Download pdf - Biology Workbook Sample

Transcript
Page 1: Biology Workbook Sample

Macromolecules THEME 1

WORKSHEETS

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

THREADS

Organisation Selectivity Energy Flow Perpetuation Evolution Human Awareness

The structure of DNA

Chromosomes are made up of genes

DNA and protein synthesis

Structure and function of protein molecules in cells

The importance of polysaccharides and lipids

DNA replication

Enzymes

DNA and protein evidence for evolution

Mutations

Genetic manipulation

Some social consequences of genetic

manipulation

Multiplying and sequencing DNA

Page 2: Biology Workbook Sample

 

KEY IDEAS

Students should know and understand the following:

M1. The chemical unit of genetic information in most organisms is DNA

M2. The structural unit of information in the cell is the chromosome

M3. The functional unit of information on the chromosome is the gene

M4. The flow of information from DNA to protein is unidirectional in most organisms

DNA RNA protein

M5. The three-dimensional structure of a protein is critical to its function

M6. Polysaccharides and lipids are important macromolecules in cells and organisms

M7. Specific base-pairing is the mechanism of DNA replication

M8. Enzymes are specific for their substrate

M9. Molecular recognition is an important property for life processes

M10. Enzymes increase reaction rates by lowering activation energy

M11. Macromolecules are used as energy reserves

M12. DNA carries genetic information from one generation to the next

M13. The universal presence of DNA is strong evidence for the common ancestry of all living things

M14. DNA and protein sequences usually show greater similarity between closely related groups of organisms than between distantly related groups

M15. Change in the base sequence of DNA can lead to the alteration or absence of proteins, and to the appearance of new characteristics in the descendants

M16. Human beings can manipulate DNA

M17. Human beings can sequence even small amounts of DNA

(© SSABSA Stage 2 Biology Curriculum Statement 2006, p22-24 and used with permission. Teachers and students are advised to check the website www.ssabsa.sa.edu.sa for any changes.)

Page 3: Biology Workbook Sample

SACE 2 BIOLOGY Essentials WORKBOOK

© Crierie A. and Greig D. 2008 All rights are reserved, copying is prohibited by law. 

6

T

G

A

G

A T

G

G

G

A

C

C

T

C

C

T

T

TA

A

A

C

T

C

G

A

Worksheet 1 The structure of DNA DNA stands for ‘deoxyribonucleic acid’. This molecule is found primarily in the nucleus of cells. It is a double stranded molecule with the strands wound around each other to form a double helix. The molecule is made up of repeating units called nucleotides. A single nucleotide is made up of three components: a deoxyribose sugar, a phosphate and an organic base. The diagram below is a representation of 2 nucleotides bonded together.  

A T

Phosphate

Deoxyribose sugar

Weak hydrogen bonds between bases

Bases

  There are four organic bases found in DNA: Adenine, Thymine, Guanine and Cytosine. The letters A, T, G and C represent these bases.  A single strand of DNA is a sequence of nucleotides joined together with alternating phosphate and sugar components. The double helix molecule consists of two complementary strands that are joined by hydrogen bonds between the bases. The bases always pair in specific ways:   Adenine always bonds with Thymine   Guanine always bonds with Cytosine  Thymine always bonds with Adenine  Cytosine always bonds with Guanine   The adjacent diagram shows the double helical model for DNA first proposed by two scientists Watson and Crick in 1953.  

  1.  Write a concise statement  to explain each of the following terms:   complementary   ……………………………………………………………………………………………... 

  DNA     ………………………………………………………………………………………..….… 

  macromolecule   ………………………………………………………………………………………..….… 

  monomer     ………………………………………………………………………………………..….… 

  nucleic acid    ………………………………………………………………………………………..….… 

  nucleotide     ………………………………………………………………………………………..….… 

  organic     ………………………………………………………………………………………..….… 

  polymer     ………………………………………………………………………………………..….… 

  base     ………………………………………………………………………………………..….… 

  deoxyribose sugar  ………………………………………………………………………………………..….… 

  phosphate    ………………………………………………………………………………………..….… 

Page 4: Biology Workbook Sample

Worksheet 1 THE STRUCTURE OF DNA

© Crierie A. and Greig D. 2008 All rights are reserved, copying is prohibited by law. 

7

Sugar Phosphate Sugar Phosphate Sugar Phosphate Sugar Phosphate

Base Base Base Base

A T

C

B

A

D

2.  The following sequence of bases was found in a segment of DNA  

A A G G C T T G C   Write the sequence of bases that would be found in the complementary strand.    ……………………………………………………………………………………………………………………….  

3.  Name the four major organic bases found in DNA. 

  ………………………………………………………………………………………..……………………………... 4.  Write down the four possible base pairings in DNA. 

  ………………………………………………………………………………………..…………………………….. 5.  If a sequence of DNA has 30% guanine bases in it what percentage of thymine would there be? 

  ………………………………………………………………………………………..……………………………..  6.  Refer to the diagram below. 

 

   

 

 

  (a) Circle a nucleotide in the representation of a strand of DNA shown above. 

  (b) How many nucleotides are shown in the diagram? ……………………………………………………….  7.  Use the figure to label A B C and D in the diagram below.  

  

  A  ………………………………………………………………………………………………………………… 

  B  ………………………………………………………………………………………..……………………….. 

  C  ………………………………………………………………………………………..……………………….. 

  D  ………………………………………………………………………………………..……………………….. 

Page 5: Biology Workbook Sample

SACE 2 BIOLOGY Essentials WORKBOOK

© Crierie A. and Greig D. 2008 All rights are reserved, copying is prohibited by law. 

8

2 3 7 9 11 12 14 17Familial

Colon CancerRetinitis

PigmentosaCystic Fibrosis

MalignantMelanoma

Sickle CellAnemia

PKU Alzheimer'sDisease

BreastCancer

Worksheet 2 Chromosomes are made up of genes Chromosomes are thread‐like structures made up of DNA and proteins call histones. These structures are found in the nucleus of eukaryotic cells and are visible as the cells start to divide. The chromosome number is constant for each species, e.g. 46 in humans, 48 in a chimpanzee, 40 in a mouse and 38 in cabbage. Chromosomes in non‐dividing cells are single stranded and the DNA is not condensed, that is, the DNA is spread out to make it easier to access genes in transcription, an important process in protein synthesis and replication, where another copy of the DNA is made. When the chromosomes are visible during the Prophase stage of mitosis and/or meiosis they appear double stranded. This doubling has occurred as the DNA has replicated in order that new cells can receive their complement of DNA.   A gene is the unit of heredity. Genes represent sequences of the bases A T G and C on chromosomes and code for protein molecules or parts of protein molecules. Each gene is found on a particular chromosome. Genes prescribe the features of an organism: green eyes, skin colour or the shape of a nose.  In a human with 46 chromosomes it is thought that there are around 40,000 genes, each chromosome containing hundreds or thousands of genes.  A single gene usually contains between 300 to several thousand bases. Each gene has a start and a finish to signal where transcription begins and ends. The diagram below shows schematic representations of some human chromosomes and some of the gene locations that have been identified. 

 

The human genome project. This is a project that was first proposed around 1987. Its aim was to map the entire sequence of genes to chromosomes and sequence the human genome.  The figure above illustrates some of the known gene locations (loci). In Adelaide a group of scientists at the Women and Childrenʹs Hospital is involved in studying chromosome 16. This overall mapping is a major undertaking as there are approximately 3 billion building blocks or nucleotides in the total genome. The first stage was completed in about June 2000.  This photograph shows a typical set of human chromosomes, which was taken from a prepared slide using a light microscope.   The images have been cut out and pasted together to show the homologous pairs.  Until recently this was done with scissors, it is now done with computer software They are generally numbered and arranged from longest to shortest.   The sex chromosomes are bottom right of this photo.  This is the male set of chromosomes or karyotype. A female has two copies of the longer (X) sex chromosome  instead of one long (X) and one short (Y). 

Page 6: Biology Workbook Sample

Worksheet 2 CHROMOSOMES ARE MADE UP OF GENES

© Crierie A. and Greig D. 2008 All rights are reserved, copying is prohibited by law. 

9

  1.  Write a concise statement to explain each of the following terms: .  chromatid     ……………………………………………………………………………………………... 

  chromosome   ……………………………………………………………………………………………... 

  gene     ……………………………………………………………………………………………... 

  genome     ……………………………………………………………………………………………... 

2.  In what organelle are the chromosomes found in eukaryotic cells?     ……………………………………… 3.  Why are the chromosomes not usually visible in non‐dividing cells?   

……………………………………………………………………………………………...………………………

……………………………………………………………………...……………………………………………… 

4.  Explain the differences between DNA, genes, chromosomes.  

……………………………………………………………………………………………...………………………

……………………………………………………………………...……………………………………………… 

5.  What does it mean to say that a gene is linked to a chromosome? 

……………………………………………………………………………………………...………………………

……………………………………………………………………...……………………………………………… 

6.  Explain the significance of different species having different numbers and types of chromosomes? 

……………………………………………………………………………………………...………………………

……………………………………………………………………...……………………………………………….. 

7.  Approximately how many genes are there;    (a) on one human chromosome?   ………………………...………………………………………………. 

  (b) in the human genome?     ………………………...………………………………………………. 

8.  Scientists have known for a considerable period of time that the gene for colourblindness is on the X chromosome. 

  (a) Suggest how it was discovered that this was linked to the X chromosome.  

……………………………………………………………………………………………...………………………

……………………………………………………………………...……………………………………………… 

(b) Genes like this are said to be ‘X‐linked’ and the characteristics are said to be sex‐linked. Explain why this is so.  ……………………………………………………………………………………………...………………………

……………………………………………………………………...……………………………………………… 

 9.  Explain what it means to say that the structural unit of information in an organism is the chromosome.  

……………………………………………………………………………………………...………………………

……………………………………………………………………...………………………………………………

……………………………………………………………………………………………...………………………

……………………………………………………………………...………………………………………………

Page 7: Biology Workbook Sample

SACE 2 BIOLOGY Essentials WORKBOOK

© Crierie A. and Greig D. 2008 All rights are reserved, copying is prohibited by law. 

10

Worksheet 3 DNA and protein synthesis Genes on the DNA code for a specific sequence of amino acids (aa) that comprise a polypeptide. Several poypeptides usually make up a protein. They can also code for the production of an RNA molecule.   Protein synthesis requires two steps: transcription and translation.  Three main nucleic acids are involved.  DNA:    provides the template for the production of the mRNA. mRNA:  transcribed from the DNA and provides a sequence of codons that are able to be 

translated into a sequence of amino acids on the ribosomes. tRNA:  there are more than 20 different types of these, each one capable of carrying only one 

type of amino acid. 

Transcription This process occurs in the nucleus of a cell and is where the DNA template acts as a code to transcribe a gene segment of DNA bases into a working copy of mRNA.  The enzyme involved is called RNA Polymerase. The diagram below shows the process of transcription. 

 

T A

GC

AT

C C

T A

T A

C G

T

C G

T A

T A

C G

T A

A

G

G

A

A

C

C

T

T

G

U

U

C

C

C

U

U

C

C

C

U

U

C

A

C

G

U

GA

CU

RNA polymerase

DNA Template

Growing mRNA strand

Nucleotides used to assemble the mRNA

  

mRNA nucleotides in the nucleus are binding to the exposed DNA bases to form a working copy of the gene that will be able to be translated on the ribosomes to form protein. 

Translation Is a process where the codon sequence on the mRNA is translated into an amino acid language. tRNA molecules carry specific amino acids into position as the anti‐codon of the tRNA links with the codon on the mRNA.   The next diagram shows the process of translation. 

 

Page 8: Biology Workbook Sample

Worksheet 3 DNA AND PROTEIN SYNTHESIS

© Crierie A. and Greig D. 2008 All rights are reserved, copying is prohibited by law. 

11

 In the diagram above, leucine and serine are the first two amino acids that are joined together by peptide bonds to start the polypeptide or protein. 

The steps involved in protein synthesis can be set out as follows. 1. The double helix of the DNA unwinds and unzips at the required gene site exposing the nitrogenous 

bases on the template. 

2. mRNA nucleotide bases (A U G C) attach to the exposed DNA bases with the assistance of the enzyme RNA polymerase.   

3. Once the sequence for the mRNA has been completed, the mRNA is released and moves out of the nucleus into the cytoplasm. 

4. The DNA strands will rejoin and recoil themselves to form the double helix.  

5. The mRNA molecule attaches to the ribosomes in the cytoplasm. 

6. Specific amino acids combine with their appropriate tRNA molecules.   

7. The ribosome moves along the mRNA molecule attaching the appropriate tRNA anti‐codon to the codon on the mRNA.   

8. The amino acids join together to form a polypeptide sequence. 

9. When a stop codon is reached the translation is complete.   

10. The protein breaks away and is ready for use within the cell, or to be packaged and secreted from the cell. 

   1  Write a concise statement to explain each of the following terms:   amino acid     …………………………………………………………………………………………… 

  anti‐codon     …………………………………………………………………………………………… 

  codon     …………………………………………………………………………………………… 

  RNA polymerase   …………………………………………………………………………………………… 

  mRNA     …………………………………………………………………………………………… 

  ribosome     …………………………………………………………………………………………… 

���������

������ ��� �

��������

� ��

� ��

� ��

� ��

������ ��� �

����

������� ���������������� �������������

Page 9: Biology Workbook Sample

SACE 2 BIOLOGY Essentials WORKBOOK

© Crierie A. and Greig D. 2008 All rights are reserved, copying is prohibited by law. 

12

  transcription   …………………………………………………………………………………………… 

  translation     …………………………………………………………………………………………… 

  tRNA     …………………………………………………………………………………………… 

2.  To help you identify differences between DNA, mRNA, and tRNA, complete the following statements by writing the appropriate nucleic acid(s) after each one. 

  a.  is single stranded        …………….. 

  b.  has a double helical structure      …………….. 

  c.  is only found in the cytoplasm      …………….. 

  d.  is found primarily in the nucleus of a cell  …………….. 

  e.  contains the base thymine      …………….. 

  f.  contains the base uracil        …………….. 

  g.  is involved in the process of replication    …………….. 

  h.  carries amino acids to the ribosomes    …………….. 

  i  has triplets of bases called codons    …………….. 

  j  is found in both the nucleus and cytoplasm  …………….. 

  k  has three bases which comprise the anticodon  ……………..  3.  Explain the role of the following in the process of protein synthesis:    DNA   ……………………………………………………………………………………………………….. 

…………………………………………………………………………………………………………………………... 

  mRNA  ……………………………………………………………………………………………………….. 

…………………………………………………………………………………………………………………………... 

  tRNA  ……………………………………………………………………………………………………….. 

…………………………………………………………………………………………………………………………... 

  amino acids ……………………………………………………………………………………………………….. 

…………………………………………………………………………………………………………………………... 

  ribosomes  ……………………………………………………………………………………………………….. 

…………………………………………………………………………………………………………………………... 

  mitochondria………………………………………………………………………………………………………. 

………………………………………………………………………………………………………………………….. 

 4.  Explain the difference between:    a) transcription and translation 

………………………………………………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………………………………………… 

  b) a codon and an anti‐codon ………………………………………………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………………………………………… 

Page 10: Biology Workbook Sample

Worksheet 3 DNA AND PROTEIN SYNTHESIS

© Crierie A. and Greig D. 2008 All rights are reserved, copying is prohibited by law. 

13

5.  Use the diagram below, which shows a summary of the process of protein synthesis,to write the names and roles of the structures labelled: 

 

J

CYTOPLASM

LA UA

U AU

C AU

G UA K

Leucine Serine M

NUCLEUS

A

C

G

U

GA

CU

A

B

C

D

E

F

GH

I

T A

GC

AT

C C

T A

T A

C G

T

C G

T A

T A

C G

T A

A

G

G

A

A

C

C

T

T

G

U

U

C

C

C

U

U

C

C

C

U

U

C

  

A  ………………………………………………………………………………………………………………… 

  B  ………………………………………………………………………………………………………………… 

  C  ………………………………………………………………………………………………………………… 

  D  ………………………………………………………………………………………………………………… 

  E  ………………………………………………………………………………………………………………… 

  F  ………………………………………………………………………………………………………………… 

  G  ………………………………………………………………………………………………………………… 

  H  ………………………………………………………………………………………………………………… 

  I  ………………………………………………………………………………………………………………… 

  J  ………………………………………………………………………………………………………………… 

  K  ………………………………………………………………………………………………………………… 

  L  ………………………………………………………………………………………………………………… 

  M  ………………………………………………………………………………………………………………… 

Page 11: Biology Workbook Sample

SACE 2 BIOLOGY Essentials WORKBOOK

© Crierie A. and Greig D. 2008 All rights are reserved, copying is prohibited by law. 

14

6.  The table below shows which codons carry the information for each amino acid. 

 The table below shows the names of the amino acids together with the abbreviations used in the table above.  ala  =  alanine      gly  =  glycine      pro  =  proline   arg  =  arginine    his  =  histidine    ser  =  serine   asn  =  asparagine    ile  =   isoleucine    thr  =  threonine   asp  =  aspartic acid    leu  =  leucine      trp  =  tryptophan   cys  =  cysteine     lys  =  lysine      tyr  =   tyrosine gln  =  glutamine    met  =  methionine    val  =  valine glu  =  glutamic acid    phe  =  phenylalanine    

 Now, use the table of the genetic code and names of the amino acids given to help you complete the following table.   

DNA base triplets    AGA    ________  ________  ________ 

mRNA codons    ________  CGG    ________  ________ 

tRNA anti‐codons    ________  ________  CUG    ________ 

amino acid coded for  ________  ________  ________  methionine 

 

 

��� ��� ��� � ��� �� ��� ���� ��� ��� � ��� �� ��� ���� ��� ��� � ��� ��� ��� ������ ��� ��� � ��� ��� ��� ��

��� ��� ��� �� ��� �� ��� ����� ��� ��� �� ��� �� ��� ����� ��� ��� �� ��� ��� ��� ����� ��� ��� �� ��� ��� ��� ��

��� ��� ��� �� ��� �� ��� ���� ��� ��� �� ��� �� ��� ���� ��� ��� �� ��� �� ��� ����� ����������� ��� �� ��� �� ��� ��

��� ��� ��� ��� ��� �� ��� ������ ��� ��� ��� ��� �� ��� ������ ��� ��� ��� ��� ��� ��� ������ ��� ��� ��� ��� ��� ��� ���

Page 12: Biology Workbook Sample

Worksheet 4 STRUCTURE AND FUNCTION OF PROTEINS

© Crierie A. and Greig D. 2008 All rights are reserved, copying is prohibited by law. 

15

Polypeptidechain

Polypeptidechain

Heme

ala

gly

leu

val

lys

PRIMARY STRUCTURE

SECONDARYSTRUCTURE

TERTIARY STRUCTURE

QUATERNARYSTRUCTURE

Worksheet 4 Structure and function of protein molecules Protein molecules are large polymers made up of about 20 common building blocks called amino acids linked together. Organisms typically, have thousands of these molecules. Humans are thought to have between 50,000‐100,000 different proteins, each one with a unique three‐dimensional structure that is critical for its particular function. Proteins can be placed into 2 main groups, fibrous or structural proteins, and globular proteins.  

Protein structure can be studied at four levels • Primary structure ‐ the sequence of amino acids linked by peptide bonds. Each protein is characterised 

by its own unique number, type and sequence of amino acids. Typically proteins are made up of hundreds to thousands of amino acids, haemoglobin, a transport protein, is some 400 times bigger in size than a glucose molecule. 

• Secondary structure ‐ the coiling or folding of the polypeptide chain.  • Tertiary structure ‐ the three‐dimensional structure, which is important for binding. • Quaternary structure ‐ applies to those proteins with more than one polypeptide strand. It is the tertiary structure of each specific protein that determines its specific function. If the delicate three‐dimensional shape of a protein is altered, it usually follows that the function of that protein is also inhibited, this is called denaturation. The diagram below gives a diagrammatic representation of the different levels of structure in a molecule of haemoglobin which is a protein found in blood.   

 The structural proteins are more fibrous in nature and tend to have repeating units of amino acid sequences, whereas the globular proteins each have their own unique sequences giving them their particular shape that is so vital for their function. 

Types of proteins. Proteins can be placed into groups depending on their particular roles in the organism. 

Structural Examples include those that make up ligaments and tendons, while others assist in movement, for example muscle proteins. Keratin is an important structural protein found in organisms, it makes up the outer layer of skin, and is the main component of hair, nails, wool, beaks and feathers. Proteins embedded in the cell membrane are vital for the efficient functioning of cells. Some have roles in acting as channel proteins allowing certain molecules to enter or leave cells, but not others. Other proteins act as receptor proteins that can bind to chemicals like hormones, and thus bring about a particular response.  

Defence Specific protein molecules, called antibodies, are released from white blood cells and have a role in the inactivation and destruction of foreign antigen molecules that may invade our tissues. The unique shape of the protein antibody means that the action of each antibody is specific for a particular antigen; one particular antibody can only bind with and inactivate one particular antigen.  

Page 13: Biology Workbook Sample

SACE 2 BIOLOGY Essentials WORKBOOK

© Crierie A. and Greig D. 2008 All rights are reserved, copying is prohibited by law. 

16

Hormone messenger molecule

Lipid bi-layer

Receptor molecule embedded into the bi-lipid layer of cell membrane

Binding leads to activation

Communication Certain molecules, including some hormones, bring about their specific action by binding to other molecules. When the hormone insulin binds to receptor proteins in the cell membrane, the cell membrane increase its permeability to glucose and the cell takes up more glucose to store as glycogen. The diagram below represents the binding of a hormone to a surface receptor.  

Transport Haemoglobin is a protein molecule found inside human red blood cells. It has a specific role in the transport of oxygen molecules to the tissues of the body. The particular shape of the molecule makes it ideal for the reversible binding that occurs with oxygen. 

The control of metabolic reactions. All reactions inside cells need specific enzyme molecules to ensure that they proceed. Enzymes are protein molecules with a specific shape that is critical for the binding of the reactant or substrate molecules. The three dimensional shape of the protein gives rise to an active site on the enzyme where an induced fit binding occurs.  

 1.  Write a concise statement to explain each of the following terms:    antibody    …………………………………………………………………………………………… 

  antigen    …………………………………………………………………………………………… 

  complementary strand   ……………………………………………………………………………………….. 

  denature    …………………………………………………………………………………………… 

  enzyme     …………………………………………………………………………………………… 

  haemoglobin  …………………………………………………………………………………………… 

  hormone    …………………………………………………………………………………………… 

  insulin    …………………………………………………………………………………………… 

  polypeptide    …………………………………………………………………………………………… 

  protein    …………………………………………………………………………………………… 

  surface receptor  ……………………………………………………………………………………………