Глава II: Нуклеиновые кислоты

Медицинская генетика

Учебное пособие

Самара 2007

Т.В. Шубина

Медицинская генетика: Учебное пособие

Самара, 2007

Кратко освещены молекулярные основы наследственности и изменчивости. Рассмотрены медицинские аспекты реализации генотипа как целостной системы взаимодействующих генов, кариотип человека. Описаны основные положения хромосомной теории наследственности, вопросы наследования пола. Представлены классические и современные методы изучения генетики человека и основные меры профилактики наследственных заболеваний. На каждой представленный раздел генетики предложены задачи с алгоритмами их решения.

Данное учебное пособие предназначено для студентов лечебного и стоматологического факультетов медицинского ВУЗа.

Рецензенты:

Сказкина О.Я. – доцент кафедры медицинской биологии, генетики и экологии СамГМУ, кандидат медицинских наук.

Тумаков С.А. – доцент кафедры медико-биологических дисциплин медицинского института «РЕАВИЗ», кандидат медицинских наук

ОГЛАВЛЕНИЕ:

Введение……………………………………………………………………………..…5

Глава I: Краткая история медицинской генетики………………………….........6

Глава II: Нуклеиновые кислоты

Генетический код. Программирование синтеза белка в клетке………………10

2.1: Открытие нуклеиновых кислот. Доказательства роли ДНК…………10

2.2: Строение нуклеиновых кислот…………………………………………….11

Этапы реализации генетической информации

Транскрипция. Процессинг………………………………………………………13

2.4: Генетический код. Свойства кода………………………………………...15

2.5: Трансляция. Биосинтез белка………………………………………….......15

2.6: Репарационные процессы ДНК…………………………………………….17

2.7: Задачи по молекулярной генетике……………………………………….......19

2.8: Алгоритмы решения типовых задач……………………………………......23

Глава III: Цитологические основы наследственности.

Метафазные хромосомы. Кариотип человека……………………………….......29

3.1: Наследственное вещество клетки……………………………………......29

3.2: Правила хромосом. Кариотип человека…………………………………..29

3.3: Гетеро-, эухроматин и половой хроматин………………………………31

Глава IV: Закономерности наследования признаков

при моно-, ди- и полигибридном скрещивании…………………………………34

4.1: Основные понятия и термины современной генетики.

Влияние генотипической среды и факторов внешней

среды на проявление признаков……………………………………………34

4.2: Плейотропное (множественное) действие генов………………………37

Закономерности наследования

при моногибридном скрещивании…………………………………………38

4.4: Закономерности при ди- и полигибридном скрещивании………………39

4.5: Задачи по теме: «Закономерности наследования»……………………......40

4.6: Алгоритмы решения типовых задач……………………………………......45ерности наследования и полигибридном скрещивании.

вании.

ние признаков.

нии.

Глава V: Особенности наследования признаков при отклонении

от закономерностей Менделя……………...……...………………………………..49

5.1: Множественный аллелизм…………………………………………………49

5.2: Промежуточное наследование…………………………………………….49

5.3: Эпистатическое взаимодействие генов………………………………….50

5.4: Комплементарное взаимодействие генов…………………………….......52

5.5: Полимерное взаимодействие генов……………………………………......53

5.6: Сцепленное наследование……………………………………………….......55

5.7: Нарушение полного сцепления……………………………………………..55

5.8: Задачи по теме: «Особенности наследования признаков

при отклонении от закономерностей наследования»……………….......59

5.9: Алгоритмы решения типовых задач……………………………………......60

Глава VI: Генетические, биологические и

социальные аспекты пола…………………………………………………………..78

6.1: Генетика и биология пола………………………………………………….78

6.2: Половые генетические аномалии………………………………………….82

6.3: Соматические половые аномалии…………………………………………85

6.4: Задачи по теме: «Генетика пола»………………………………………..…87

6.5: Алгоритмы решения типовых задач……………………………………......91

Глава VII: Медицинские аспекты изменчивости……………………………….95

7.1: Модификационная изменчивость…………………………………………95

7.2: Комбинативная изменчивость…………………………………………….96

7.3: Мутационная изменчивость. Классификация мутаций………………96
Глава VIII: Генетика человека…………………………………………………...100

8.1: Методы изучения генетики человека……………………………………100

8.2: Графическое изображение родословных………………………………...104

8.3: Типы наследования. Критерии наследования…………………………..108

8.4: Задачи по теме: «Генетика человека»………………………………...…..112

8.5: Алгоритмы решения типовых задач……………………………………....118

Глава IX: Наследственные болезни человека………………………………..…121

9.1: Классификация наследственных болезней………………………..…….121

9.2: Врожденные заболевания…………………………………….…………...121

9.3: Хромосомные болезни…………………………………………………..….122

9.4: Синдромы с числовыми аномалиями половых хромосом……………...123

9.5: Синдромы с числовыми аномалиями аутосом……………………….....126

9.6: Генные болезни………………………………………………………….….129

Заболевания, связанные с расстройством

аминокислотного обмена…………………………...................................130

9.6.2: Заболевания, связанные с нарушением обмена углеводов…………....131

Наследственные заболевания, связанные с

нарушением липидного обмена……………………………………….....133

Наследственные заболевания, связанные с

нарушением обмена стероидов………………………………………....135

Наследственные нарушения биосинтеза

тиреоидных гормонов……………………………………………………136

9.6.6: Наследственные болезни соединительной ткани…………………...137

9.6.7: Наследственные нарушения обмена в эритроцитах………………..139

9.6.8: Наследственные синдромы нарушенного всасывания…………….....140

Биологические и социальные аспекты генетической

экспертизы…………………………………………………………………….. 152

Введение

Генетика — это наука о наследственности и изменчивости организмов. Она раскрывает сущность того, каким образом каждая живая форма воспроизводит себя в следующем по­колении и как в этих условиях возникают наследственные изменения, которые передаются потомкам. Известно, что из оплодотворенной яйцеклетки развивается только особь дан­ного вида. Это показывает, что наследственность на клеточ­ном уровне представлена генетической программой, которая детерминирует развитие особи.

Медицинская генетика изучает закономерности наслед­ственности и изменчивости с точки зрения патологии. Она выявляет причины возникновения наследственных болезней, разрабатывает меры по профилактике действия мутагенных факторов на организм человека. При их действии на половые клетки здоровых людей происходят нарушения структуры генотипа (мутации), проявляющиеся у потомства наследствен­ными болезнями.

Задачами медицинской генетики являются изучение ха­рактера наследственных болезней на молекулярном, клеточ­ном уровнях и уровне целостного организма, а также даль­нейшая разработка и усовершенствование методов генной инженерии с целью получения лекарственных веществ (ин­сулин, интерферон и др.) и генотерапии (замещение патоло­гических генов их нормальными аллелями), интенсивное раз­витие методов пренатальной (дородовой) диагностики, поз­воляющих предотвратить рождение ребенка с тяжелой нас­ледственной патологией.

Особый раздел медицинской генетики — клиническая ге­нетика, исследующая вопросы патогенеза, клиники, диагно­стики, профилактики и лечения наследственных болезней.

В последние годы на фоне общего снижения заболевае­мости и смертности увеличился удельный вес врожденных и наследственных болезней. В связи с этим роль генетики в практической медицине значительно возросла. Без знания медицинской генетики нельзя эффективно проводить диагнос­тику, лечение и профилактику наследственных и врожденных заболеваний.

Г л а в а I

Глава II

Открытие нуклеиновых кислот. Доказательства роли ДНК.

В 1869г. швейцарский биохимик Ф. Мишер впервые описал вещество, содержащееся в ядрах клеток, и назвал его нуклеином, а позже оно было переименовано в нуклеиновые кислоты (от лат. nucleus - ядро). К ним относятся дезоксирибонуклеиновая кислота — ДНК (в ее состав входит сахар дезоксирибоза) и рибонуклеиновая кислота — РНК (входит сахар рибоза).

В 1928г. бактериолог Ф. Гриффитс изучал бескапсульные невирулентные пневмококки (не вызывающие заболевания) и вирулентные в полисахаридной капсуле (вызывающие воспаление легких) для получения вакцины против пневмококка. Он показал, что при инъекции мышам живых бескапсульных пневмококков мыши выживали, а при введении живых капсульных — по­гибали. При введении смеси убитых при нагревании капсульных и живых

Рис.1 Схема опыта, демонстрирующего явление трансформации

бескапсульных пневмококков мыши погибали, из них удалось выделить живых капсульных пневмококков. Таким образом, способность образовывать капсулу перешла от убитого капсульного пневмококка к живому бескапсульному (рис.1).

В 1944г. О. Эвери с сотрудниками выяснили природу этого загадочного явления. Фактором, превращающим непатогенные (бескапсульные) в пато­генные (капсульные) пневмококки, является ДНК, а само явление назвали трансформацией (от лат. transformatio — преобразование, превращение). Сле­довательно, трансформация — это преобразование признака у одного штамма бактерии в результате проникновения в нее ДНК другого штамма. Явление трансформации стало одним из основных доказательств того, что ДНК яв­ляется носителем генетической (наследственной) информации.

Позже, в 1952г. Дж. Ледербергом и Н. Циндером была выявлена передача генетического материала от од­ного штамма бактерий другому с по­мощью бактериофага, это было наз­вано трансдукцией (от лат. transductio -перемещение, передача) (рис.2). U-образная трубка в нижней части разде­лена бактериальным фильтром. В одну половину были помещены штаммы сальмонеллы (S. typhi murium), нe синтезирующие аминокислоту триптофан (Т-), а в другую — сальмонеллы, синтезирующие триптофан (Т+) и бактериофаги. После инкубации среди сальмонелл, не синтезирующих триптофан, были выделены бактерии Т+. Это объясняется тем, что бактериофаги проходили через бактериальный фильтр и переносили части ДНК от бактерии Т+ к бактериям Т-.

Рис. 2. Схема опыта, демонстрирующего яв­ление трансдукции:

1 — бактериальные клетки; 2 — ген Т+;3- i — бактериофаг; 4 — фильтр

2.2.Строение нуклеиновых кислот.

Исследование структуры молекулы ДНК проводилось многими учеными. И только в 1953г., используя все накопленные биологические и физико-химические знания, Д. Уотсон и Ф. Крик открыли двухцепочечную спиральную (пространственную) структуру молекулы ДНК.

Каждая цепь — это полимер, мономерами которого являются нуклеотиды. Каждый нуклеотид состоит из сахара дезоксирибозы, остатка фосфорной кислоты и одного из четырех азотистых оснований (аденин, гуанин, тимин, цитозин). Две цепи ДНК соединяются слабыми водородными связями между азотистыми основаниями по принципу комплементарности: аденин дополняется тимином, гуанин — цитозином (рис. 3).

Рис.3 Схема строения ДНК

Перед делением клетки ДНК способна удваиваться (реплицироваться) Сначала с помощью фермента ДНК-полимеразы разрываются слабые водородные связи между двумя цепями ДНК, а затем к каждой уже отдельной цепочке достраиваются по принципу комплементарности нуклеотиды (А—Т; Г—Ц), образуются уже две двухцепочечные молекулы ДНК. Репликация ДНК обеспечивает высочайшую точность воспроизведения генетической ин формации в поколениях клеток и организмов в целом.

Кроме ДНК, в клетке имеются РНК.

Молекула РНК — полимер, ее мономерами являются нуклеотиды. В отличие от ДНК рибонуклеиновая кислота — это:

· одноцепочечная молекула;

· вместо сахара дезоксирибозы в РНК входит сахар рибоза;

· в состав нуклеотидов входит азотистое основание не тимин, а урацил

· состоит из меньшего количества нуклеотидов, чем ДНК.

В зависимости от выполняемых функций выделяют несколько видов РНК; и-РНК (информационная), или м-РНК (матричная), — переносит информацию о структуре белка от ДНК к рибосомам. На долю и-РНК приходите примерно 0,5—1,0 % от общего содержания РНК клетки; т-РНК (транспортная) — переносит аминокислоты в рибосомы. Из общего количества РНК клетки на долю т-РНК приходится около 10 %; р-РНК (рибосомальная) — составляет существенную часть структуры рибосомы. На долю р-РНК приходится около 90 % от общего количества РНК клетки.

ДНК выполняет разнообразные функции:

1) хранит генетическую (наследственную) информацию, записанную в виде последовательности нуклеотидов;

2) передает наследственную информацию из ядра в цитоплазму. Для этого с гена снимается копия в виде и-РНК и переносится к рибосомам — месту синтеза белка;

3) передает наследственную информацию от материнской клетки к дочерним клеткам, для чего перед делением клетки ДНК реплицируется.

Далее рассмотрим подробнее каждое из трех указанных положений.

ДНК — носитель генетической информации. Впервые понятие ген было сформулировано в 1941г. Д. Бидлом и Э. Татумом: ген - это участок молекулы ДНК, несущий информацию об одном белке-ферменте. В настоящее время геном называют участок молекулы ДНК, кодирующий первичную структуру полипептида, и понятие о гене расширилось. Известны гены, кодирующие:

а) белки-ферменты;

б) структурные белки;

в) т-РНК (много копий);

г) р-РНК (много копий);

д) регуляторные (или функциональные) — включают и выключают другие гены;

е) гены-модуляторы - усиливают или подавляют проявление других генов.

Рис.4. Схема биосинтеза белка

Одномоментно в рибосоме помещается 2 триплета: один — в пептидильном, другой — в аминоацильном (аминокислотном) участке рибосомы. К аминоацильному участку во время синтеза белка подтягиваются аминокислоты, а в пептидильном находится пептид (полипептид).

В цитоплазме клетки всегда имеется не менее 20 различных аминокислот и соответствующих им т-РНК. С помощью специфических ферментов аминокислоты распознаются, активируются и присоединяются к т-РНК, которая пе­реносит их к месту синтеза белка в рибосому. В рибосоме в и-РНК находится кодон, а у т-РНК есть антикодон.

Если в рибосоме на и-РНК будет триплет АУГ, то к нему подойдет т-РНК с комплементарным антикодоном УАЦ; если ГГГ - то т-РНК с антикодоном ЦЦЦ. После этого между аминокислотой, находящейся в пептидильном участке, и аминокислотой, находящейся в аминоацильном участке, происходит образование пептидной связи. Данная реакция осуществляется на большой субъединице рибосомы. Затем т-РНК, находящаяся в пептидильном участке, вытесняется из него и «уходит» в цитоплазму за другой ами­нокислотой, а рибосома передвигается на следующий триплет (ААА), который будет в аминоацильном участке рибосомы, триплет же ГГГ окажется в пептидильном участке. Так происходит считывание информации. Когда рибосома окажется на терминирующем триплете, синтез белка заканчивается.

Наращивание аминокислот в белковой молекуле в процессе синтеза белка называется элонгацией (удлинением). Синтез одной молекулы белка длится всего 3—4 с. Каждый этап синтеза катализируется соответствующими ферментами и снабжается энергией за счет расщепления АТФ.

После окончания синтеза белка и образования первичной структуры фор­мируется вторичная, третичная, а иногда и четвертичная структура белка и онстановится способным выполнять свои функции.

Сходство и различие организмов определяется набором белков. Каждый вид имеет только ему присущий набор белков, то есть они являются основой видовой специфичности, а также обусловливают индивидуальную специфичность организмов. На Земле нет двух людей, у которых все белки были одинаковыми (за исключением монозиготных близнецов). ДНК каждой клетки несет в себе информацию не только о структурных белках, определяющих форму клетки, но и всех белках-ферментах, белках-гормонах и др. Практически все признаки клеток и организма в целом определяются белками. Таким образом, в ДНК заключена вся информация о структуре и деятельности клеток, обо всех признаках каждой клетки и организма в целом.

Репарационные процессы ДНК.

Репарация (от лат. reparatio — восстановление) — это восстановление поврежденной структуры молекулы ДНК. Она осуществляется специфическими ферментами клетки и имеет несколько разновидностей.

Фоторепарация.Под действием ультрафиолетового облучения между двумя пиримидиновыми основаниями одной нити ДНК (чаще Т—Т) образуются химические связи (возникают димеры), препятствующие считывании информации (рис. 5). Эти дополнительные связи расщепляет фермент (дезоксипиримидинфотолиаза), активируемый видимым светом. Этот процесс называется фоторепарацией.

Рис. 5 Образование тиминового димера в результате воз­никновения ковалентных связей между смежными основа­ниями

Темновая, или эксцизионная (вырезающая) репарация.Она происходит последовательно: а) фермент (эндонуклеаза) «узнает» поврежденный участок нити ДНК; б) фермент (экзонуклеаза) «вырезает» поврежденный участок; в) с помощью фермента (ДНК-полимеразы) синтезируется фрагмент ДНК по принципу комплементарности по принципу комплементарное™; г) фермент (лигаза) «сшивает» концы вновь синтезированного участка с основной нитью ДНК.

По времени осуществления репарации различают дорепликативную, пострепликативную и репликативную (рис. 6).

Дорепликативная репарация. Представляет собой восстановление поврежденной нити ДНК до ее удвоения. В простейших случаях разрывы могут быть воссоединены лигазой. В других случаях используется полная фермен­тативная система репарации (приведена выше).

Пострепликативная репарация. Ее механизм точно не изучен, предполагают различные варианты синтеза ДНК на поврежденной матрице. При пострепликативной репарации происходит лишь вырезание поврежденного участка и сшивание концов, изменяя, таким образом, ген. При этом клетка может сохранять жизнеспособность и передавать дефектную ДНК дочерним клеткам.

Репликативнаярепарация. Представляет собой восстановление ДНК в процессе репликации. Этот тип репарации осуществляется удалением поврежденного участка в ходе репликации в зоне роста цепи либо элонгацией Цепи в обход повреждения. Как и при пострепликативной репарации, по­следовательность нуклеотидов в данном участке изменяется.

Существуют мутации, которые нарушают восстановление поврежденных Участков молекулы ДНК (нарушают репарацию). Примерами таких мутаций являются пигментная ксеродерма, анемия Фанкони, атаксия-телеангиэктазия. При пигментной ксеродерме в клетках больных отсутствует фермент дезоксипиримидинфотолиаза, необходимый для репарации ДНК, поврежденной Ультрафиолетовыми лучами. Под действием солнечного света появляются веснушки, расширение капилляров, ороговение эпидермиса, поражение глаз, развитие раковых опухолей кожи, которые приводят к преждевременной смерти.

Если мутация произошла в половой клетке и не была устранена в результате репарации, то она будет передана потомкам.

Рис. 6 Схема репарации участка ДНК

Мутации, которые определяют появление менее приспособленных особей, но сохраняются в популяции, называются генетическим грузом. Источниками генетического груза служат мутационные и сегрегационные (отпозднелат. segregatio — отделение, выщепление) процессы. Сегрегационный груз возникает в результате выщепления гетерозиготными родителями менее приспособленных гомозиготных потомков.

Изучение генетического груза че­ловека, наследования заболеваний важно для решения практических вопросов медицинской генетики. Ряд авторов выделяют общий генетический груз, обусловленный вредными мутациями, присутствующими в геноме человека, и выявляемый генетический груз (ту часть мутаций, которую удается обнаружить).

При отсутствии точных знании природы большинства генетических систем, лежащих в основе распространенных заболеваний, невозможно предсказать эффект повышения частоты мутаций. Необходимы обстоя тельные исследования, чтобы выяснить конкретный вклад генетических факторов в эти заболевания.

К таким факторам, повышающий частоту мутаций, можно отнести промышленные отходы, выбросы и выхлопы транспорта, электромагнитные излучения, ионизирующие излучения, лекарственные препараты, токсические вещества, накапливающиеся в пищевых продуктах при их неправильном хранении и обработке, и др. В целях снижения мутагенной нагрузки на человека необходимо внедрять технологии, которые не дают мутагенного загрязнения окружающей среды. Для снижения действия мутагенов рекомендуется диета, богатая естественными антимутагенами: витаминами (Е, С, А, В₅, К) и провитаминами. Некоторые пищевые продукты содержат эти вещества в значительном количестве (экстракт капусты, яблок, мятного листа, зеленого перца, ананаса, баклажана и др.). Сбалансированность пищи по незаменимым аминокислотам также снижает спонтанный уровень мутагенеза и придает организму устойчивость к мутагенам.

В связи с возрастающим загрязнением окружающей среды потенциаль­ными мутагенами перед органами здравоохранения поставлена задача пре­дотвращения рождения детей с наследственной патологией. Особое внимание должно уделяться пренатальной диагностике и методам, на которых она основана.

2.7 Задачи по молекулярной генетики:

№ 1. Какая последовательность аминокислот зашифрована в следующем участке ДНК: ГЦАТТТАГАТГАААТЦАА?

№ 2. Смысловая нить ДНК, соответствующая гену вазопрессина (гормона гипофиза, повышающего кровяное давление), содержит следующую последовательность нуклеотидов:

АЦААТААААЦТТЦТААЦАГГАГЦАЦЦА.

Определите последовательность нуклеотидов во второй нити ДНК; последовательность нуклеотидов в и-РНК, число аминокислот, входящих в состав вазопрессина.

№ 3. Участок гена имеет такую последовательность нуклеотидов: ТТТ-ТАЦ-АЦА-ТГТ-ЦАГ. Определите последовательность нуклеотидов и-РНК и последовательность аминокислот в белковой молекуле, которая синтезируется под контролем этого гена.

№ 4. Полипептид состоит из следующих аминокислот: валин – аланин – глицин – лизин – триптофан – валин – серин – глутаминовая кислота. Определите структуру участка ДНК, кодирующего указанный полипептид.

№ 5. Полипептид состоит из следующих аминокислот: аланин – цистеин – гистидин – лейцин – метионин – тирозин. Определите структуру участка ДНК, кодирующего эту полипептидную цепь.

№ 6. Как изменится структура белка, если из кодирующего его ДНК ААТАЦАТТТАААГТЦ удалить 5-й и 13-й слева нуклеотиды.

№ 7. Какие изменения произойдут в строении белка, если в кодирующем его участке ДНК – ТААЦАААГААЦАААА между 10-м и 11-м нуклеотидами включить цитозин, между 13-м и 14-м – тимин, а на конце прибавить еще один аденин?

№ 8. Участок ДНК, кодирующий полипептид, имеет в норме следующий порядок азотистых оснований: ААААЦЦААААТАЦТТАТАЦАА. Во время репликации третий слева аденин выпал из цепи. Определите структуру полипептидной цепи, кодируемой данным участком ДНК, в норме и после выпадения аденина.

№ 9. Исследования показали, что 34% общего числа нуклеотидов данной и-РНК приходится на гуанин, 18% на урацил, 28% - на цитозин и 20% - на аденин. Определите процентный состав азотнокислых оснований двухцепочечной ДНК, слепком с которой является указанная и-РНК.

№ 10. Известно, что расстояние между двумя соседними нуклеотидами в спирализованном состоянии молекулы ДНК, измеренной вдоль оси спирали составляет 34 х 10^-11м. Какую длину имеют структурные гены, определяющие молекулу белка, включающего 112 аминокислот?

№ 11. Какую длину имеет часть молекулы ДНК, кодирующая инсулин быка, если известно, что молекула инсулина белка имеет 51 аминокислоту, а расстояние между двумя соседними нуклеотидами в ДНК равно 34 х 10^{-11 м.}

№ 12. Ген состоит из 3 одинаковых смысловых и 4 одинаковых несмысловых участков, причем интроны состоят из 120 нуклеотидов каждый, а весь ген имеет 1470 нуклеотидов. Сколько кодонов будет иметь про-м-РНК, каждый экзон, м-РНК и аминокислот в белке, закодированного в этом гене.

№ 13. Известно, что определенный ген эукариотической клетки содержит 4 интрона (два по 24 нуклеотида и два по 36 нуклеотидов) и 3 экзона (два по 120 нкулеотидов и один 96 нуклеотидов). Определите: количество нуклеотидов в м-РНК; количество кодонов в м-РНК; количество аминокислот в полипептидной цепи; количество т-РНК, участвующих в трансляции.

№ 14. Как изменится соотношение нуклеотидов в ДНК, копией которой является следующая м-РНК – УУГГАЦЦГГУУА. Если произошли следующие изменения: после 1-го триплета был вставлен тимин, после второго и третьего добавлен аденин.

№ 15. Фрагмент и-РНК имеет следующий состав: УУУ-ГУУ-ГАУ-ЦАА-ЦАЦ-УУА-УГУ-ГГГ-УЦА-ЦАЦ. Определите соотношение (А+Т)/(Г+Ц) во фрагменте названного гена.

№ 16 Определенный белок содержит 400 аминокислот. Какую длину имеет ген, под контролем которого этот белок синтезируется, если расстояние между нуклеотидами составляет 0,34 нм.

№ 17. Сколько нуклеотидов содержат гены (обе цепи ДНК), в которых запрограммированы белки из 500 аминокислот, 25 аминокислот, 48 аминокислот.

№ 18. На фрагменте одной цепи ДНК: А-А-Г-Т-Ц-Т-А-Ц-Г-Т-А-Т нарисуйте схему структуры двухцепочечной молекулы ДНК. Каким свойством вы руководствовались? Какова длина в нм этого фрагмента? Сколько (в %) содержится нуклеотидов в отдельности в этой цепи ДНК?

№ 19. В эукариотической клетке ген, хранящий информацию о белке, состоит из 648 пар нуклеотидов. Из них три участка по 70 пар нуклеотидов - не смысловые (интроны). Сколько т-РНК участвовало в сборке полипептида? Сколько нуклеотидов в матричной РНК? Какова масса всего белка (масса 1 аминокислоты 100)?

№ 20. Ген состоит из 540 нуклеотидов. Белок, кодируемый данным геном, состоит из 120 аминокислот. Определить длину и-РНК и количество интронов в про-и-РНК. (Учесть расстояние между соседними нуклеотидами 3,4 А).

№ 21. Ген имеет длину 2040А. Белок состоит из 150 аминокислот. Какова длина интронов? Сколько нуклеотидов на них приходится?

№ 22. В гене на интроны приходится 40%. Определите количество аминокислот в белке и длину про-и-РНК, если на интроны приходится 180 триплетов?

№ 23. Определить, что опаснее с точки зрения последствий выпадения первого, среднего или последнего нуклеотида в цепи ДНК. Показать на примере структурного гена.

№ 24. Представлена часть белка: глицин-глутамин-метионин-треонин-тирозин. Подсчитайте соотношение аденин+тимин и гуанин+цитозин в участке ДНК, кодирующем данную последовательность аминокислот.

№ 25. Исследования показали, что нуклеотидный состав мРНК следующий: 30% приходится на гуанин, 10% - на цитозин, 16% - на аденин и 44% - на урацил. Определите процентный состав по нуклеотидам той части ДНК, слепком которой является изученная мРНК.

№ 26. Известно, что расстояние между нуклеотидами в цепочках ДНК составляет 34х10^-11м. Какую длину имеет ген, определяющий гемоглобин, включающий 287 аминокислот?

№ 27. Узнайте структуру молекулы ДНК, в которой зашифрована информация о следующем пептиде: треонин-цистеин-цистеин-изолейцин-гистидин-валин-глутаминовая кислота.

№ 28. Как изменится белок, если в гене, его кодирующем – ТААААТАЦААЦЦЦАААТА, произошли мутации по типу выпадения 1, 12 и 17 нуклеотидов?

№ 29. Исследования показали, что в м-РНК процентное соотношение азотистых соединений следующее: аденинов 8%; гуанинов 22%; цитозинов 26%; урацилов 44%. Определите процентное соотношение нуклеотидов в соответствующей этой мРНК, ДНК.

№ 30. Подсчитайте длину гена, кодирующего следующий олигопептид: валин-лейцин-лейцин-глутамин-фенилаланин-триптофан-цистеин-риптофан-валин-глицин-лизин-аргинин-гистидин-метионин-аргинин-тирозин, если расстояние между нуклеотидами в ДНК равняется 34х10^{-11 м. Известно также, что при процессинге данного белка был вырезан интрон, состоящий из 12 нуклеотидов.}

№ 31. Подсчитайте соотношение аденин+тимин и гуанин+цитозин в ДНК, которая определяет следующую последовательность аминокислот: лизин-валин-триптофан-фенилаланин-валин-метионин.

№ 32. Известно, что в состав определенного гена входит 3 интрона (27, 24 и 36 нуклеотидов) и 4 экзона (по 66 нуклеотидов каждый). Определите количество аминокислот в белке, закодированном в этом гене, и число кодонов в про-мРНК.

№ 33. Определить антикодоны т-РНК, участвующие в синтезе белка, начальный участок которой имеет следующее строение: аланин – серин – треонин – цистеин – тирозин – валин – аргинин.

№ 34. При биосинтезе белка к рибосоме последовательно доставлены аминокислоты т-РНК: УУУ ; ГЦА ; УУУ ; УЦУ ; УГА ; ЦАА. Какой полипептид получился?

Алгоритм решения задачи № 1

Алгоритм решения задачи № 4

Алгоритм решения задачи №13

Известно, что определенный ген эукариотической клетки содержит 4 интрона (два по 24 нуклеотида и два по 36 нуклеотидов) и 3 экзона (два по 120 нуклеотидов и один 96 нуклеотидов). Определите: количество нуклеотидов в м-РНК; количество кодонов в м-РНК; количество аминокислот в полипептидной цепи; количество т-РНК, участвующих в трансляции.

ДАНО:

· 3 экзона (2 по 120 и 1 по 96)

· 4 интрона (2 по 24 и 2 по 36)

ОПРЕДЕЛИТЬ:

· Количество нуклеотидов в м-РНК

· Количество кодонов в м-РНК

· Количество аминокислот в полипептидной цепи

· Количество т-РНК, участвующих в трансляции

РЕШЕНИЕ:

· Определим количество нуклеотидов в проматричной РНК, так как она является слепком с гена, который ген состоит из суммы экзонной и интронной частей.

2×120 + 1× 96 + 2 × 24 + 2 × 36 = 456

· определим количество нуклеотидов в м-РНК, удалив интроны

456 – (2 × 24 + 2 × 36) = 336

· определим количество кодонов в м-РНК, используя свойство триплетности генетического кода

336 ÷ 3 = 112

· определим количество аминокислот в полипептидной цепи, используя принцип коллинеарности

112 кодонов = 112 аминокислот

· определим количество т-РНК, участвующих в трансляции, учитывая что одна молекуоа т-РНК доставляет в рибосому одну молекулу аминокислоты

112 аминокислот = 112 т -РНК

ОТВЕТ:

Если ген состоит из 4 интрона (2 по 24 нуклеотида и 2 по 36 нуклеотидов) и 3 экзона (2 по 120 нуклеотидов и 1 по 96 нуклеотидов), то:

- количество нуклеотидов в м-РНК – 336;

- количество кодонов в м-РНК – 112;

- количество аминокислот в полипептидной цепи – 112;

- количество т-РНК, участвущих в трансляции – 112.

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ:

Данная задача на этапы реализации генетической информации. Первым этапом является транскрипция, в результате проведения которой мы получаем про-м-РНК. Вторым этапом реализации является процессинг – вырезание несмысловой части про-м-РНК и получение цепи матричной РНК. Третьим этапом является трансляция в рибосомах и получение полипептидной цепи. Для определения количества аминокислот в цепи используем такие свойства генетического кода, как коллинеарность и триплетность.

Алгоритм решения задачи №14

Как изменится соотношение нуклеотидов в ДНК, копией которой является следующая м-РНК – УУГГАЦЦГГУУА, если произошли следующие изменения: после 1-го триплета был вставлен тимин, после второго и третьего добавлен аденин.

ДАНО:

· м-РНК

· Мутации по типу вставки нуклеотидов

ОПРЕДЕЛИТЬ:

· Соотношение нуклеотидов в ДНК

РЕШЕНИЕ:

I1. Определим структуру ДНК.

м-РНК У У Г Г А Ц Ц Т Г У У А

ДНК А А Ц Ц Т Г Г А Ц А А Т

Т Т Г Г А Ц Ц Т Г Т Т А

2. Определим количество нуклеотидов А и Т

Всего нуклеотидов 24 – 100% Т = А = 25%

Адениновых 6 – х

х = 25%

3. Определим количество нуклеотидов Г и Ц

Всего нуклеотидов 24 – 100% Ц = Г = 25%

Гуаниновых 6 – х

х = 25%

ОТВЕТ:

Соотношение нуклеотидов А + Т/ Г + Ц = 1

II 1. определим структуру ДНК после мутаций

ДНК А А Ц Т Ц Т Г А Г АЦ А А А Т

Т Т Г А Г А Ц Т Ц Т Г Т Т Т А

2. Определим количество нуклеотидов А и Т в ДНК

Всего нуклеотидов 30 – 100% Т = А = 33,3%

Адениновых 10 - х

х = 33,3%

3. Определим количество Г и Ц

Всего нуклеотидов 30 -100% Ц = Г = 16,7%

Гуаниновых 5 – х

х = 16,7%

4. Соотношение А+Т/Г+Ц = 1,99

ОТВЕТ:

Соотношение нуклеотидов в исходной ДНК и мутированной изменилось с 1 до 1,99.

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ:

Данная задача на молекулярную генетику. Для ее решения используем свойство обратной транскрипции и принципа комплементарности.

Внизу — идиограммы

Все хромосомы подразделяют на аутосомы и половые хромосомы.

Половые-это хромосомы, определяющие формирование мужского и женского полов.

Аутосомы- все хромосомы в клетках, за исключением половых хро­мосом.

В соматических клетках присутствует диплоидный (двойной) набор хро­мосом, в половых - гаплоидный (одинарный).

Совокупность хромосом клетки, характеризующаяся их числом, размером и формой, называется кариотипом (рис. 7).

Для того чтобы легче разобраться в сложном комплексе хромосом, составляющих кариотип, их располагают в виде идиограммы.

Идиограмма (от греч. idios — своеобразный, gramme — запись) — это систематизированный кариотип. По Денверской классификации (Денвер, США, 1960г.) хромосомы располагаются попарно по мере убывания их величины, с учетом положения центромеры, наличия вторичных перетяжек и спутников. Исключением являются половые хромосомы, которые выделя­ются особо (см. рис.7). В основу Парижской классификации (1971г.) поло­жена дифференциальная окраска хромосом, при которой в каждой паре хро­мосом выявляется характерный только для нее уникальный порядок чередо­вания темных и светлых полос гетеро- и эухроматиновых районов.