí piati biológovia sú zobrazení na obrázkoch (1. – 5.).
2. Napíšte odborné názvy piatich organizmov z obrázkov A až E (latinsky najlepšie).
3. Priraďte biológov ku organizmu, ktorý bol objektom ich výskumu.
4. V skratke popíšte k výskumu čoho použili dané organizmy. Za akým účelom ich skúmali.
J2: Genetika
Už na základnej škole ste sa určite stretli s „mendelistickou“ genetikou. Keď sa povie slovo
genetika, väčšine ľudí napadne práve Johann Gregor Mendel, opát augustiniánskeho kláštora
v Brne. Pán Mendel však nebol prvý človek, ktorý si všimol, že znaky sa prenášajú z rodičov na
potomkov. Už prírodovedcov pred ním zaujali rôzne fenomény, ako napríklad to, že existujú
dominantné či recesívne znaky. Nebol ani prvý, ktorý si všimol, že pri krížení rastlín vznikajú za
určitých okolností rovnakí potomkovia. Bolo známe dokonca aj to, že krížením takýchto
rovnakých potomkov už nemusíme dostať uniformnú generáciu, ale okrem jedincov
s dominantným znakom nájdeme aj jedincov so znakom recesívnym. Pán Mendel bol však
prvý, ktorý si všimol, že pomer takto rôznych jedincov je vždy rovnaký. Určite si spomeniete
na to, že v prípade, že krížime dominantného homozygota s recesívnym homozygotom
a sledujeme iba jeden znak, dostávame všetkých potomkov rovnakých, a totiž heterozygotov
(obr. a). Keď skrížime takýchto potomkov navzájom, dostávame potomkov s (fenotypovým)
štiepnym pomerom 3:1 (dominantní: recesívni) (obr. b).
Avšak pozor, pomer 3:1 nájdeme iba v ideálnom prípade. Čím s viac potomkami pracujeme,
tým viac sa blížime k ideálnemu „3:1“. Sám Mendel krížil a počítal obrovské množstvo
potomkov, čo ukazuje tabuľka pod textom (ktorá je po anglicky, avšak predpokladám, že si
s ňou poradíte, všimnite si počty potomkov, ktoré dostal (v druhom stĺpci) a pomery, ktoré mu
vyšli a blížia sa k 3:1).
1.
Mladý biológ a riešiteľ KORSEMu Gregor sa rozhodol, že si Mendelove pokusy s hladkými
a vráskavými semenami hrachu vyskúša ešte raz, pričom krížil homozygotné rastliny. Keďže
nebol až tak trpezlivý a nemal toľko voľného času ako Mendel, nedostal až tak veľa potomkov.
Jeho úroda pozostávala z 735 hladkých a 211 vráskavých semien hrachu.
1a) Aký pomer dostal mladý Gregor?
Je ťažké povedať, kedy je výsledok správny a kedy nie. V takomto prípade nám pomôže
štatistika, konkrétne χ2 test („chí-kvadrát“). χ2 hodnotu vypočítame pomocou vzorca

2
χ =∑
=1
kde
( − )2

e= experimentálna frekvencia i-tej triedy
t= teoretická frekvencia i-tej triedy
n= celkový počet fenotypových tried
Výsledkom takéhoto výpočtu je hodnota χ2. Avšak ešte potrebujeme pár krokov k tomu, aby
sme mohli s určitosťou povedať či sa naše výsledky zhodujú s Mendelovým teoretickým
pomerom. Hodnotu χ2 musíme porovnať s kritickou hodnotou, ktorá je charakteristická pre
každý stupeň voľnosti DF. (Stupeň voľnosti vypočítame ako DF= n-1; čo znamená „počet
fenotypových tried-1“. V našom prípade máme 2 fenotypové triedy- hladké a vráskavé
semená.) V prípade, že naša χ2 hodnota pre daný stupeň voľnosti je menšia ako χ 2 u P= 5%
(podľa tabuľky pod úlohou 1b), môžeme povedať, že naše výsledky sú v zhode s teoretickou
hodnotou, čiže v našom prípade s pomerom 3:1.
1b) Akú hodnotu χ2 dostanete z Gregorových pokusov? Môžeme povedať, že jeho výsledky sú
v zhode s teoretickým pomerom 3:1?
2.
Mladý Gregor spustil medzi riešiteľmi KORSEMu vlnu pokusných krížení. Každý si chcel sám
vyskúšať a overiť, že pri krížení dostane Mendelov pomer. Práve preto si všetci nadšenci
zaobstarali čisté línie pre každý znak, ktorý sledovali a začali krížiť a počítať.
Jakub sa neuspokojil s jedným znakom a zameral sa na farbu aj tvar semien, pričom krížením
získal 80 žltých hladkých semien, 35 žltých vráskatých semien, 45 zelených hladkých semien
a 7 zelených vráskatých semien.
2a) Napíšte χ2 hodnotu a zistite či sa Jakubovi podarilo získať správny pomer. (pozor!)
Neposedný Jožo sa do experimentovania pustil tiež, zameral sa na farbu kvetov hrachu, avšak
po čase ho to prestalo baviť, preto dostal iba 6 fialovokvetých a 5 bielokvetých hrachov.
2b) Napíšte χ2 hodnotu a určte či sa Jakubovi podarilo získať správny pomer.
2c) V prípade, že sa niektorému z mladých bádateľov nepodarilo získať zhodu s teoretickým
pomerom, vysvetlite prečo.
3.
Fero, ktorý bol trpezlivý ako Mendel, skrížil hrach s hladkými semenami s hrachom
s vráskavými semenami. Získal 2655 vráskavých semien a 2595 hladkých semien.
3a) Aký pomer „vráskaté: hladké“ dostal Fero?
3b) Navrhnite, prečo získal práve takýto pomer.
3c) Podľa svojej hypotézy z 3b určte hodnotu χ2 a overte či dostal hodnoty v zhode
s teoretickými.
4.
Vypočítajte, aká je pravdepodobnosť vzniku potomka, ktorý bude mať zvráskavené, žlté
semená a fialové kvety, keď krížime dvoch heterozygotov (v každom géne) s hladkými, žltými
semenami a fialovými kvetmi.
J3: Molekulárna genetika
Juniori: 1, 2, 3, 4, 7
Seniori: 3, 4, 5, 6, 7, 8
Táto úloha bude zameraná hlavne na vzťah medzi DNA a proteínmi, a aký vplyv na funkčnosť
proteínu majú zmeny v DNA.
V ľudskom tele sa nachádza podľa odhadov viac ako 1 000 000 rôznych proteínov. Sú to
polypeptidové reťazce zložené z aminokyselín. Ich poradie je zakódované v DNA. Bunka má
nástroje na to, ako podľa DNA nasyntetizovať proteín. Poďme sa na to pozrieť podrobnejšie.
1. Doplňte ako sa dané procesy nazývajú, kde v bunke prebiehajú, a aké enzýmy sa na nich
zúčastňujú. (A, B)
2. Vie to bunka robiť aj naopak? Prepísať sekvenciu aminokyselín späť do RNA, poprípade
RNA späť do DNA? Ak áno, aké enzýmy (C, D) sa na tom podieľajú?
Preklad zo sekvencie RNA do sekvencie proteínu sa riadi určitým kľúčom. Trojice báz (triplety)
kódujú jednotlivé aminokyseliny. V nasledujúcej tabuľke môžete vidieť, akým.
3. A) Aký peptid by vznikol teoreticky z RNA vlákna so sekvenciou: CUC CAU GUC UUA GAG?
V bunke začína preklad vždy tripletom AUG, končí sa stop kodónmi.
3. B) Aký peptid by vznikol z RNA vlákna (CUC CAU GUC UUA GAG) v bunke?
4. O genetickom kóde sa vraví, že je degenerovaný. Čo to znamená? Napíšte aspoň dve
ďalšie sekvencie RNA, z ktorých by vznikol rovnaký peptid ako v úlohe 3A.
Edward Lawrie Tatum bol americký genetik. Spolu s Georgeom Wellsom Beadleom obdržal
polovicu Nobelovej ceny za fyziológiu alebo medicínu v roku 1958. Cena bola udelená za dôkaz
toho, že gény kontrolujú jednotlivé kroky metabolizmu. Beadleho a Tatumove experimenty
zahrňovali vystavenie huby Neurospora crassa lúčom röntgenového žiarenia, čo spôsobilo
mutácie. V sérii pokusov dokázali, že tieto mutácie spôsobili zmeny v špecifických enzýmoch.
To malo za následok zmeny v metabolických cestách. Tieto experimenty, zverejnené v roku
1941, ich viedli k myšlienke priameho spojenia medzi génmi a reakciami enzýmov, známej ako
hypotéza „jeden gén, jeden enzým“. Jej znenie bolo postupne upravené na: „jeden gén, jeden
polypeptid“.
5. Beadle bol úspešný v genetickom výskume kukurice a po začatí spolupráce s Tatumom
skúmali genetiku drozofíl. Prečo si na tvorbu hypotézy „jeden gén, jeden enzým“ vybrali
druh Neurospora crassa?
6. Prečo hypotéza „jeden gén, jeden polypeptid“ dnes už neplatí? Uveďte konkrétny príklad
kedy jeden gén kóduje viac polypeptidových reťazcov.
Beadle a Tatum vyvolávali pomocou röntgenového žiarenia mutácie, ktoré mali vplyv na
funkčnosť enzýmov. Mutácie môžu byť rôzne, od menej závažných až po fatálne.
7. Porovnajte nasledovné mutácie, ktorá z nich bude závažnejšia? Zdôvodnite svoje
rozhodnutie.
a. Výmena leucínu za valín - Výmena leucínu za kyselinu glutámovú
b. Substitúcia jedného nukleotidu - Delécia jedného nukleotidu
c. Mutácia v intróne - Mutácia v regulačnej oblasti
Mladý riešiteľ KORSEMu Janko sa dočítal o Beadle-Tatumových experimentoch, a rozhodol sa,
že tiež skúsi podobný pokus. Skúmal konkrétne 4 látky: A, B, C, D... Vedel, že všetky 4 látky sa
nachádzajú v jednej biosyntetickej dráhe za sebou, nevedel však v akom poradí. Objednal si
z firmy CORESEM Biotechnologies Inc. 3 kmene kvasinky Neurospora crassa z ktorých každý
mal nonsense mutáciu v inom enzýme tejto dráhy. Testoval potom jednotlivé kmene, každý
vždy na minimálnom médiu s prídavkom jednotlivých látok. Keď už mal všetky výsledky a chcel
dať túto biochemickú dráhu dokopy, jeho kocúr mu (úmyselne?) zničil asi polovicu papierov
s výsledkami experimentov.
Toto je všetko čo mu ostalo:




kmeň 1 rastie na médiu s látkou A, ale nie na médiu s látkou B
kmeň 2 nerastie ani na B ani na C
kmeň 3 rastie na všetkom okrem B
všetky kmene rastú na médiu s látkou D
8. Pomôžte Jankovi dať dokopy túto metabolickú dráhu, v akom poradí v nej figurujú látky
A, B, C, D. Určte v ktorých miestach tejto dráhy majú jednotlivé kmene mutáciu. Napíšte
postup krokov, ako ste sa k výslednej metabolickej dráhe dopátrali.
J4: Praktická úloha – transport látok cez bukovú membránu
Novinkou tohto ročníka korešpondenčného seminára je, že v každej sérii úloh nájdete aj
pomerne jednoducho realizovateľnú praktickú úlohu (niekedy bude obsahovať dve možnosti
experimentu – z ktorých si vyberiete jednu). Experiment a vyhodnocovacie otázky k nemu budú
spoločné pre juniorov aj seniorov, doplňujúce otázky bude mať každá kategória svoje.
Každá bunka „rieši“ zásadnú dilemu – na jednej strane sa potrebuje ohraničiť od vonkajšieho
prostredia, na druhej strane však z neho potrebuje získavať látky dôležité pre život a vylučovať
odpadové produkty. Tieto funkcie zabezpečuje bunková membrána, ktorá má na starosti
nielen ohraničenie bunky, ale aj reguláciu transportu akýchkoľvek látok. Niektoré látky, ako
napríklad plyny môžu cez membránu prechádzať jednoduchou difúziou. Pre bunku je dôležité,
aby difúzia prebiehala dostatočne rýchlo, čo do veľkej miery limituje veľkosť, ktorú bunka
môže dosiahnuť. Ako súvisí veľkosť buniek s difúziou sa pokúsime modelovať nasledujúcim
experimentom, kde budú, pre jednoduchosť, bunky predstavovať kocky agaru rôznych veľkostí
Experiment – Rýchlosť difúzie látok do bunky v závislosti od pomeru povrch/objem
Pomôcky a chemikálie: agar (kúpite napr. v biopotravinách), voda, roztok NaOH (0,1mol/l),
ocot zriedený vodou 1:1, plastová krabička (napríklad od masla), pravítko, nôž (s hladkou
čepeľou), roztok fenolftaleínu
Postup:
1) Zmiešajte vodu a agar (1g agaru na 100ml vody)
2) Varte, kým sa agar nerozpustí
3) Počkajte, kým zmes ochladne tak, že nádoba sa dá udržať v ruke a pridajte niekoľko kvapiek
fenolftateínu
4) Potom pridajte NaOH a premiešajte. Ak nie je celá zmes výrazne ružová, pridajte ešte
trochu.
5) Zmes vlejte do pripravenej nádoby a nechajte stuhnúť
6) Po stuhnutí vyrežte z agaru kocky s hranou 0,5; 1; 2 a 3cm
7) Pripravené kocky vložte do zriedeného octu tak, aby boli celé ponorené a sledujte
odfarbovanie – zaznamenajte pre každú kocku čas, ktorý bol potrebný na úplné odfarbenie
Poznámky a upozornenia:


Celkový objem si musíte prispôsobiť podľa veľkosti nádoby, v ktorej sa chystáte nechať
agar tuhnúť
Agar sa dá bez problémov rozvariť aj v mikrovlnnej rúre – v akomkoľvek prípade však
dávajte pozor, pretože zmes veľmi rada kypí, preto by nádoba, v ktorej ju pripravujete
mala mať aspoň 3x väčší objem





Môžete použiť aj iný acidobázický indikátor, napr. brómtymolovú modrú
Namiesto agaru je možné použiť želatínu – v tom prípade postupujte podľa návodu na
obale
Nádobu, v ktorej agar necháte stuhnúť voľte tak, aby bolo možné vyrezať z agaru aj kocku
veľkosti 3x3 cm (napr. v krabičke od masla potrebujete naliať 3cm hrubú vrstvu)
Odfarbovanie kociek je najlepšie pozorovať zhora
Pri realizácii experimentu používajte ochranné pomôcky
Vyhodnotenie:
1. Nakreslite graf, ako sa mení pomer povrchu a objemu pri jednotlivých kockách použitých v
experimente
2. Nakreslite graf, ktorý bude zobrazovať závislosť času potrebného na odfarbenie agarovej
kocky od pomeru jej povrchu k objemu
3. Na základe výsledkov experimentu zhodnoťte ako sa pri zväčšovaní našej hypotetickej
bunky mení pomer povrch/objem a čo z nich vyplýva pre reálne bunky (ktorých veľkosť sa
zvyčajne pohybuje v rozmedzí 1 – 100μm).
Doplňujúce otázky JUNIORI
4. V úvodnom texte sme spomenuli, že voľne prechádzať difúziou cez biomembránu môžu iba
niektoré látky. Na základe stavby membrány a spoločných vlastností týchto látok vysvetlite
ako je to možné.
5. Transport látok do bunky, alebo z bunky prostredníctvom difúzie je založený na rozdiele
koncentrácií transportovanej látky a nevyžaduje energiu, preto sa difúzia označuje ako pasívny
transport. Pasívnym transportom je tiež osmóza. Ako sa od seba odlišujú tieto dva deje?
6. Ľudské erytrocyty majú tzv. bikonkávny tvar, čiže sú na oboch stranách preliačené (pozri
obrázok). Udržiavanie takéhoto tvaru je pomerne náročné a erytrocyt naň využije väčšinu
energie získanej v metabolizme. Na základe vašich poznatkov o difúzii sa pokúste vysvetliť,
prečo je pre erytrocyt udržiavanie tvaru také dôležité?
Obr. 1: erytrocyt
Seniori
S1: Modelové organizmy v biológii Muška jenom zlatá
Šťastie? Čo je šťastie? Vybrať si mušku Drosophila
melanogaster za svoj modelový organizmus. Také
šťastie mal bádateľ X na Kolumbijskej univerzite,
keď sa rozhodol vo svojej slávnej „fly room“ vystavovať
drobnú mušku rôznym mutagénom a rôzne ju krížiť, aby
prišiel na kĺb dedičnosti mutantov. Normálne majú tieto
mušky červené oči, ale jedného dňa sa bádateľovi X
znenazdajky vyliahla muška s bielymi očami. Bol to samec. A tak ho krížil s červenookými
samicami. Zákony pána Gregora nesklamali a tak prvá filiálna generácia (F1) bola plná
červenookých heterozygótov. Druhá filiálna generácia (F2) vzišla zo vzájomného kríženia
jedincov z F1 generácie a akoby vypadla z Gregorovho hrachu. Čo však spadlo do oka
bádateľovi X a s čím sa pán Gregor nestretol, bol fakt, že všetky bielooké jedince boli výlučne
samčieho pohlavia. Žiadna bielooká samica. Kam sa podela rovnosť pohlaví? To zaváňa sexom!
Bádateľ X po dlhom premýšľaní a experimentovaní navrhol, že farba očí je podmienená
pohlavím mušky. Drosophila má vcelku štyri páry chromozómov, z toho jeden gonozóm a tri
autozómy. Určenie pohlavia je podobné ako u ľudí, však sa aj volá tento typ pohlavného
určenia Drosophila. Samice sú homogametické (XX), zatiaľ čo samce sú heterogametické (XY).
No a gén pre farbu očí mušky sa nachádza práve len na jednom pohlavnom chromozóme, na
chormozóme X. Červená a biela farba očí Drosophily je pohlavne viazaný znak. Bádateľ X
všetko svoje bádanie publikoval v prominentných plátkoch a rázom si potriasol ruku
s Nobelovým výborom. Drosophila sa stala snáď ešte populárnejšia, stála pri objavoch
genetickej väzby, regulácie embryonálneho vývinu, výskumu matuzalemských génov, génov
zodpovedajúcich za biologické rytmy, podieľa sa na objavovaní liečby Parkinsonovej choroby,
rakoviny, či pri štúdiu prevencie drogovej závislosti ľudí.
1. Ako sa volal americký bádateľ, ktorý preslávil mušku Drosophilu melanogaster ako
modelový organizmus?
2. Aký pomer červenookých samcov, červenookých samíc, bielookých samcov a bielookých
samíc sa vyliahlo bádateľovi X v F2 generácii v ideálnych experimentálnych podmienkach jeho
laboratória.
3. Vysvetlite, prečo v F2 generácii pokusov bádateľa X nemohla vzniknúť bielooká samica.
4. Je vôbec možné vyselektovať bielookú samicu? Ak áno, navrhnite také kríženie, pri ktorom
by sa vám mohla vyliahnuť bielooká samica. Akých jedincov by ste použili do tohto kríženia?
Spočítajte, aká je pravdepodobnosť, že sa v potomstve vášho kríženia objaví bielooká samica.
5. D. melanogaster sa stala obľúbeným modelovým organizmom pre genetikov, nie len pre
svoj rýchly rozmnožovací cyklus a jednoduché laboratórne podmienky, v ktorých sa dá chovať,
ale aj pre svoje úžasné polyténne chromozómy (obrázok vpravo). Vysvetlite, čo sú polyténne
chormozómy. Kde sa u D. melanogaster nachádzajú? Prečo uľahčujú genetikom prácu? Čo
znamenajú jednotlivé tmavé a svetlé pruhy na obrázku znázorňujúcom polyténne
chromozómy?
6. Genetická regulácia ranného embryonálneho vývinu D. melanogaster je podrobne
preštudovaná. Než začnú vznikať komplikovanejšie štruktúry, embryo si však najprv musí
vyjasniť polohu telových osí a lokalizáciu rôznych teľných článkov (segmentov). V rannom
embryonálnom vývine sa preto postupne zapínajú štyri skupiny regulačných génov a ich
proteínových produktov (zväčša transkripčné faktory) v nasledujúcom poradí:
maternálne gény – sú exprimované ako prvé a to tak, aby určili predo-zadnú (anteroposteriórnu) osu tela. Niektoré sú exprimované len v anteriórnej časti, iné naopak len v
posteriórnej časti tela. Napr. bicoid (bcd).
gap gény – sú exprimované tak, aby rozdelili embryo na hrubé zóny – napr. prednú, strednú
a zadnú časť v prípade génu Kruppel (Kr).
pair rule gény – sú exprimované v antero-posteriórnej ose tak, aby určili počet teľných
segmentov a hranicu medzi nimi. V polovici segmentov je tento gén exprimovaný, v polovici
nie. Každý teľný segment s exprimovaným konkrétnym pair rule génom teda susedí so
segmentami bez expresie daného génu a naopak. Napr. hairy (h).
gény polarity segmentov – sú exprimované v každom teľnom segmente a určujú tak prednú
a zadnú časť segmentu. Napr. engrailed (en).
Ak by ste aktivitu expresie génov jednotlivých skupín pozorovali pod mikroskopom, uvideli by
ste niečo takéto:
A
B
C
a) Podľa vyššie uvedeného popisu generalizovanej expresie štyroch skupín regulačných génov,
určite ľahko priradíte každý obrázok ku správnej skupine.
Koncentrácia proteínu
nízka
vysoká
b) Na grafe vpravo je znázornený
Proteíny
koncentračný gradient expresie proteínov
štyroch dôležitých maternálnych génov
(bicoid, hunchback, nanos a caudal) pozdĺž
predo-zadnej osi embrya. Čím vyššia je
koncentrácia expresie daného proteínu,
tým je v korešpondujúcej časti embrya
daný proteín viac exprimovaný a tým sa
anteriórne
posteriórne
nám táto časť embrya jasnejšie zjavuje pri
Pozícia v rannom embryu
pozorovaní pod mikroskopom. Nakreslite
dve embryá Drosophily. Do jedného z nich zakreslite expresiu génu nanos, a do druhého
zakreslite, kde je exprimovaný gén caudal. Podobne, ako je to na obrázku predchádzajúcej
otázky. Malá rada, na jednom z obrázkov v predchádzajúcej otázke je vidieť expresiu génu
bicoid.
7. Trocha klasickej systematiky a morfológie.
a) Do akého radu hmyzu patrí D. melanogaster?
b) Vieme, že krídla hmyzu sa nachádzajú na hrudi a tá vznikla zrastením troch hrudných
článkov: prvý hrudný článok (prothorax), druhý hrudný článok (mesothorax) a tretí hrudný
článok (metathorax). Napíšte, koľko párov krídiel majú nasledujúce druhy hmyzu a na ktorom
(ktorých) hrudných článkoch sa krídla nachádzajú: Drosophila melanogaster, Apis mellifera,
Pulex irritans, Lucanus cervus.
8. Určite ste každý z vás už D. melanogaster nespočetne krát videli. Popíšte, kde sa
v každodennom živote môžete stretnúť s touto muškou, prípadne, čo by ste urobili, aby ste ju
mohli stretnúť? Aký je zľudovený názov pre D. melanogaster?
S2: Leukémia
V roku 1845 pozoroval nemecký patológ Rudolf Virchow vo vzorke krvi jedného pacienta
mimoriadne zvýšený počet leukocytov. Už pred ním niekoľko lekárov popísalo u iných
pacientov podobný nález, spojený s pomerne širokým spektrom príznakov. Virchow správne
predpokladal, že primárnou príčinou rôznych symptómov je práve zvýšený počet leukocytov
a o dva roky neskôr, v roku 1847, ako prvý použil na popis tejto choroby slovo Leukämie –
z gréckeho leukos – biely a aima – krv. Leukémia je v súčasnosti najčastejším onkologickým
ochorením detí a adolescentov – predstavuje cca 34% všetkých prípadov rakoviny u detí pod
15 rokov.
1.Tri najčastejšie formy rakoviny u detí do 15 rokov sú leukémia (34%), tumor v mozgu alebo
mieche (27%) a neuroblastóm – nádor nezrelých nervových buniek, nachádzajúcich sa mimo
CNS (7%). U dospelých po 45 roku života je 90% všetkých diagnostikovaných prípadov rakoviny
klasifikovaných ako karcinóm – t.j. nádor odvodený od epitelového tkaniva. Vedeli by ste túto
štatistiku vysvetliť? Čo myslíte, prečo v štatistike vedú leukémie u detí a karcinómy
u dospelých a nie naopak? Prečo štatistika nie je pre obidve skupiny rovnaká?
2. Pod slovom leukémia sa v skutočnosti skrýva veľmi heterogénna skupina ochorení, ktoré sa
orientačne delia na 4 skupiny podľa priebehu ochorenia a typu postihnutých buniek.
Vymenujte tieto 4 skupiny a uveďte, ktorý typ je najčastejší u detských pacientov do 10
rokov.
3. Abnormálne vysoký počet leukocytov v krvi pacientov je dôsledkov nekontrolovaného
delenia pôvodnej leukemickej bunky. V krvi sa tak hromadia nezrelé krvné elementy, takzvané
blasty, ktoré sú zastavené v rôznych štádiach vývinu (štádium závisí na type leukémie), a preto
nedokážu vykonávať svoju funkciu. Tým, že sa leukemické bunky veľmi rýchlo množia,
vytláčajú ostatné typy krviniek – človek má potom nadbytok napr. nezrelých a nefunkčných Blymfocytov (ktoré sú mu ako nefunkčné nanič), ale nedostatok napr. erytrocytov. Na základe
týchto informácií skúste odvodiť, aké sú najčastejšie symptómy, spoločné pre všetky typy
leukémie. Napíšte aspoň tri a svoju odpoveď zdôvodnite. (Pomôcka – skúste sa zamyslieť,
čo sa asi deje s človekom, ktorý má nedostatok jednotlivých krvných elementov).
4. Spomedzi rôznych spôsobov liečby leukémie stojí za zmienku tzv. zázračný liek, niekedy tiež
nazývaný silver bullet. Liek je známy pod obchodným názvom Gleevec, na trh ho uviedla firma
Ciba-Geigy (dnes Novartis), a od roku 1998, kedy začali prvé klinické testy, zachránil život
tisíckam ľudí s dovtedy veľmi zlou prognózou. Aký je chemický názov Gleevecu?
5. Gleevec patrí medzi inhibítory tyrozín-kináz. Tyrozín-kinázy sú dôležitou súčasťou mnohých
signálnych dráh v bunke. Ako názov hovorí, patria medzi proteín-kinázy, to znamená, že sú
schopné použiť gama fosfát z ATP a fosforylovať ním aminokyselinu tyrozín v proteínoch, čo
vedie najčastejšie k aktivácii daného proteínu a prenosu signálu ďalej. Inhibítory tyrozín-kináz
sú často používané v terapii onkologických ochorení. Čo myslíte, prečo? Aké dôsledky môže
mať nadmerná aktivita tyrozín-kináz?
6. Gleevec je úspešne používaný v terapii pacientov, u ktorých sa preukáže prítomnosť
tzv. Philadelphského chromozómu. Tento abnormálny chromozóm vzniká reciprokou
translokáciou chromozómov 9 a 22 – oba chromozómy si vymenia dlhé ramienka a vzniknutý
Philadelphský chromozóm má krátke ramienko chromozómu 22 a dlhé ramienko chromozómu
9. Nakoľko ide o reciprokú translokáciu, nedochádza k strate ani k zmnoženiu genetickej
informácie, ako je to napríklad v prípade Downovho syndrómu (trizómia 21). Genetická dóza
zostáva zachovaná. Prečo je teda prítomnosť sfúzovaného chromozómu taký problém? Čo
sa môže všeobecne stať pri takejto fúzii? A čo konkrétne sa deje v prípade Philadelphského
chromozómu?
S3: Molekulárna genetika
Juniori: 1, 2, 3, 4, 7
Seniori: 3, 4, 5, 6, 7, 8
Táto úloha bude zameraná hlavne na vzťah medzi DNA a proteínmi, a aký vplyv na funkčnosť
proteínu majú zmeny v DNA.
V ľudskom tele sa nachádza podľa odhadov viac ako 1 000 000 rôznych proteínov. Sú to
polypeptidové reťazce zložené z aminokyselín. Ich poradie je zakódované v DNA. Bunka má
nástroje na to, ako podľa DNA nasyntetizovať proteín. Poďme sa na to pozrieť podrobnejšie.
1. Doplňte ako sa dané procesy nazývajú, kde v bunke prebiehajú, a aké enzýmy sa na nich
zúčastňujú. (A, B)
2. Vie to bunka robiť aj naopak? Prepísať sekvenciu aminokyselín späť do RNA, poprípade
RNA späť do DNA? Ak áno, aké enzýmy (C, D) sa na tom podieľajú?
Preklad zo sekvencie RNA do sekvencie proteínu sa riadi určitým kľúčom. Trojice báz (triplety)
kódujú jednotlivé aminokyseliny. V nasledujúcej tabuľke môžete vidieť, akým.
3. A) Aký peptid by vznikol teoreticky z RNA vlákna so sekvenciou: CUC CAU GUC UUA GAG?
V bunke začína preklad vždy tripletom AUG, končí sa stop kodónmi.
3. B) Aký peptid by vznikol z RNA vlákna (CUC CAU GUC UUA GAG) v bunke?
4. O genetickom kóde sa vraví, že je degenerovaný. Čo to znamená? Napíšte aspoň dve
ďalšie sekvencie RNA, z ktorých by vznikol rovnaký peptid ako v úlohe 3A.
Edward Lawrie Tatum bol americký genetik. Spolu s Georgeom Wellsom Beadleom obdržal
polovicu Nobelovej ceny za fyziológiu alebo medicínu v roku 1958. Cena bola udelená za dôkaz
toho, že gény kontrolujú jednotlivé kroky metabolizmu. Beadleho a Tatumove experimenty
zahrňovali vystavenie huby Neurospora crassa lúčom röntgenového žiarenia, čo spôsobilo
mutácie. V sérii pokusov dokázali, že tieto mutácie spôsobili zmeny v špecifických enzýmoch.
To malo za následok zmeny v metabolických cestách. Tieto experimenty, zverejnené v roku
1941, ich viedli k myšlienke priameho spojenia medzi génmi a reakciami enzýmov, známej ako
hypotéza „jeden gén, jeden enzým“. Jej znenie bolo postupne upravené na: „jeden gén, jeden
polypeptid“.
5. Beadle bol úspešný v genetickom výskume kukurice a po začatí spolupráce s Tatumom
skúmali genetiku drozofíl. Prečo si na tvorbu hypotézy „jeden gén, jeden enzým“ vybrali
druh Neurospora crassa?
6. Prečo hypotéza „jeden gén, jeden polypeptid“ dnes už neplatí? Uveďte konkrétny príklad
kedy jeden gén kóduje viac polypeptidových reťazcov.
Beadle a Tatum vyvolávali pomocou röntgenového žiarenia mutácie, ktoré mali vplyv na
funkčnosť enzýmov. Mutácie môžu byť rôzne, od menej závažných až po fatálne.
7. Porovnajte nasledovné mutácie, ktorá z nich bude závažnejšia? Zdôvodnite svoje
rozhodnutie.
a. Výmena leucínu za valín - Výmena leucínu za kyselinu glutámovú
b. Substitúcia jedného nukleotidu - Delécia jedného nukleotidu
c. Mutácia v intróne - Mutácia v regulačnej oblasti
Mladý riešiteľ KORSEMu Janko sa dočítal o Beadle-Tatumových experimentoch, a rozhodol sa,
že tiež skúsi podobný pokus. Skúmal konkrétne 4 látky: A, B, C, D... Vedel, že všetky 4 látky sa
nachádzajú v jednej biosyntetickej dráhe za sebou, nevedel však v akom poradí. Objednal si
z firmy CORESEM Biotechnologies Inc. 3 kmene kvasinky Neurospora crassa z ktorých každý
mal nonsense mutáciu v inom enzýme tejto dráhy. Testoval potom jednotlivé kmene, každý
vždy na minimálnom médiu s prídavkom jednotlivých látok. Keď už mal všetky výsledky a chcel
dať túto biochemickú dráhu dokopy, jeho kocúr mu (úmyselne?) zničil asi polovicu papierov
s výsledkami experimentov.
Toto je všetko čo mu ostalo:




kmeň 1 rastie na médiu s látkou A, ale nie na médiu s látkou B
kmeň 2 nerastie ani na B ani na C
kmeň 3 rastie na všetkom okrem B
všetky kmene rastú na médiu s látkou D
8. Pomôžte Jankovi dať dokopy túto metabolickú dráhu, v akom poradí v nej figurujú látky
A, B, C, D. Určte v ktorých miestach tejto dráhy majú jednotlivé kmene mutáciu. Napíšte
postup krokov, ako ste sa k výslednej metabolickej dráhe dopátrali.
S4: Praktická úloha – transport látok cez bukovú membránu
Novinkou tohto ročníka korešpondenčného seminára je, že v každej sérii úloh nájdete aj
pomerne jednoducho realizovateľnú praktickú úlohu (niekedy bude obsahovať dve možnosti
experimentu – z ktorých si vyberiete jednu). Experiment a vyhodnocovacie otázky k nemu budú
spoločné pre juniorov aj seniorov, doplňujúce otázky bude mať každá kategória svoje.
Každá bunka „rieši“ zásadnú dilemu – na jednej strane sa potrebuje ohraničiť od vonkajšieho
prostredia, na druhej strane však z neho potrebuje získavať látky dôležité pre život a vylučovať
odpadové produkty. Tieto funkcie zabezpečuje bunková membrána, ktorá má na starosti
nielen ohraničenie bunky, ale aj reguláciu transportu akýchkoľvek látok. Niektoré látky, ako
napríklad plyny môžu cez membránu prechádzať jednoduchou difúziou. Pre bunku je dôležité,
aby difúzia prebiehala dostatočne rýchlo, čo do veľkej miery limituje veľkosť, ktorú bunka
môže dosiahnuť. Ako súvisí veľkosť buniek s difúziou sa pokúsime modelovať nasledujúcim
experimentom, kde budú, pre jednoduchosť, bunky predstavovať kocky agaru rôznych veľkostí
Experiment – Rýchlosť difúzie látok do bunky v závislosti od pomeru povrch/objem
Pomôcky a chemikálie: agar (kúpite napr. v biopotravinách), voda, roztok NaOH (0,1mol/l),
ocot zriedený vodou 1:1, plastová krabička (napríklad od masla), pravítko, nôž (s hladkou
čepeľou), roztok fenolftaleínu
Postup:
1) Zmiešajte vodu a agar (1g agaru na 100ml vody)
2) Varte, kým sa agar nerozpustí
3) Počkajte, kým zmes ochladne tak, že nádoba sa dá udržať v ruke a pridajte niekoľko kvapiek
fenolftateínu
4) Potom pridajte NaOH a premiešajte. Ak nie je celá zmes výrazne ružová, pridajte ešte
trochu.
5) Zmes vlejte do pripravenej nádoby a nechajte stuhnúť
6) Po stuhnutí vyrežte z agaru kocky s hranou 0,5; 1; 2 a 3cm
7) Pripravené kocky vložte do zriedeného octu tak, aby boli celé ponorené a sledujte
odfarbovanie – zaznamenajte pre každú kocku čas, ktorý bol potrebný na úplné odfarbenie
Poznámky a upozornenia:


Celkový objem si musíte prispôsobiť podľa veľkosti nádoby, v ktorej sa chystáte nechať
agar tuhnúť
Agar sa dá bez problémov rozvariť aj v mikrovlnnej rúre – v akomkoľvek prípade však
dávajte pozor, pretože zmes veľmi rada kypí, preto by nádoba, v ktorej ju pripravujete
mala mať aspoň 3x väčší objem





Môžete použiť aj iný acidobázický indikátor, napr. brómtymolovú modrú
Namiesto agaru je možné použiť želatínu – v tom prípade postupujte podľa návodu na
obale
Nádobu, v ktorej agar necháte stuhnúť voľte tak, aby bolo možné vyrezať z agaru aj kocku
veľkosti 3x3 cm (napr. v krabičke od masla potrebujete naliať 3cm hrubú vrstvu)
Odfarbovanie kociek je najlepšie pozorovať zhora
Pri realizácii experimentu používajte ochranné pomôcky
Vyhodnotenie:
1. Nakreslite graf, ako sa mení pomer povrchu a objemu pri jednotlivých kockách použitých v
experimente
2. Nakreslite graf, ktorý bude zobrazovať závislosť času potrebného na odfarbenie agarovej
kocky od pomeru jej povrchu k objemu
3. Na základe výsledkov experimentu zhodnoťte ako sa pri zväčšovaní našej hypotetickej
bunky mení pomer povrch/objem a čo z nich vyplýva pre reálne bunky (ktorých veľkosť sa
zvyčajne pohybuje v rozmedzí 1 – 100μm).
Doplňujúce otázky SENIORI
4a. Axóny neurónov vedúcich z bázy miechy do chodidla môžu byť dlhé až jeden meter, no sú
pomerne tenké. Na základe vašich poznatkov o difúzii rozhodnite a vysvetlite, či je pre bunku
väčší problém a) rýchlosť difúzie kyslíka z prostredia (tkanivového moku) do axónu, alebo b)
difúzia iných látok z tela neurónu do axónu. Pomôcka: Na jeden z týchto procesov difúzia
nestačí vôbec a bunka musí použiť aktívny transport.
5. Ako by ste prostredníctvom experimentálneho systému z tejto úlohy modelovali difúziu z
tkanivového moku do axónu?
6. Pomer povrchu a objemu nie je dôležitý len pre výmenu látok medzi bunkou a okolím, ale
napríklad aj pre termoreguláciu živočíchov, keďže straty tepla kožou v nej zohrávajú dôležitú
úlohu.
Pokúste sa preniesť svoje poznatky o vzťahoch medzi veľkosťou, povrchom, objemom a
difúziou na termoreguláciu a vysvetlite prečo sa novorodenci podchladia ľahšie ako dospelí
ľudia.
Korešpondenčný seminár z biológie 2013/2014
1. séria; 8. ročník
Autori:
Jaroslav Ferenc, Alžbeta Harárová, Filip Nemčko, Štefan Moravčík,
Zuzana Varadínová
http://bio.korsem.sk
Vyšlo: 28.11.2013
©2013
Download

1.kolo - Korešpondenčný seminár z biológie