РЕГУЛЯЦИЯ БИОСИНТЕЗА БЕЛКА БАКТЕРИАЛЬНОЙ КЛЕТКИ. ДОКАЗАТЕЛЬСТВА ГЕНЕТИЧЕСКОЙ РОЛИ НУКЛЕИНОВОЙ КИСЛОТЫ. АЛГОРИТМЫ К РЕШЕНИЮ ЗАДАЧ ПО МОЛЕКУЛЯРНОЙ ГЕНЕТИКИ

 

 

МИНИСТЕРСТВО ЗДРАВОХРАНЕНИЯ И СОЦИАЛЬНОГО РАЗВИТИЯ

ГОУ ВПО “ВЛАДИВОСТОКСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНЕВЕРСИТЕТ” РОСЗДРАВА

КАФЕДРА БИОЛОГИИ С КУРСОМ БОТАНИКИ И ЭКОЛОГИИ

 

ЗАКОНОМЕРНОСТИ НАСЛЕДОВАНИЯ НА МОЛЕКУЛЯРНОМ УРОВНЕ

 

МЕТОДИЧЕСКАЯ РАЗРАБОТКА ДЛЯ СТУДЕНТОВ

 

Владивосток 2008 г.

 

Авторы: В.С. Каредина, Л.А. Масленникова, Л.В. Веревкина, Г.Г. Божко, В.Г. Зенкина, О.А. Солодкова

 

Методическая разработка утверждена:

1. На заседании кафедры биологии ВГМУ

2. На заседании методического совета математических и естественнонаучных дисциплин ВГМУ

3. На заседании методического совета фармацевтического факультета ВГМУ

 

Она рекомендована для работы студентов на практических занятиях по биологии медицинского университета всех специальностей.

 

 

Методическая разработка подготовлена на кафедре биологии ВГМУ в соответствии с Программой по биологии для студентов Высших учебных заведений. Москва ГОУ ВУНМЦ, 2001 год.

 

Тема: ЗАКОНОМЕРНОСТИ НАСЛЕДОВАНИЯ НА

МОЛЕКУ­ЛЯРНОМ УРОВНЕ. СТРОЕНИЕ НУКЛЕИНОВЫХ

КИСЛОТ. БИОСИНТЕЗ БЕЛКА. РЕГУЛЯЦИЯ ГЕННОЙ

АК ТИВНОСТИ.

II. Мотиваиионная характеристика. Изучение данной темы необхо­димо для понимания теоретических основ генетики. Основной структурной единицей… III. Учебная цель: Студенты должны знать: 1 Строение нуклеиновых кислот. Хранение и передачу наслед-

ПРОВЕРКА ИСХОДНОГО УРОВНЯ ЗНАНИЙ

Вариант 1.

1. Генетический код это:

а) участок ДНК. б) участок РНК. в) участок т-РНК,

2. Принцип комплементарное подразумевает:

а) установление водородных связей между строго определенными

азотистыми основаниями (А-Т;Г-Ц)

б) 2 полинуклеотидных цепи соединяются так, что 5" конец одной из них соединяется с 3" концом другой и наоборот.

3. Что такое первичная структура белка:

а) цепочка из аминокислот, расположенных в определенном порядке.

б)цепочка из аминокислот, расположенных в любой последовательности.

в) спираль.

г) трубчатая структура.

4. Что входит в состав РНК:

а) нуклеотиды АТГЦ б) нуклеотиды АУГЦ в) сахар дезоксирибоза г) сахар рибоза д) фосфорная кислота

5. Выделите умеренно повторяющийся тип нуклеотидных цепей.

а) 100 копий б) 100000 копий в) 100000-1000000 копий

6. Полипептидная цепь имеет следующий аминокислотный состав:

лейцин-глутамин-треонин-аланин-валин. Определите участок ДНК,

кодирующий эту часть белковой цепи.

7. Какую длину имеет молекула ДНК, кодирующая инсулин быка, если

известно, что молекула инсулина быка состоит из 51 аминокислоты.

Размер нуклеотида равен 3,4 А.

8.Одна из нуклеотидных цепей ДНК имеет последовательность нуклеотидов: АГЦ ГЦЦ ТГА ГГГ ЦЦЦ. Укажите последовательность нуклеотидов в комплиментарной це­пи.

9. Сколько вариантов триплетов входит в состав молекулы ДНК?

а) 16 6)20 в) 50 г) 64

10. Известно, что средний молекулярный вес аминокислот около 110. Определите количество нуклеотидов, определяющих белок с молеку­лярным весом 16500.

Вариант 2

1. Кодон это: а) участок ДНК. б) участок и-РНК. в) участок т-РНК

2. Принцип антипараллельности подразумевает:

а) установление водородных связей между строго определенными

азотистыми основаниями (А-Т;Г-Ц)

б) 2 полинуклеотидных цепи соединяются так, что 5" конец одной из них соединяется с 3" концом другой и наоборот.

3. В структуру нуклеотида входит:

а) белок, б) азотистые основания, в) углевод, г) остаток фосфорной кислоты

4. Что входит в состав ДНК:

а) нуклеотиды АТГЦ б) нуклеотиды АУГЦ в) сахар дезоксирибоза

г) сахар рибоза д) фосфорная кислота

5. Выделите уникальные последовательности нуклеотидов.

а) 100 копий б) 100000 копий в) 100000-1000000 копий

6. Определите последовательность аминокислот в полипептидной цепи кодируемой следующей последовательностью нуклеотидов и-РНК УУУ ГУУ ЦЦЦ ЦГУ ЦАУ

7. Средний молекулярный вес аминокислоты составляет около ПО, а нуклеотида - около 330, прикиньте, что тяжелее:

а) белок б) или его ген

8. Установите число аминокислот в полипептидной цепи, если соответ­ ствующий полипептид определяет участок ДНК, состоящий из 150 нуклеотидов.

9. Одна из полинуклеотидных цепей ДНК имеет последовательность нуклеотидов: АТА ЦАГ ГЦ А ГА Ц ГАГ. Укажите последовательность нуклеотидов в комплиментарной цепи иРНК.

10. Сколько вариантов триплетов входит в состав молекул ДНК?

а) 40 б) 16 в) 64 г) 57

РАБОТА 1. РЕШЕНИЕ СИТУАЦИОННЫХ ЗАДАЧ ПО ТЕМЕ ЗА­НЯТИЯ.

АЛГОРИТМЫ К РЕШЕНИЮ ЗАДАЧ ПО МОЛЕКУЛЯРНОЙ ГЕНЕТИКИ

Правило Э. Чаргаффа - *в молекуле ДНК: а) четыре вида нуклеотидов (А+Т+Ц+Г= 100%); б) пуриновых оснований столько же сколько пиримидиновых (А+Г=Т+Ц); в) адениновых нуклеотидов столько же сколько тиминовых (А=Т), а цитозиновых столько же сколько гуаниновых (Ц=Г); *коэффициент специфичности (отношение суммы адениновых и тиминовых нуклеотидов к суммы гуаниновых и цитозиновых нукл. – величина постоянная для вида (А+Т): (Г+Ц) = const. вида.

Молекула ДНК двухцепочечная, поэтому (длина ДНК) L= n (количество) нуклеотидов x L одного нуклеотида (3,4 Ао) : 2. Один метр содержит 1010Ао.

Исходя из триплетности генетического кода, можно найти количество аминокислот и количество нуклеотидов: n нуклеотидов =n аминокислот x 3

Элементарной единицей наследственности является ген. Один ген кодирует один тип белка, поэтому сколько генов столько типов белков.

Мутации кодона, которые приводят к следующим нуклеотидным последовательностям в иРНК: УАА, УАГ, УГА прерывают синтез молекулы белка на полисоме.

ЗАДАЧА № 1. Вес молекулы ДНК 12x10¹⁸. Найти длину ДНК, сколько белков закодировано в ней, если один полипептид состоит из 200 мономеров. Найти нуклеотидный состав молекулы ДНК, если адениновых нуклеотидов 12%. Вес нуклеотида – 300, длина – 3,4 А^о.

Решение.

2. Длина ДНК= 4 x1016 : 2 x 3,4 Ао = 6,8 x1016 Ао 3. Вес гена = 200 x 3 x 300 =180000 (200 аминокислот - мономеров белков). 4. Найдем количество белков. Так как один ген кодирует один тип белка, то

Решение.

1. В одном метре содержится 10¹⁰ А^о, поэтому 218см = 2,18м = 2,18x10¹⁰А^о.

2. Найдем кол-во пар нуклеотидов: n пар = 2,18x10¹⁰А^о: 3,4 А^о = 0,6x10¹⁰А^о

ЗАДАЧА № 3. Длина гена составляет 0,9x10⁸А^о. Найти, что тяжелее вес гена или вес белка, который кодируется данным геном и во сколько раз? Вес одной аминокислоты 110.

Решение.

2. Вес гена = 0,27x108 x 300 = 81x108(ген – одна цепь ДНК) 3. n аминокислот = n нукл. : 3 = 0,27x108 : 3 = 0,09x108. Вес белка = n… РЕШИТЬ ЗАДАЧИ

РАБОТА 2: ПОСТРОЕНИЕ СХЕМЫ ТРАНСКРИПЦИИ И ТРАН­СЛЯЦИИ У ЭУКАРИОТ.

1. Записать схему транскрипции, отметив участки ДНК и и-РНК: ДНК:  

ИТОГОВЫЙ КОНТРОЛЬ.

1. Виды РНК. 2. Структуры гена: А. промотор

Вариант 2.

1. Свойства кода.

2. Структуры зрелой и-РНК:

А. промотор

В.колпачок

С. лидер

D. стартовый кодон

Е. кодирующая часть

F. трейлер

3. Что означает тер мин процессинг:

A. вырезание неинформативных участков (интронов).

B. созревание и-РНК.

C. синтез белка.

4. Роль лидерной последовательности в и-РНК:

A. последовательность нуклеотидов с метилированными основания­ми, которая обеспечивает узнавание малой субъединицы рибосо-мы.

B. вводная последовательность нуклеотидов, комплиментарная по­следовательности в молекуле р-РНК малой субъединицы рибосо-мы, которая обеспечивает прикрепление и-РНК к малой субъеди­нице.

5. Фазы трансляции.

6. Оперон это:

А. последовательность нуклеотидов, которая узнается белком регу­лятором.

В. участок ДНК между промотором и структурными генами. С. тесно связанная последовательность структурных генов, опреде­ляющих синтез группы ферментов для какой-то одной цепи био­химических реакций и регулирующаяся как единое целое.

7. Что означает "репарация ДНК".

 

ПРИЛОЖЕНИЕ 1.

СТРОЕНИЕ И РАБОТА ГЕНА. СОЗРЕВАНИЕ ИНФОРМАЦИОННОЙ РНК

Изучение химической структуры ДНК и ее генетических функций позволило рассматривать гены как участки нуклеиновой кислоты. Сле­довательно, ген -… В 70-е годы было выяснено, что у эукариот ген имеет мозаичное строение. Он… Этапы реализации наследственной информации у эукариот:

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. ДОКАЗАТЕЛЬСТВА ГЕНЕТИЧЕСКОЙ РОЛИ НУКЛЕИНОВОЙ КИСЛОТЫ

История изучения нуклеиновых кислот начинается с 1869 г., когда швейцарский химик Ф.Мишер обнаружил в клеточном ядре осо­бые вещества, обладающие свойствами кислот. Он дал им название нуклеиновых кислот (от лат. пис1еиз — ядро). В опытах английского бактериолога Ф.Гриффитса (1928) была продемонстрирована способность пневмококков к трансформации, было выдвинуто предположение о том, что «транс­формирующий агент», отождествляемый с «веществом наследствен­ности», находится в ядре. Суть эксперимента Гриффитса заключа­лась в следующем. При введении мышам непатогенных штаммов пневмококков (рис. 1.) животные не заболевали (Б). При введе­нии патогенных штаммов мыши гибли (А), однако при введении патогенных микробов, убитых нагреванием, мыши оставались здо­ровыми (В). Гриффитс показал, что при одновременном введении живых непатогенных и убитых патогенных микробов мыши погибали (Г). Гриффитс заключил, что живые микробы непатогенного штамма в присутствии клеток штамма патогенного приобретают наследственно закрепленные свойства патогенности (трансформируются). В последующем было доказано, что трансформация происходит не только в живом организме, но и in vitro, т.е. в пробирке. Следующее замечательное открытие принадлежит О. Эвери, К.МакЛеод и М.МакКарти, которые в 1944 г. точно определили химическую природу «трансформирующего агента» и идентифицировали его как дезоксирибонуклеиновую кислоту. Чистая ДНК, выделенная из клеток патогенного штамма, при добавлении в кулътуру непатогенных клеток

Рис. 1. Схема эксперимента Ф. Гриффитса.

трансформировала последние, придавая им свойства патогенности. Это новое свойство передавалось при дальнейшем размножении. При обработке трансформирующе­го агента специфическими веществами, разрушающими ДНК, трансформация не осуществлялась. Таким образом, было получе­но прямое доказательство генетической роли ДНК. Еще одним шагом в доказательстве генетической роли нуклеиновой кислоты является открытие правила эквивалентности,согласно которому в ДНК, выделенных из организмов различных видов, соотношение пуриновых и пиримидиновых оснований всегда одно и то же и составляет 1:1. Второе доказательство роли ДНК в передаче наследственной информации получили Н. Зиндер и Дж. Ледерберг. В 1952 г. они описали явление трансдукции. Они взяли U-образную трубку, между коленами которой находился антибактериальный фильтр. В одно колено поместили бактерии, способные синтезировать триптофан лизогенным бактериофагом, а в другое – триптофан не синтезирующий штамм. Через некоторое время в первом колене погибли все бактерии, а во втором штамм неспособный к синтезу триптофана получил эту способность. То есть произошла трасдукция – способность бактериофагов переносить фрагменты ДНК от одного штамма бактерий к другому и передавать соответствующие свойства. К началу 50-х гг. было получено множество данных (на различ­ных объектах), свидетельствующих об универсальности ДНК как носителя генетической информации. Вирусы, как было сказано ранее, имеют относительно простое строение: они состоят из бел­ковой оболочки, содержащей атомы серы, и заключенной внутри нее молекулы нуклеиновой кислоты, содержащей атомы фосфора. В 1952 г. А. Херши и М. Чейз проводили эксперименты с бактерио­фагом Т2 — особым видом вируса, убивающим зараженную бакте­риальную клетку (отсюда и название «бактериофаг», т.е. пожира­тель бактерии). Бактериофаг, проникая в кишечную палочку, быстро в ней размножается. Экспериментаторы размножали бактериофаги в клетках Е. coli, которые росли на двух различных средах: на среде, содержащей радиоактивный изо­топ серы (³⁵S), и на среде, содержащей радиоактивный изотоп фосфора (³²Р). Фаги, которые размножились на клетках, выросших на среде с радиоактивным изотопом серы, включали ³⁵S только в свои белковые оболочки. Фаги, размножившиеся на клетках, ко­торые выросли на среде с радиоактивным фосфором, содержали ДНК, меченную ³²Р. Затем полученными бактериофагами заража­ли клетки Е. соli, выращенные на обычной среде. Через короткое время эти клетки интенсивно встряхивали, чтобы отделить бакте­риофаги от стенок Е. coli. Затем делали анализ бактерии на наличие радиоактивности. Оказалось, что бактерии, зараженные фагами, выросшими на ³⁵S, не содержали радиоактивной метки, в то вре­мя как бактерии, зараженные фагами, размножившимися на ³²Р, были радиоактивными. Полученные результаты позволили авторам сделать два принципиальных вывода: 1) в бактериальную клетку проникает только фаговая ДНК, которая, размножаясь в клетке Е. соli, дает начало многочисленному потомству; 2) наследствен­ным материалом является ДНК, которая определяет не только струк­туру и свойства ДНК потомства, но и свойства фаговых белков. В 1953 г. Дж.Уотсон и Ф. Крик на основании результатов рентгеноструктурного анализа и биохимических данных предложили про­странственную модель структуры ДНК, объясняющую все ее свой­ства. Согласно предложенной модели молекула ДНК состоит из двух комплементарных (соответствующих) нитей. М. Мезельсон и Ф. Сталь доказали полуконсервативный механизм репликации (удвоения) ДНК. Выяснение структуры и функции нуклеиновых кислот позво­лило понять, каким образом живые организмы воспроизводят себя и как осуществляются кодирование генетической информации, ее хранение и реализация, необходимые для протекания всех жизненных процессов. К настоящему времени существенным образом обогащены знания о структуре и функции ДНК, значительно расширены возможности для исследований. Было обнаружено, что ДНК может как повреждаться, так и восстанавливаться, что молекулы ДНК мо­гут обмениваться друг с другом частями, закручиваться и раскру­чиваться. Было показано, что ДНК служит матрицей для синтеза РНК, а также сама способна синтезироваться в процессе обратной транскрипции с РНК. ДНК функционирует не только в ядре, но и в митохондриях. В настоящее время исследователи способны опре­делять последовательность нуклеиновых оснований в ДНК и осу­ществлять ее синтез.

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. РЕГУЛЯЦИЯ БИОСИНТЕЗА БЕЛКА БАКТЕРИАЛЬНОЙ КЛЕТКИ

Жакоб и Моно, изучая влияние мутаций на проявление трех бактериальных генов, контролирующих синтез трех ферментов, необходимых для расщепления сахара лактозы, доказали существование двух различных генетических систем. Одна система состоит из структурных генов, каждая из которых определяет структуру фермента или другого белка (три структурных гена лактозной области кодируют последовательность аминокислот в трех ферментах – бета-галоктозидазе, пермеазе, ацетилазе). Другую генетическую систему образуют гены регуляторы( например ген репрессора), ответственные за включение и выключение структурных генов, так что соответствую-щие белки синтезируются или не синтезируются. На первом рисунке показана система регуляции биосинтеза по типу индукции. Отсутствие в клетке лактозы приводит к тому, что белок репрессор соединяется с оператором оперона и синтез ферментов для расщеп-ления лактозы не идет (рис. А). При появлении лактозы белок репрессор соединяется с ней и оператор открыт для синтеза информации о нужных ферментах (рис.Б).

 

 

Регуляция по типу репрессии. Этот механизм отличается от индукции только одной деталь: белок репрессор неактивен, поэтому он соединяется с продуктом, который должен достичь критической концентрации. В этом случае, активизируется комплекс: продукт + белок репрессор соединяется с оператором и закрывает ферменты, которые отвечают за синтез самого продукта.