Тема: молекулярные основы наследственности (i)

Цели занятия:

1) Познакомится с современной теорией строения гена.

2) Изучить строение и свойства наследственного материала (ДНК, РНК).

3) Уяснить механизм кодирования и передачи наследственной информации.

Базисные знания:

1) Из курса биологии средней школы Вы должны иметь общие представления о структуре и функциях нуклеиновых кислот и принципах кодировки наследственной информации.

Учебная карта занятия:

А) Вопросы для подготовки к занятию:

· Эволюция представлений о гене (Йогансон, Кольцов, Бензер, Уотсон, Крик, Дубинин, Серебровский).

· Структурно-функциональные уровни организации наследственного материала. Общие свойства генетического материала.

· Доказательства наследственной роли нуклеиновых кислот (трансформация, трансдукция).

· Химическая организация наследственного материала:

а) структура, свойства и функции ДНК.

б) структура и функции различных видов РНК.

· Значение следующих последовательностей нуклеотидов:

а) уникальных;

б) со средним числом повторов;

в) с большим числом повторов;

г) перемещающиеся генетические элементы.

· Кодовая система ДНК (работы Ниренберга, Очоа и др.). Свойства генетического кода.

Б) Список основной и дополнительной литературы по теме:

Основная литература:

1. Биология: в 2 кн. / Под ред. В.Н. Ярыгина. – 2-е изд., испр. – М.: Высш. шк., 2001-2008. – Кн.1: Жизнь. Гены. Клетка. Онтогенез. Человек.

2. Конспекты лекций.

Дополнительная литература:

1. Биология. / Под ред. В.Н. Ярыгина. – М.: Медицина. – 1984. – С. 26-30, 64-69, 132-134, 145-147.

2. Биология. В 2-х кн. / Под ред. В.Н. Ярыгина. – М.: Высш. шк. – 1997. – Кн.1, – С. 63-84, 92-103, 154-160, 219-220.

3. Биология. / А.А. Слюсарев, С.В. Жукова. – К.: Вища шк. – 1987. – С. 35-39, 40-41, 64-66, 84-87, 91-97, 123-127.

4. Биология с общей генетикой. / А.А. Слюсарев. – М.: Медицина. – 1977. – С. 51-54, 63-65, 138-139, 141-142.

5. Заяц Р.Г., Бутвиловский В.Э., Рачковская И.В., Давыдов В.В. Общая и медицинская генетика. Лекции и задачи. – Ростов н/Д: Феникс, 2002. – С. 38-45, 50, 70-75.

6. Пехов А. П. Биология: медицинская биология, генетика и паразитология/ А.П. Пехов. – М.: ГЭОТАР-Медиа, 2010. – 656 с.

Г) Задания для учебно-исследовательской работы студентов:

Задание 1. Изучение правил решения генетических задач по теме занятия.

Познакомьтесь с примерами решения типовых задач с использованием правила Чаргаффа.

Задача 1.

Исследования показали, что 34% общего числа нуклеотидов мРНК приходится на гуанин, 18% на цитозин. Определите процентный состав азотистых оснований, соответствующий двухцепочечной ДНК.

Решение:

1) Одноцепочечная мРНК по составу цитозиновых и гуаниновых оснований соответствует антисмысловой цепи ДНК. Следовательно, в антисмысловой цепи ДНК (5`-3`) соотношение гуаниновых и цитозиновых нуклеотидов аналогично мРНК: Г=18% и Ц=34%

2) Гуанин и цитозин антисмысловой цепи ДНК образует комплементарные связи с цитозином и гуанином соответственно в смысловой кодогенной цепи, следовательно, Г антисмысловой цепи (18%)=Ц кодогенной цепи (18%); Ц антисмысловой цепи (34%)=Г кодогенной цепи (34%). Таким образом, количество Г+Ц в двухцепочечной ДНК=18%+34%=52%

3) Так как (А+Т)+(Г+Ц)=100%, то А+Т=100%-52%=48%

4) Т.к. по правилу Чаргаффа Г=Ц и А=Т, то в 52% гуанин-цитозиновых пар ½=26% приходится на гуанин и ½=26% на цитозин. Соответственно в 48% аденин-тиминовых пар ½=24% приходится на аденин и ½=24% на тимин.

Ответ: В двухцепочечной молекуле ДНК 26% приходится на гуанин, 26% - на цитозин, 24% - на аденин, 24% - на тимин.

Задание 2: Самостоятельное решение генетических задач.

Решите следующие задачи самостоятельно:

Задача 2.1.

В результате экспериментов установили, что в молекуле мРНК на долю аденинов приходится 30%, на долю урацилов – 12%. Определите процентный состав азотистых оснований, соответствующих двухцепочечной ДНК.

Задача 2.2.

Какова молекулярная масса гена двух цепей ДНК, если в одной цепи запрограммирован белок с молекулярной массой 1500?

Примечание: молекулярная масса одной аминокислоты в среднем – 100, одного нуклеотида – 345.

Задача 2.3.

На фрагменте одной из цепей ДНК нуклеотиды располагаются в последовательности:

5` ТТЦТЦТАЦГТАТ 3`

Нарисуйте схему двухцепочечной молекулы ДНК. Объясните, какими признаками построения ДНК Вы руководствовались? Какова длина этого отрезка ДНК в нм, если каждый нуклеотид занимает 0,34 нм по длине? Сколько содержится нуклеотидов в этой последовательности ДНК?

Задача 2.4.

Участок полипептида представлен следующими аминокислотами:

-сер-вал-глу-мет-тир-ала-вал-

Какое количество нуклеотидов входит в состав гена? Каков нуклеотидный состав кодирующего участка ДНК?

Задача 2.5.

Какую длину имеет участок молекулы ДНК, кодирующий участок полипептида, содержащего 20 аминокислот, если расстояние, занимаемое одним нуклеотидом равно 0,34 нм?

Задача 2.6.

Рибонуклеаза поджелудочной железы содержит в кодирующем участке ДНК 42 нуклеотида. Укажите количество аминокислот, входящих в этот белок?

Задача 2.7.

Молекула инсулина состоит из 51 аминокислотного остатка. Сколько нуклеотидов имеет участок ДНК, кодирующий данный белок?

Задача 2.8.

Одна из полинуклеотидных цепей ДНК состоит из следующих нуклеотидов:

3`АТАЦТЦГГАЦЦТАТАТТТАААЦТГ5`

Сколько урациловых нуклеотидов будет содержать иРНК, синтезированная на данном участке ДНК?

Задача 2.9.

На фрагменте одной нити ДНК нуклеотиды расположены в последовательности:

А–А–Г–Т–Ц–Т–А–Ц–Г–Т–А–Т

Определите процентное содержание всех нуклеотидов в этом фрагменте ДНК и длину гена.

Задача 2.10.

В молекуле ДНК обнаружено 880 гуаниновых нуклеотидов, которые составляют 22% от общего числа нуклеотидов в этой ДНК. Определите сколько других нуклеотидов в этой ДНК и какова длина этого фрагмента?

Г) Вопросы по теме для самостоятельного изучения:

· Генная инженерия. Возможности использования достижений генной инженерии в медицине.

Д) Практические навыки, которыми должен овладеть студент по теме занятия:

1) Решение типовых задач по молекулярной биологии с использованием правила Чаргаффа и свойств генетического кода.

Подпись преподавателя: ______________________________________________________________

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ №6

ТЕМА: МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ОСНОВЫ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ (II)

Цели занятия:

1) Изучить основные события процесса реализации наследственной информации у про- и эукариот.

2) Рассмотреть биологические антимутационные механизмы.

3) Разобрать основные свойства гена как структурно-функциональной единицы наследственной информации.

Базисные знания:

1) Из материалов практического занятия №5 Вы должны знать строение и свойства нуклеиновых кислот, принципы кодирования наследственной информации.

2) Из курса биологии средней школы Вы должны иметь общие представления об основных этапах биосинтеза белка: транскрипции и трансляции.

Учебная карта занятия:

А) Вопросы для подготовки к занятию:

· Последовательность работы гена прокариот: транскрипция, трансляция, посттрансляционные процессы.

· Последовательность работы гена эукариот: транскрипция, процессинг, трансляция, посттрансляционные процессы.

· Ген – функциональная единица наследственности. Взаимосвязь между геном и признаком. Свойства гена.

· Антимутационные свойства генетического материала.

Б) Список основной и дополнительной литературы по теме:

Основная литература:

1. Биология: в 2 кн. / Под ред. В.Н. Ярыгина. – 2-е изд., испр. – М.: Высш. шк., 2001-2008. – Кн.1: Жизнь. Гены. Клетка. Онтогенез. Человек.

2. Конспекты лекций.

Дополнительная литература:

1. Биология. / Под ред. В.Н. Ярыгина. – М.: Медицина. – 1984. – С. 74-81, 93-94, 111-116, 132-134, 145-147.

2. Биология. В 2-х кн. / Под ред. В.Н. Ярыгина. – М.: Высш. шк. – 1997. – Кн.1, – С. 78-84, 103-117, 171-180.

3. Биология. / А.А. Слюсарев, С.В. Жукова. – К.: Вища шк. – 1987. – С. 39-43, 87-97.

4. Биология с общей генетикой. / А.А. Слюсарев. – М.: Медицина. – 1977. – С. 62-66, 139-142.

5. Заяц Р.Г., Бутвиловский В.Э., Рачковская И.В., Давыдов В.В. Общая и медицинская генетика. Лекции и задачи. – Ростов н/Д: Феникс, 2002. – С. 45-47, 50-52, 59-66.

6. Пехов А. П. Биология: медицинская биология, генетика и паразитология/ А.П. Пехов. – М.: ГЭОТАР-Медиа, 2010. – 656 с.

В) Задания для учебно-исследовательской работы студентов:

Задание 1. Изучение правил решения генетических задач по теме занятия.

Познакомьтесь с примерами решения типовых задач с использованием таблицы генетического кода (см. Приложение 1. ТАБЛИЦА ГЕНЕТИЧЕСКОГО КОДА) и определения строения белка по структуре молекулы мРНК или ДНК.

Задача 1.

Нормальный гемоглобин (НbА), содержащийся в эритроцитах человека определяется следующей последовательностью нуклеотидов смысловой цепи ДНК:

3` ЦАА – ГТА – ГАА – ТГА – ГТТ – ЦТТ – ТТТ 5`.

При заболевании серповидно-клеточной анемией (СКА) эритроциты содержат гемоглобин HbS и имеют форму серпа. Точковая мутация связана с заменой одной пары оснований ДНК в 6 триплете. В результате в молекуле гемоглобина глутаминовая кислота в 6-ом положении меняется на валин. Напишите последовательность аминокислот в начальном участке HbA и HbS, и выясните, какие изменения произошли в ДНК.

Решение:

1. Восстановим состав нормальной ДНК, пользуясь принципами комплиментарности и антипараллельности:

5’ГТТ ЦАТ ЦТТ АЦТ ЦАА ГАА ААА3’

3’ЦАА ГТА ГАА ТГА ГТТ ЦТТ ТТТ5’

2. Построим молекулу нормальной иРНК на смысловой цепи ДНК (начинается с 3’ конца), пользуясь принципами комплиментарности и антипараллельности:

5`ГУУЦАУЦУУАЦУЦААГААААА3’

3. Пользуясь таблицей генетического кода, содержащей кодоны иРНК, устанавливаем аминокислотный состав участка нормальной молекулы гемоглобина (HbA):

1 2 3 4 5 6 7

- вал – гис – лей – тре – гли – глу – лиз –

4. Как следует из условия, в молекуле гемоглобина при СКА глутаминовая кислота в шестом положении замещается валином. Следовательно, аминокислотный состав данного участка мутантного гемоглобина (HbS) будет следующим:

1 2 3 4 5 6 7

- вал – гис – лей – тре – гли – вал – лиз –

5. Согласно таблице генетического кода, валин кодируется четырьмя вариантами триплетов – ГУУ; ГУЦ; ГУА и ГУГ. Однако, лишь один из них (ГУА) отличается от триплета, кодирующего глутаминовую кислоту (ГАА), одним основанием. Следовательно, нуклеотидный состав иРНК при СКА выглядит следующим образом:

5’ ГУУ – ЦАУ – ЦУУ – АЦУ – ЦАА – ГУА – ААА 3’

6. Восстанавливаем состав молекулы ДНК при СКА, пользуясь принципами комплиментарности и антипараллельности:

5’ ГТТ ЦАТ ЦТТ АЦТ ЦАА ГТА ААА 3’

3’ ЦАА ГТА ГАА ТГА ГТТ ЦАТ ТТТ 5’

Ответ:

1. Участок молекулы HbA: -вал – гис – лей – тре – гли – глу – лиз –.

2. Участок молекулы HbS: -вал – гис – лей – тре – гли – вал – лиз –.

3. Замена в шестом положении глутаминовой кислоты на валин связана с точковой мутацией в ДНК – замена в семнадцатом положении тимина на аденин.

Задание 2: Самостоятельное решение генетических задач.

Решите следующие задачи самостоятельно(см. Приложение 1. ТАБЛИЦА ГЕНЕТИЧЕСКОГО КОДА):

Задача 2.1.

В синтезе полипептида последовательно приняли участие тРНК с антикодонами: УАЦ, ЦЦА, УЦГ, УГА, ААГ. Составьте схему трансляции. Определите структуру участка ДНК, кодирующего этот полипептид.

Задача 2.2.

Последовательность нуклеотидов на мРНК: