Volkova EM Kaspirovich DA Genetika s osnovami biometrii EUMK

Генетика с основами биометрии

Лабораторная работа № 11

ТЕМА: Структура и функция гена (2 часа)

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Изучить хромосомную и центровую теорию гена; псевдоаллелизм; цис-транс-тест на аллелизм.

КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ:

Хромосомная теория сформулирована в 1911 г. американским ученым Т. Морганом. Ее сущность заключается в следующем:

–ÏолесÃÓосновным материальным носителем наследственности являются хромосомы с локализованными в них генами; - гены наследственно дискретны, относительно стабильны, но при этом могут мутировать;

–гены в хромосомах расположены линейно, каждый ген имеет определенное место (локус) в хромосоме;

–гены, расположенные в одной хромосоме, образуют группу сцепления и наследуются совместно;

–число групп сцепления равно гаплоидному набору хромосом и постоянно для каждого вида организмов;

–сцепление генов мож т нарушать я в р зультате кроссинговера;

–частота кроссингов ра прямо пропорциональна расстоянию между генами.

Значение этой теории зак юча тся в том, что она дала объяснение законам Менделя, вскры а цито огич ские основы наследования признаков и генетические основы теории естественного отбора.

Центр вая те рия ген в – теория, согласно которой ген состоит из отдельных функци на ьных участков (центров), которые могут независимо изменяться при мутациях.

Авторы назвали ген scute базигеном, т.е. участком хромосомы, занимаемым всеми мутаци нными изменениями – трансгенами.

Отдельные мутационные участки внутри базигена были названы центрами, а сама теория сложного строения или делимости гена получила название центровой.

Неправомочность представлений гене как о единице рекомбинации была доказана в 40-х годах XX века при изучении некоторых генов экспериментами по внутригенному кроссинговеру на дрозофиле по локусам

lozenge, white и др. (работы Э. Льюиса, М. Грина и др.). В частности, у Dr. melanogaster в системе lozenge (безфасеточные глаза) известно 18 аллелей, относящихся к 3 генам.

М. Грин и К. Грин (1949г.) смогли получить гетерозигот lzBS // lzg, в потомстве которых с частотой всего 0,1% появлялись особи с нормальными глазами (дикий тип), а также особи с более сильным мутантным проявлением,

Генетика с основами биометрии

чем любой из исходных аллелей. Такое могло произойти только вследствие кроссинговера внутри гена lz. Это явление, названное псевдоаллелизм, доказывало, что рекомбинация, хотя и редко, может происходить в пределах одного гена. Следовательно, несостоятельным оказался и второй критерий аллелизма Т. Моргана – рекомбинационный. Сам же термин «псевдоаллелизм» возник из-за желания ученых спасти представление о неделимости гена.

Таким образом, открытие таких явлений как ступенчатый аллелизм и псевдоаллелизм позволило выявить противоречия между рекомбинационным

молекулярно-биологическом уровне.

и функциональным критериями аллелизма, которые послужили основой для первогоÏолесÃÓкризиса в теории гена. Разрешение этого кризиса стало возможным только тогда, когда сами гены стали объектом пристального изучения уже на

Цис-транс-тест (cis-trans-test) [лат. cis – по эту сторону; лат. trans – через, за пределами; англ. test – испытание] – генетический метод анализа, позволяющий выявить принадлежность рецессивных мутаций одному или разным генами. Для проведения Ц.-т.-т. и ледуемые мутации сочетают в транс- и цис-положениях. В первом лучае крещивают особей, несущих по одной анализируемой мутации, во втором – крещивают особь, несущую обе мутации, с особью дикого (нормального) типа. Е ли мутации, сочетаемые в транс-положении (транст ст, или функциональный тест на аллелизм), принадлежат разным генам, то гибридный организм автоматически получает и по неповрежденной копии каждого г на. В этом случае рецессивные мутации не проявляются, и гибрид им т нормальный фенотип (мутации комплементарны). Ес и четаемые мутации принадлежат одному гену, то в гибриде обе к пии данн го гена повреждены, и обнаруживается мутантный фенотип (мутации нек мп ементарны). Метод предложен Э. Льюисом в 1951 г. С. Бензер в 1957 г. предл жил единицу, определяемую Ц.-т.-т., называть

цистроном.

Генетика с основами биометрии

Таким образом, после доказательства генетической роли нуклеиновых кислот и расшифровки структуры молекулы ДНК С. Бензер в экспериментах на бактериофаге Т4 показал, что наименьшими мутирующими элементами гена являются отдельные пары нуклеотидов, и кроссинговер может происходить между двумя парами нуклеотидов. Было окончательно постулировано, что ген представляет собой определенный участок ДНК, состоящий из нескольких тысяч пар нуклеотидов, способных мутировать и быть разделенными рекомбинацией, но функционально представляющий единое целое.

Сплайсинг (от англ. splice – сращивать или склеивать концы чего-либо) – процесс вырезания определѐнных нуклеотидных последовательностей из молекул РНК и соединения последовательностей, сохраняющихся в «зрелой» молекуле, в ходе обработки РНК. Наиболее часто этот процесс встречается при созревании матричной, или информационной, РНК (мРНК) у эукариот, при этом путѐм биохимических реакций с участием РНК и белков из мРНК удаляются участки, не кодирующие белок (интроны) и соединяются друг с другом кодирующие аминокислотную по ледовательность участки – экзоны. Таким образом незрелая пре-мРНК превращает я в зрелую мРНК, с которой считываются (транслируются) белки клетки. Большинство генов прокариот, кодирующих белки, не им ют интронов, поэтому у них сплайсинг пре-мРНК встречается редко. У представит й эукариот, бактерий и архей встречается также сплайсинг транспортных РНК (тРНК) и других некодирующих РНК.

ХОД РАБОТЫ:

Задание 1. В таб ице приведены результаты теста на комплементарность для десяти т чк вых мутаций. «+» – комплементация мутации; «-» – отсутствие к мплементации. По результатам, приведенным в таблице, определите группы к мплементации.

Анализируем поочередно горизонтальные строки.

Генетика с основами биометрии

1. Мы видим, что при скрещивании мутанта 1 с мутантами 1, 6 и 7 не происходит комплементации (-), следовательно, эти мутации затрагивают одну область гена, поэтому мы можем отнести эти мутации к одной группе комплементации. При скрещивании мутанта 1 с мутантами 2, 3, 4, 5, 8, 9 и 10 происходит комплементация мутации (+), следовательно, эти мутации затрагивают разные области гена, поэтому мы можем отнести эти мутации к другой группе комплементации.

И т.д….

Ответ: группа 1 – мут. 1, 6, 7; группа 2 – …

ÏолесÃÓ

Генетика с основами биометрии

Лабораторная работа № 12

ТЕМА: Генетический код (4 часа)

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Изучить этапы биосинтеза белка, транскрипцию, трансляцию; свойства генетического кода; перенос информации в клетке.

КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ:

Этапы биосинтеза белка:

1. Транскрипция (переписывание информации с ДНК на иРНК). В определенном участке ДНК разрываются водородные связи, получается две одинарных цепочки. На одной из них по принципу комплементарности строится иРНК. Затем она отсоединяется и уходит в цитоплазму, а цепочки ДНК снова соединяются между собой.

2. Процессинг (только у эукариот) – созревание иРНК: удаление из нее участков, не кодирующих белок, а так же присоединение управляющих участков.

3. Экспорт иРНК из ядра в цитоплазму (только у эукариот).

Происходит через ядерные поры; в его эк портируется примерно 5% от общего количества иРНК в ядре.

4. Синтез аминоацил-тРНК. В цитоплазме имеется 61 фермент аминоацил-тРНК-синтетаза. Он компл м нтарно узнает аминокислоту и тРНК, которая до жна ее п р носить, и со диняет их между собой, при этом затрачивается 1 АТФ.

5. Трансляция (синтез бе ка). Внутри рибосомы к кодонам иРНК по принципу к мплементарн сти присоединяются антикодоны тРНК. Рибосома соединяет между б й амин кис оты, принесенные тРНК, получается белок.

6. С зревание белка. Вырезание из белка ненужных фрагментов, присоединение небелк вых компонентов (например, гема), соединение нескольких полипептидов в четвертичную структуру.

заменѐн похожим нуклеотидом, содержащим урацил, который обозначается

Генетика с основами биометрии

из аминокислот всего 20 видов. Эти аминокислоты называют каноническими. Каждый белок представляет собой цепочку или несколько цепочек аминокислот, соединѐнных в строго определѐнной последовательности. Эта последовательность определяет строение белка, а следовательно все его

входить одновременно в состав двух или более триплетов (не соблюдается для

соответствует только одной аминоки лоте (однако, кодон UGA у Euplotes

основаны мет ды генн й инженерии; есть ряд исключений, показанный в таблице раздела «Вариации стандартного генетического кода» ниже).

называют к нсервативными; мутации замен нуклеотидов, приводящие к смене класса кодируемой аминокислоты, называют радикальными.

8. Знаки препинания – триплеты выполняют функцию знаков препинания.

В процессе размножения клеток генетическая информация передается от одного поколения клеток другому. При этом все клетки получают одинаковую информацию. Это, возможно, вследствие того, что перед делением клетки осуществляется репликация (удвоение) ДНК, в результате образуются две идентичные молекулы ДНК, которые и передаются потомкам. В структуре ДНК заложена способность этой молекулы к копированию.

Закодированная в ДНК генетическая информация реализуется в результате экспрессии генов. Экспрессия генов включает транскрипцию (копирование информации с ДНК на синтезируемую

Генетика с основами биометрии

РНК) и последующую трансляцию (синтез на матрице РНК соответствующего белка).

Возможен поток информации и в направлении от РНК к ДНК, этот процесс носит название обратная транскрипция. В то же время информация не передается от белков нуклеиновым кислотам. Однако следует отметить, что белки играют важную роль в осуществлении процессов передачи информации, как между нуклеиновыми кислотами, так и от нуклеиновых кислот к белкам.

ХОД РАБОТЫ:

Задание 1. Нарисуйте схему биосинтеза белка: ÏолесÃÓ

Генетика с основами биометрии

Задание 2. Решите задачи, используя следующие правила:

Один шаг это полный виток спирали ДНК–поворот на 360o;Один шаг составляют 10 пар нуклеотидов;Длина одного шага – 3,4 нм;

Расстояние между двумя нуклеотидами – 0,34 нм;Молекулярная масса одного нуклеотида – 345 г/моль;

Молекулярная масса одной аминокислоты – 120 г/мол;В молекуле ДНК: А+Г=Т+Ц (Правило Чаргаффа: ∑(А) = ∑(Т), ∑(Г) =

∑(Ц), ∑(А+Г) =∑(Т+Ц);

Комплементарность нуклеотидов: А=Т; Г=Ц;ЦепиÏолесÃÓДНК удерживаются водородными связями, которые образуются

между комплементарными азотистыми основаниями: аденин с тимином соединяются 2 водородными связями, а гуанин цитозином тремя;

В среднем один белок содержит 400 аминокислот;вычисление молекулярной массы белка:

где Мmin – минимальная молекулярная ма а белка, а – атомная или молекулярная мас а компон нта, в – процентное содержание компон нта.

Таблица1. – Генетический код

Генетика с основами биометрии

Задача 1.Одна из цепочек ДНК имеет последовательность нуклеотидов : АГТ АЦЦ ГАТ АЦТ ЦГА ТТТ АЦГ ... Какую последовательность

аминокислот, которой начинается цепь инсулина.

Задача 3. Большая из двух цепей белка инсулина имеет (так называемая цепь В) начинается со следующих аминокислот: фенилаланин-валин-

последовательности нуклеотидов: ЦГГ ЦГЦ ТЦА ААА ТЦГ ... Укажите строение соответствующего участка белка, информация о котором содержится в данном гене. Как отразится на строении белка удаление из гена четвертого нуклеотида?

Задача 5. Вирусом табачной мозаики (РНК-содержащий вирус) синтезируется участок белка с аминоки лотной по ледовательностью: Ала – Тре – Сер – Глу – Мет-. Под д й тви м азоти той кислоты (мутагенный фактор) цитозин в результате д заминирова ния превращается в урацил. Какое

соответствуют к д ны в и -РНК : АУА ГУЦ АУГ УЦА УУГ ГУУ АУУ. Определите, выделение каких аминокислот с мочой характерно для синдрома Фанкоми, если у зд р в го человека в моче содержатся аминокислоты аланин, серин, глутаминовая кислота, глицин.

Задача 7. Цепь А инсулина быка в 8-м звене содержит аланин, а лошади

– треонин, в 9-м звене соответственно серин и глицин. Что можно сказать о происхождении инсулинов?

Задача 8 . Исследования показали, что в и- РНК содержится 34% гуанина,18% урацила, 28% цитозина и 20% аденина.Определите процентный состав азотистых оснваний в участке ДНК, являющейся матрицей для данной и-РНК.

Задача 9. На фрагменте одной нити ДНК нуклеотиды расположены в последователь ности: А–А–Г–Т–Ц–Т–А–Ц–Г–Т–А–Т. Определите процентное содержание всех нукле отидов в этом фрагменте ДНК и длину гена.

Задача 10. В молекуле ДНК на долю цитидиловых нуклеотидов приходится 18%. Определите процентное содержание других нуклеотидов в

Генетика с основами биометрии

этой ДНК.

Задача 11. В молекуле ДНК обнаружено 880 гуанидиловых нуклеотидов, которые составляют 22% от общего числа нуклеотидов в этой ДНК. Определите: а) сколько других нуклеотидов в этой ДНК? б) какова длина этого фрагмента?

Задача 12. Дана молекула ДНК с относительной молекулярной массой 69 000, из них 8625 приходится на долю адениловых нуклеотидов. Найдите количество всех нуклеотидов в этой ДНК. Определите длину этого фрагмента.

Задача 13. Что тяжелее: белок или его ген?

Задача 14. Гемоглобин крови человека содержит 0, 34% железа. ВычислитеÏолесÃÓминимальную молекулярную массу гемоглобина.

Задача 15. Альбумин сыворотки крови человека имеет молекулярную массу 68400. Определите количество аминокислотных остатков в молекуле этого белка.

Задача 16. Белок содержит 0,5% глицина. Чему равна минимальная молекулярная масса этого белка, если М глицина = 75,1? Сколько аминокислотных остатков в этом белке?