XII Олимпиада по нанотехнологиям (с решениями) - часть 27

 

 

 

 

 

2.

 

Оцените вероятность, что выбранная Вами светящаяся клетка окажется астроцитом, а 
не нейроном. (4 балла) Ответ обоснуйте. 

 
Всего – 8 баллов 
 

 

210

 

 

 

 

 

 

Биология для школьников 7 – 11 класса (очный тур) 
Простые задачи (вариант 4) 

 

Задача 1. Угадай семейство 
 

Однажды  небольшой  огород,  на  котором  росло  несколько  грядок  картофеля,  капусты  и 
помидоров  опрыскали  новым  экспериментальным  средством,  созданным  на  основе 
нанотехнологий. Через некоторое время огород превратился в цветущий луг, на котором все 
культурные  растения  растворились  в  огромной  массе  других  –  «некультурных».  Прополка, 
по-видимому,  перед  внесением  удобрения  не  проводилась.  Удивительно,  но  все  растения 
на  участке  зацвели  в  одно  и  тоже  время.  Вещество  отправили  на  доработку,  а  растения 
передали в соседнюю школу в гербарии.  
 
Определите,  к  каким  семействам  принадлежат  указанные  диаграммы  цветков.  Укажите,  к 
каким  семействам  относятся  картофель,  капуста  и  помидоры.  Ответ  напишите  в  виде 
цифровой  комбинации  (если  отсутствует  ответ  в  виде  цифровой  комбинации,  то  вопрос  не 
будет  проверяться!).  Первая  цифра  соответствует  подвопросу  А,  вторая  –  подвопросу  Б, 
третья  –  подвопросу  В  и  так  далее  по  алфавиту  (если  не  можете  ответить  на  вопрос,  то 
укажите  ноль  или  пробел).  Цифру  можно  взять  из  таблицы  с  названиями  семейств.  За 
каждый правильный ответ на подвопрос вы получаете 1 балл.  
 
А 

 

Б 

 

В 

 

Г 

 

Д 

 

 
Е 

к 

какому 

семейству 

относится картофель? 
Ж 

к 

какому 

семейству 

относится капуста? 
З 

к 

какому 

семейству 

относится помидоры? 
 

 

Таблица 
1 

Злаковые (

Poaceae

) 

6 

Вьюнковые (

Convolvulaceae

) 

2 

Астровые (

Asteraceae

) 

7 

Бобовые (

Fabaceae

) 

3 

Крестоцветные (

Brassicaceae

) 

8 

Розовые (

Rosaceae

) 

4 

Зонтичные (

Apiaceae

) 

9 

Лилейные (

Liliaceae

) 

5 

Пасленовые (

Solanaceae

) 

 

 
Всего – 8 баллов 

211

 

 

 

 

 

Задача 2. Определи пептид 

 
Последовательность  нуклеотидов  из  середины  кодирующего  участка  мРНК  содержит 
информацию  о  некоем  пептиде,  включая  стартовый  и  стоп  кодон.  Используя  таблицу 
кодонов определите закодированный пептид. 
 

AAAUGAUCCACCUACAUUGAAG 

 

Таблица кодонов 

1-е 

основание 

2-е основание 

U 

C 

A 

G 

U 

UUU Фенилаланин 
UUC Фенилаланин 
UUA Лейцин 
UUG Лейцин 

UCU Серин 
UCC Серин 
UCA Серин 
UCG Серин 

UAU Тирозин 
UAC Тирозин 
UAA Стоп-кодон (Ochre) 
UAG Стоп-кодон (Amber) 

UGU Цистеин 
UGC Цистеин 
UGA  Стоп-кодон 
(Opal) 
UGG Триптофан 

C 

CUU Лейцин 
CUC Лейцин 
CUA Лейцин 
CUG Лейцин 

CCU Пролин 
CCC Пролин 
CCA Пролин 
CCG Пролин 

CAU Гистидин 
CAC Гистидин 
CAA Глутамин 
CAG Глутамин 

CGU Аргинин 
CGC Аргинин 
CGA Аргинин 
CGG Аргинин 

A 

AU Изолейцин 
AUC Изолейцин 
AUA Изолейцин 
AUG 

Метионин, 

Стартовый 

ACU Треонин 
ACC Треонин 
ACA Треонин 
ACG Треонин 

AAU Аспарагин 
AAC Аспарагин 
AAA Лизин 
AAG Лизин 

AGU Серин 
AGC Серин 
AGA Аргинин 
AGG Аргинин 

G 

GUU Валин 
GUC Валин 
GUA Валин 
GUG Валин 

GCU Аланин 
GCC Аланин 
GCA Аланин 
GCG Аланин 

GAU Аспарагиновая кислота 
GAC Аспарагиновая кислота 
GAA Глутаминовая кислота 
GAG Глутаминовая кислота 

GGU Глицин 
GGC Глицин 
GGA Глицин 
GGG Глицин 

 
Всего – 8 баллов 
 

Задача 3. Загадочное свечение 

 
Медуза  Aequorea  victoria  способна  излучать  зелёный  свет.  Из  нее  был  выделен  белок 
экворин,  биолюминесценция  которого  инициируется  ионами  кальция.  Выделенный  из 
медузы  и  очищенный  экворин  in  vitro  в  присутствии  ионов  кальция  излучает  свет  с 
максимумом  469  нм,  в  то  время  как живая  медуза  светится  зелёным.  За  зелёное  свечение 
ответственен 

другой 

белок – 

GFP 

(англ. green 

fluorescent 

protein – 

зелёный 

флуоресцирующий белок), излучающий зелёный свет при поглощении излучения экворина. 
Юные  исследователи  поймали  медузу  Aequorea  victoria,  посадили  ее  в  банку  с 
изотоническим  раствором  хлорида  натрия  и  поместили  в  темную  комнату.  Каким  цветом 
будет светиться медуза и почему? 
 
Всего – 8 баллов 
 

 

212

 

 

 

 

 

Задача 4.

 

Энергия для нанороботов 

 
Для  диагностики  состояния  пациента  в  его  организм  были  введены  медицинские 
нанороботы. Часть нанороботов прикрепились к мембранам эритроцитов и проникли в них, 
а  часть  была  фагоцитирована  макрофагами.  Для  того  чтобы  нанороботы  полноценно 
функционировали,  они  должны  получать  энергию  для  своей  работы.  Разработчики 
утверждают,  что  на  работу  нанороботов  тратится  энергия  10%  молекул  АТФ,  получаемых 
клетками  в  процессе  гликолиза  и  аэробного  дыхания.  Подсчитайте,  пожалуйста,  сколько 
молекул АТФ будет потрачено на работу нанороботов в отдельном эритроците и макрофаге, 
если в катаболизм в каждой из клеток вступит 50 молекул глюкозы. 
 
Всего – 8 баллов 
 

Задача 5. Аденоассоциированные вирусы и флуоресцентные белки 

 
Для  исследования  механизмов  работы  мозга  часто  используют  визуализацию  динамики 
внутриклеточной  концентрации  ионов  Ca

2+

  в  различных  клетках  мозга,  в  том  числе  в 

нейронах  и  астроцитах.  Для  визуализации  [Ca

2+

]

i

  в  клетке  используют  флуоресцентную 

микроскопию.  Для  этого  необходимы  молекулы,  интенсивность  флуоресценции  которых 
зависит от концентрации Ca

2+

. Это могут быть небольшие синтетические красители, а могут 

быть  трансгенные  флуоресцентные  белки.  Для  экспрессии  чужеродных  белков  в  заданном 
организме  можно  прибегать  к  помощи  вирусных  конструкций  со  встроенной  в  вирусный 
геном  кодирующей  последовательностью  нужного  белка,  находящейся  под  определенным 
промотором.  В  качестве  носителя  часто  используются  аденоассоциированные  вирусы, 
поскольку они могут инфицировать как делящиеся, так и неделящиеся клетки, и не являются 
патогенными.  По  сравнению  с  низкомолекулярными  красителями,  использование 
генетически  кодируемых  флуоресцентных  кальциевых  репортеров  обладает  рядом 
преимуществ.  
 

1.

 

Как Вы думаете, какими? (4 балла) 

 
К  сожалению,  есть  у  этого  метода  и  ряд  недостатков:  далеко  не  все  клетки  заражаются 
вирусом  и  удерживают  его  ДНК  в  ядре,  при  этом  возможно  заражение  клеток  не  только 
нужно  типа,  но  и  других.  Астроциты  –  одни  из  наиболее  распространенных  клеток  глии.  В 
коре их примерно столько же, сколько и нейронов. Известно, что эти клетки играют важную 
роль  в  работе  синаптических  контактов  между  нейронами  и  регуляции  локального 
кровотока.  Ваша  задача  –  исследовать  кальциевую  активность  в  астроцитах  коры  мозга 
мышей. Для этого Вы используете вирусную конструкцию на основе аденоассоциированного 
вируса AAV2, который преимущественно заражает клетки нервной системы. В геном вируса 
встроена  последовательность  ДНК,  кодирующая  флуоресцентный  белок,  чувствительный  к 
[Ca

2+

]

i

.  Данная  последовательность  находится  под  промотором  gfa2,  ответственного  за 

синтез  глиального  фибриллярного  белка,  который  экспрессируется  в  большинстве 
астроцитов.  Известно,  что  данный  вирус  заражает  нейроны  с  вероятностью  56%  (т. е.  60% 
нейронов  оказываются  зараженными),  а  астроциты  –  с  вероятностью  40%.  При  этом  у  80% 
зараженных  астроцитов  экспрессируется  нужный  флуоресцентный  белок.  Однако  данный 
промотор  не  так  специфичен,  как  хотелось  бы,  и  около  10%  зараженных  нейронов  также 
синтезируют трансгенный белок. Через три недели после инъекции вируса в мозг животных 
Вы проводите эксперимент, и под микроскопом видите светящиеся клетки.  
 

213

 

 

 

 

 

2.

 

Оцените вероятность, что выбранная Вами светящаяся клетка окажется астроцитом, а 
не нейроном. (4 балла) Ответ обоснуйте. 

 
Всего – 8 баллов 
 

 

214

 

 

 

 

 

 

Биология для школьников 7 – 11 класса (очный тур) 
Более сложные задачи   

 

Задача 6. Плазматическая мембрана 

 
Плазматическая  мембрана  –  один  из  важнейших  компонентов  клеток.  Изменение  свойств 
плазматической  мембраны  (состава,  мембранного  потенциала,  поверхностного  заряда, 
появление  изгибов  и  впячиваний  и  т.п.)  существенным  образом  зависит  от 
функционирования  клеток  и,  в  свою  очередь,  влияет  на  клеточные  функции.  Одними  из 
основных  компонентов  мембран  любых  клеток  являются  липиды,  образующие  два 
монослоя,  и  белки,  пронизывающие  всю  мембрану  насквозь,  частично  погруженные  в 
липиды или расположенные на поверхности липидной части мембраны. 
 

1.

 

Перечислите  другие  (неупомянутые)  вещества,  входящие  в  состав  плазматической 
мембраны. Какие вещества могут временно находиться в плазматической мембране? 
(4 балла) 
 

2.

 

Перечислите  основные  функции  плазматической  мембраны.  (по  1  баллу  за 
правильную функцию, но не более 4 баллов) 

 

Известно,  что  условно  все  липиды  мембраны  могут  быть  поделены  по  “форме”.  Так, 
большинство  липидов  имеют  цилиндрическую  форму,  некоторые  липиды  –  форму  конуса, 
стоящего  на  основании  или  на  вершине  (см.  Таблицу).  В  зависимости  от  формы  липиды 
имеют  тенденцию  к  образованию  мицелл,  плоских  или  гексагональных  структур.  Известно, 
что  в  зависимости  от  формы  и  количества  липидов  с  данной  формой,  находящихся  во 
внешнем  или  внутреннем  монослое,  мембрана  может  приобретать  впячивания  или 
углубления.  
 

3.

 

Напишите, липиды с какой формой должны появиться:  
(3.1) во внутреннем слое мембраны, чтобы мембрана приобрела углубление (ямку)? 
(3.2) во внешнем слое мембраны, чтобы она образовала выпячивание?  
Обоснуйте оба случая. 
(3.3) Какие  биологические  процессы/воздействия  могут  привести  к  тому,  что 
изменится форма липида? (6 баллов) 
 

215

 

 

 

 

 

 

 

4.

 

За  счет  чего  еще  плазматическая  мембрана  может  образовывать  выросты  и 
впячивания?  В  каких  клетках  изменение  их  формы  и  образование  различных 
углублений,  выростов,  “ножек”  и  проч.  необходимо  для  реализации  функций? 
(4 балла) 

 

5.

 

В  каком  клеточном  процессе  обязательной  стадией  является  образование  “ямки”  - 
углубления мембраны? Опишите этот процесс и его назначение. (2 балла) 

 
Всего – 20 баллов 
 

Задача 7. Планета Авалон 

 
Планета Авалон была заселена колонистами с Земли. За сто лет население планеты выросло 
до  140000  человек.  Однако  внезапно  на  планете  вспыхнула  эпидемия,  вызванная  местным 
вирусом.  40000  тысяч  человек  были  срочно  изолированы  под  защитный  купол,  среди  них 
было 30000 взрослых и 10000 детей разного возраста. Среди тех, кто не добрался до купола, 
80000  человек  заболели,  а  20000  совсем  от  вируса  не  пострадали.  Все  недобравшиеся  до 
купола  были  взрослыми.  Их  эвакуировали  на  планету  Авалон  2  для  изучения  этого 
феномена.  Когда  медики  провели  тесты,  выяснилось,  что  для  того,  чтобы  вирус  заразил 
человека,  ему  нужно  соединиться  с  рецепторным  белком  fus,  в  норме  находящимся  на 
мембранах  иммунных  клеток.  После  конъюгации  с  этим  белком  вирус  попадал  в  клетки, 
размножался  в  них  и  вызывал  сбой  иммунной  системы,  которая  приводила  к  смерти.  У 
колонистов,  не  пострадавших  от  вируса,  была  врожденная  мутация,  которая  приводила  к 
изменению  структуры  этого  мембранного  белка  на  клетках  иммунной  системы,  и  вирус  не 
мог  в  них  попасть.  При  дальнейшем  изучении  было  обнаружено,  что  все  эти  колонисты 
являются  носителями  только  одного  мутантного  аллеля  гена  fus,  так  как  гомозиготы, 
несущие  оба  аллеля  c  этой  мутацией,  погибали  в  первый  год  после  рождения.  Ген, 
кодирующий  белок  fus,  не  сцеплен  с  полом.  При  изучении  ДНК  колонистов,  находящихся 
под куполом, выяснилось, что соотношение генотипов носителей «спасительной» мутации и 
обычных людей было такое же, как у тех, кто до него не добрался. 

216

 

 

 

 

 

 
Аллель  дикого  типа  обозначьте  как  с,  а  мутантный  аллель  как  С,  потому  что  он  является 
доминантным.  
 

1.

 

Определите  долю  генотипов  у  взрослых  колонистов  под  куполом,  учитывая,  что 
распределение  генотипов  у  людей  под  куполом  было  такое  же,  как  и  у  тех,  кто  до 
него не добрался. Какое количество людей не заболеет? (7 баллов) 
 

2.

 

Опираясь  на  закон  Харди-Вайнберга,  рассчитайте  долю  гомозигот  по  мутантному 
аллелю  среди  новорожденных  в  первом  поколении,  которые  родятся  у  колонистов 
под  куполом.  Закон  Харди-Вайнберга  –  положение  популяционной  генетики, 
гласящее,  что  в  популяции  бесконечно  большого  размера,  в  которой  не  идет  дрейф 
генов,  частоты  генотипов  по  какому-либо  гену  (в  случае,  если  в  популяции  есть  два 
аллеля  этого гена)  будут  поддерживаться  постоянными  из  поколения  в  поколение  и 
соответствовать  уравнению:  p

2 

+  2pq  +  q

2 

=  1,  где  p

2

  –  доля  гомозигот  по  одному  из 

аллелей; p – частота этого аллеля; q

2

– доля гомозигот по альтернативному аллелю; q 

– частота соответствующего аллеля; 2pq – доля гетерозигот. (7 баллов) 

 

3.

 

Приведите  пример  генетического  заболевания,  которое  дает  ее  носителям, 
гетерозиготных  по  мутантному  гену,  преимущество  при  возможном  инфицировании 
патогенами,  а  у  носителей,  гомозиготных  по  этому  гену,  приводит  к  развитию 
тяжелой патологии. (6 баллов) 

 
Всего – 20 баллов 
 

Задача 8. Митохондриальные заболевания 

 
На  заочном  этапе  Вам  были  предложены  задания,  посвященные  митохондриям  и 
митохондриальным  заболеваниям.  На  очном  туре  мы  также  предлагаем  Вам  решить 
задания,  посвященные  этим  вопросам.  Очень  надеемся,  что  Вы  не  забыли  их  основные 
особенности, которые должны были изучить, отвечая на вопросы заочного тура.  
 
Напомним,  что  в  группу  митохондриальных  заболеваний  выделяют  наследственные 
заболевания, связанные с нарушениями в функционировании митохондрий. Это приводит к 
нарушению энергетических функций в различных органах и тканях. 
 

1.

 

У  совершеннолетнего  молодого  человека  наряду  с  уже  имеющимся  хроническим 
заболеванием  было  диагностировано  некоторое  митохондриальное  заболевание. 
Одним из оснований постановки такого диагноза явился высокий уровень молочной 
кислоты  (лактата)  в  крови  (побочного  продукта  образования  АТФ  из  глюкозы)  даже 
после незначительных физических нагрузок. Объясните, как это может быть связано с 
нарушениями работы митохондрий (подробных схем не требуется). (4 балла) 
 

2.

 

Рассчитайте,  какая  вероятность  рождения  у  этого  человека  и  здоровой  женщины 
ребенка  с  таким  митохондриальным  заболеванием  (назовем  его  условно 
заболевание 1), если известно, что в подавляющем большинстве данное заболевание 
развивается в подростковом возрасте, его симптомы четко определены, а у больных 
таким  заболеванием  родителей  могут  с  большой  вероятностью  родиться  полностью 
здоровые дети. (8 баллов) 

 

217