ВсОШ 2024, 9–11 классы, №ХиЖ-1
Рыжий конопатый
Рыжий! Рыжий! Конопатый!
Убил дедушку лопатой —
А он дедушку не бил,
А он дедушку любил.
«Рыжий» Э. Успенский
Меланины (от греч. «mélas» - темный) – группа сложных полимерных пигментов, встречающихся в организмах животных, бактерий и грибов. Меланины определяют цвет кожного покрова, волос, перьев, радужки глаза. Наиболее распространенными являются эумеланин и феомеланин. Первый придает коже темные, от черного до коричневого, оттенки, второй же - красноватые или желтоватые.
Какой из меланинов преобладал в волосах мальчика из отрывка стихотворения в эпиграфе? Какой будет преобладать в черных волосах? А в русых?
Как эумеланин, так и феомеланин, представляют собой полимеры не до конца определенной структуры. Оба типа синтезируются из канонической аминокислоты тирозина при участии ключевого фермента меланогенеза – тирозиназы (TYR). Этот фермент присутствует в двух формах – и TYR(O), причем вторая форма образуется из первой при окислении тирозина молекулярным кислородом, и содержит в себе дополнительный атом кислорода. Синтез обоих типов меланина включает образование вещества , содержащего в своем составе ортобензохиноидный фрагмент. Ниже представлена схема биосинтеза феомеланина.
Определите структурные формулы веществ , если известно, что массовая доля водорода в больше, чем в , на Синтез эумеланина протекает через образование производных индола
Ответ и обоснование приведите в полном решении в конце задачи.
Определите структурные формулы веществ , , .
Меланины способны поглощать ультрафиолетовое излучение. Для исследования этого процесса в живых организмах можно использовать систему регистрации отраженного излучения при облучении участка кожи монохроматическим светом. Поскольку не только меланин поглощает излучение, для оценки его вклада используют сравнительный анализ участков здоровой кожи и витилиго (участок кожи, лишенный меланина). Интенсивность отраженного излучения описывается следующим законом: $$I_R=I_0S(T_1T_2T_3\ldots*T_n)$$ , где – интенсивность отраженного излучения – интенсивность излучения источника – коэффициент рассеяния (для любой кожи можно считать постоянным) , ... - коэффициенты поглощения для каждого светопоглощающего вещества среды. Коэффициент поглощения отдельного вещества численно равен отношению интенсивности излучения, отраженного веществом , к интенсивности исходного излучения Ответ и обоснование приведите в полном решении в конце задачи.
Запишите выражение (формулу) для расчета интенсивности отраженного излучения
а) от здорового участка кожи
б) от витилиго Относительная экстинкция образца может быть выражена из закона Бугера- Ламберта-Бера как:
= ( )
Ответ и обоснование приведите в полном решении в конце задачи.
Запишите формулу для расчета относительной экстинкции меланина. Поглощая УФ-излучение, меланин защищает клетки от повреждения. Оценить уровень защиты можно используя широко известный в косметологии (sun protective factor), рассчитываемые по уравнению Мансура:
– константа, описывающая интенсивность излучения с длиной волны , достаточное для развития эритемы (солнечный ожог). При измерении интенсивности отраженного излучения одного человека получили следующие результаты:
| Длина волны, нм | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| , у.е. | |||||||
| , у.е. | |||||||
Ответ и обоснование приведите в полном решении в конце задачи.
Вычислите меланина.
Избыточное воздействие ультрафиолета на клетки, продуцирующие меланин, является доказанным фактором риска развития злокачественного новообразования – меланомы. Ключевым событием образования меланомы является возникновение специфической мутации в протоонкогене BRAF, при которой происходит замена одного нуклеотида, приводящая к замене валина (Val) на глутаминовую кислоту (Glu). Мутирующий участок цепочки ДНК, с которой происходит синтез мРНК, представлен ниже: Надстрочным индексом указан порядковый номер нуклеотида в гене.
Определите номер замененного нуклеотида в мутантном гене, учитывая, что биосинтез белка на рибосоме происходит со всего представленного участка гена. Ответ объясните.
Справочная информация: Таблица генетического кода
| Первое основание | Второе основание | Третье основание | |||
|---|---|---|---|---|---|
| STOP STOP | STOP | ||||
| (START) | |||||
Номер заменённого нуклеотида. Объяснение приведите в полном решении.
Полное решение задачи.
Введите решение текстом и/или прикрепите фото или PDF.
Ответ
Решение
. В эпиграфе записан известный стишок про «рыжего». Рыжий цвет волос определяется высоким содержанием феомеланина, который и придает волосу красноватый оттенок, и почти полным отсутствием эумеланина. В случае черных волос ситуация обратная – преобладание черного эумеланина и отсутствие феомеланина. Русые волосы же занимают промежуточное положение – в них есть оба меланина, а их соотношение определяет тон от темно-русого до светло-русого.
. Биосинтез начинается с L-тирозина. Его окисление тирозиназой приводит к образованию соединения , причем тирозиназа переходит в состояние TYR(O), захватывая атом кислорода. Исходя из стехиометрических коэффициентов понятно, что реакция представляет собой гидроксилирование. Понять, по какому атому углерода пойдет гидроксилирование, помогает указание на то, что содержит ортохиноидный фрагмент – значит, вещество - L-диоксифенилаланин (ДОФА). Затем происходит реакция еще одного окисления тирозиназой TYR(O). Продукт можно определить из указания на то, что он представляет собой ортохиноид, а значит – допахинон. Дополнительными подтверждениями структуры является информация о том, что в ходе реакции происходит отщепление двух атомов водорода от молекулы . Также известно изменение массовой доли водорода, которое позволяет окончательно убедиться в правильности ответа. Образование конъюгата происходит по пути нуклеофильного присоединения, а направление присоединения цистеина определяется из конечной структуры феомеланина. Вещество образуется в ходе сложной, с точки зрения механизма, реакции, однако его структура также устанавливается ретроспективно.
. Образование вещества является реакцией циклизации допахинона . Анализируя информацию о том, что последующие метаболиты содержат индольные фрагменты, логично предположить, что стадия В→Е это внутримолекулярная циклизация по механизму нуклеофильного присоединения атома азота к ортобензохинону с образованием лейкодопахрома . Реакция образования допахрома аналогична реакции А→В. Далее следуют реакции образования сопряженной системы индола. В одном случае эта реакция не затрагивает карбоксильную группу и ведет к образованию 5,6-дигидроксииндол-2карбоновой кислоты DHICA (вещество , а в другом сопряжена с декарбоксилированием с образованием 5,6-дигидроксииндола (вещество . Далее происходят уже описанные выше окисления до ортохиноидов и Н’, полимеризующихся в эумеланин.
. Для выражения интенсивности отраженного излучения воспользуемся формулой из условия:
а) = , где – коэффициент поглощения других компонентов кожи кроме меланина, а - меланина. Тогда в случае с витилиго (безмеланиновый участок кожи), компонент учитываться не будет:
б) = .
. Поскольку коэффициент поглощения выражается как отношение интенсивности излучения, отраженного веществом , к интенсивности исходного излучения , а относительная экстинкция вещества определяется как натуральный логарифм обратного отношения, то:
= , = ( ) => = ( )
Для того, чтобы выразить относительную экстинкцию меланина, необходимо определить коэффициент . Записав отношение отраженного излучения от участка здоровой кожи и витилиго, получаем:
= = => = ( )
. Для начала вычислим относительную экстинкцию меланина для каждой длины волны от до нм.
| Длина волны, нм | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
Вычислим , используя уравнение Мансура:
= + + +
- + + =
меланина
. Для начала запишем последовательность нуклеотидов в составе мРНК, комплементарной представленному участку ДНК (необходимо помнить, что мРНК антипараллельна цепочке ДНК, с которой происходит считывание, а также то, что все остатки Т заменены на . ДНК: 3'-CACTAAAACCAGATCGATGTCACTTTAGAG-5' мРНК: 5'-GUGAUUUUGGUCUAGCUACAGUGAAAUCUC-3' Из таблицы генетического кода определим возможные кодоны, кодирующие валин и глутаминовую кислоту: Валин: , , , Глутаминовая кислота: , Далее необходимо найти пары кодонов, которые отличаются только нуклеотидом. Таких пар всего две: , , значит исходным кодоном, в котором произошла мутация, является или . Найдем в мРНК все подходящие кодоны. мРНК: 5'-GUGAUUUUGGUCUAGCUACAGUGAAAUCUC-3' Для выбора единственно подходящего кодона разобьем всю последовательность мРНК на соответствующие триплеты и проверим, нет среди них стоп-кодонов. В случае их наличия, считывание цепочки мРНК оборвется, что противоречит условию. Если правильным ответом является первый кодон, то: мРНК: 5'-GUG.AUU.UUG.GUC.UAG.CUA.CAG.UGA.AAU.CUC-3' белок: - Val – Ile – Leu – Val – STOP – Leu – Gln – STOP – Asn – Leu Значит, этот кодон не подходит на роль мутантного. Проверим второй вариант: мРНК: 5'-GU.GAU.UUU.GGU.CUA.GCU.ACA.GUG.AAA.UCU.C-3' белок: - ... - – – – – – – – – - ... - Стоп-кодоны отсутствуют – значит этот кодон является подходящим. Порядковый номер заменяемого урацила – .
Список литературы:
-
Sansinenea, Estibaliz & Ortiz, Aurelio. (2015). Melanin: A Solution for Photoprotection of Bacillus thuringiensis Based Biopesticides. Biotechnology letters. 37. 483. 10.1007/s10529-014-1726-8.
-
Matoba Y, Kihara S, Bando N, Yoshitsu H, Sakaguchi M, Kayama K, Yanagisawa S, Ogura T, Sugiyama M. Catalytic mechanism of the tyrosinase reaction toward the Tyr98 residue in the caddie protein. PLoS Biol. 2018 Dec 31;16(12):e3000077. doi: 10.1371/journal.pbio.3000077.
-
Antony TMP, Krishna AR, Jayalekshmi SK, Chockalingam J, Ramasamy S. Isolation and Elucidation of Bacterial Melanin’s Sun Protection Factor (SPF) for Photoprotection in Cosmetics. J Pure Appl Microbiol. 2023;17(1):449-455. doi: 10.22207/JPAM.17.1.37
-
Kollias N, Baqer A. Spectroscopic characteristics of human melanin in vivo. J Invest Dermatol. 1985 Jul;85(1):38-42. doi: 10.1111/1523-1747.ep12275011.
-
Kollias, Nikiforos & Ali, Baqer. (1988). The role of human melanin in providing photoprotection from solar mid-ultraviolet radiation. Journal of the Society of Cosmetic Chemists. 39. 347-354.