Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Osnovy_molekuljarnoi_genetiki

.pdf
Скачиваний:
64
Добавлен:
25.03.2015
Размер:
4.12 Mб
Скачать

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Саратовский государственный медицинский университет Росздрава

ОСНОВЫ МОЛЕКУЛЯРНОЙ ГЕНЕТИКИ

Учебное пособие

Издательство Саратовского медицинского университета

2007

УДК 57(07)

В учебном пособии приведена основополагающая информация по вопросам молекулярной генетики.

Предназначено для самостоятельной вне- и аудиторной работы студентов медицинских вузов.

Составители: докт. мед. наук, проф. К.А. Кузьмина; докт. биол. наук, проф. СИ. Белянина; докт. биол. наук, проф. И.В. Сергеева; докт. биол. наук, доц. Н.В. Полуконова; канд. биол. наук, доц. Т.А. Андронова; канд. биол. наук, доц. Л.А. Боброва; канд. биол. наук, доц. Н.А. Дурнова; канд. биол. наук, доц. Л.Е. Сигарева; канд. биол. наук, ас. Ю.В. Белоногова.

Рецензенты: докт. мед. наук, проф. В.В. Моррисон; канд. биол. наук, доц. кафедры генетики СГУ Н.А. Шишкинская.

Одобрено к изданию ЦКМС СГМУ

© Составители: К.А. Кузьмина, СИ. Белянина, И.В. Сергеева, Н.В. Полуконова, Т.А. Андронова, Л.А. Боброва, Н.А. Дурнова, Л.Е. Сигарева, Ю.В. Белоногова.

© Саратовский государственный медицинский университет, 2007.

ОСНОВЫ МОЛЕКУЛЯРНОЙ ГЕНЕТИКИ Цель занятия

Знать:

1.Структуру и функции нуклеиновых кислот (ДНК, иРНК, тРНК, рРНК).

2.Структуру гена про- и эукариот.

3.Понятие о геноме эукариот.

4.Структуру и свойства генетического кода.

5.Основные этапы экспрессии гена про- и эукариот.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ ВНЕАУДИТОРНОЙ РАБОТЫ

1.Повторить характеристику наследственного материала клеток человека (учебно-методическое пособие «Биология клетки»).

2.Изучить материал лекций, учебника и основополагающую информацию, приведенную в данном пособии.

3.Выполнить для самоконтроля нижеприведенные задания.

Задание 1

Нуклеиновые кислоты носители генетической информации.

У большинства организмов материальным субстратом наследственной информации на молекулярном уровне является двухцепочечная ДНК. У вирусов эту функцию выполняет или ДНК (одноили двухцепочечная) цли РНК (табл. 1) .

Таблица 1

Структурная организация геномов у разных представителей живого

 

Представи-

Нуклеи-

Форма

Количество цепей

 

тели

новая

полинук-

 

 

 

 

кислота

леотидных

 

 

 

 

 

цепей

 

 

Эукариоты

Человек

 

 

 

 

 

- хромосомы

ДНК

Линейная

Двухцепочечная

 

 

ядра

 

 

 

 

 

- хромосомы

ДНК

Кольцевая

Двухцепочечная

 

 

митохондрий

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Прокариоты

Е. соli

 

 

 

 

 

- хромосома

ДНК

Кольцевая

Двухцепочечная

 

 

- плазмида

ДНК

Кольцевая

Двухцепочечная

 

 

 

 

 

 

 

Вирусы

В. герпеса

ДНК

Линейная

Двухцепочечная

 

 

В. полиомы

ДНК

Кольцевая

Двухцепочечная

 

 

Фаг фХ174

ДНК

Кольцевая

Одноцепочечная

 

 

В. кори и бе-

РНК

Линейная

Одноцепочечная

 

 

шенства

 

 

 

 

 

ВИЧ

РНК

Линейная

Две идентичные

 

 

(СПИД)

 

 

молекулы

1

Задание 2

Строение нуклеиновых кислот

ДНК, РНК — макромолекулярные биополимеры, мономерами которых являются нуклеотиды, состоящие из азотистого основания, пентозы (рибозы или дезоксирибозы) и остатка фосфорной кислоты (рис. 1). Соединение азотистого основания и пентозы называется нуклеозидом. Остаток фосфорной кислоты присоединяется к 5'-углероду пентозы. Следовательно, нуклеотид - это нуклеозид-5'-монофосфат. Название нуклеотида зависит от его азотистого основания (табл. 2).

При синтезе ДНК или РНК новый нуклеотид присоединяется 5'(Ф)-концом к 3'(ОН)-концу предыдущего. Таким образом, полинуклеотидная цепь растет в направлении 5' 3'. У двухцепочечных ДНК полинуклеотидные цепи антипараллельны (против 5'-конца всегда стоит 3'-конец).

1.Перечислите основные пуриновые и пиримидиновые азотистые основания в ДНК и РНК. Какая пентоза входит в состав ДНК или РНК?

2.Как называются необычные редкие азотистые основания, входящие в состав нуклеиновых кислот? Приведите примеры. В какой нуклеиновой кислоте их много?

Задание 3 Ознакомьтесь с названиями основных нуклеозидов и нуклеотидов ДНК и

РНК в зависимости от их химического строения (табл. 2).

 

 

 

 

Таблица 2

 

Нуклеозиды (пентоза +

 

Нуклеотиды

 

 

 

азот, осн.)

 

(нуклеозид + фосфорная кислота)

 

 

 

 

 

I. Рибонуклеозиды

 

I. Рибонуклеозид-5'-монофосфаты

 

(рибоза + азот, осн.)

 

РИБОНУКЛЕОТИДЫ (Р.)

 

 

 

 

(рибонуклеозид + фос. кисл.)

 

1.

Аденозин

1.

Аденозинмонофосфат - АМФ.

 

 

(азот. осн. - аденин)

Адениловая кислота. АДЕНИЛОВЫЙ Р.

 

2.

Гуанозин

2.

Гуанозинмонофосфат - ГМФ.

 

 

(азот. осн. -гуанин)

Гуаниловая кислота. ГУАНИЛОВЫЙ Р.

 

3.

Цитидин

3.

Цитидинмонофосфат - ЦМФ.

 

 

(азот, осн. - цитозин)

Цитидиловая кислота. ЦИТИДИЛОВЫЙ Р.

 

4.

Уридин

4.

Уридинмонофосфат - УМФ.

 

 

(азот. осн. - урацил)

Уридиловая кислота. УРИДИЛОВЫЙ Р.

 

II. Дезоксирибонук-леозиды

I. Дезоксирибонуклеозид-5'-монофосфаты

 

(дезоксири-1 боза + азот,

 

ДЕЗОКСИРИБОНУКЛЕОТИДЫ (Д.)

 

осн.)

 

(дезоксирибонуклеозид + фос. кисл.)

 

1.

Дезоксирибоаденозин

1.

Дезоксиаденозинмонофосфат - дАМФ.

 

(азот. осн. — аденин)

Дезоксиадениловая кислота.

 

 

2.

Дезоксирибогуанозин.

АДЕНИЛОВЫЙ Д.

 

 

(азот. осн. — гуанин)

2.

Дезоксигуанозинмонофосфат - дГМФ.

 

3.

Дезоксирибоцнтидин

Дезоксигуаниловая кислота.

 

 

(азот. осн. — цитозин)

ГУАНИЛОВЫЙ Д.

 

 

4.

Дезоксириботимидин

3.

Дезоксицитидинмонофосфат - дЦМФ.

 

(азот. осн. — тимин)

Дезоксицитидиловая кислота.

 

 

 

 

ЦИТИДИЛОВЫЙ Д.

 

 

 

 

4.

Дезокситимидинмонофосфат - дТМФ.

 

 

 

Дезокситимидиловая

кислота.

 

 

 

ТИМИДИЛОВЫЙ Д.

|

 

Обратите внимание: адениловый нуклеотид входит в состав не только ДНК и РНК, но и ряда коферментов (НАД, НАДФ, ФАД, СоА), а также АТФ - основного аккумулятора энергии в клетке.

Задание 4 Изучите особенности структурной организации митохонд-риального и

ядерного геномов человека (табл. 3).

 

 

 

 

 

 

Таблица 3

 

 

 

 

 

 

Ядерный геном

Митохондриальный геном

 

 

 

 

Структура ДНК

 

Двухцепочечная

Двухцепочечная кольцевая

 

 

линейная

 

 

 

 

Количество

 

46

4—6

в одной митохондрии

молекул ДНК

 

 

 

 

 

 

Количество

пар

В гаплоидном наборе

В одной молекуле — 16569

нуклеотидов

 

~ 3,5 млрд.

 

 

 

 

Связь с белками

40% ДНК + 60% белков ->

 

Только ДНК

 

 

ДНП

 

 

 

 

Гены,

 

~ 100-150 тыс. Все белки

2 гена рРНК; 22 гена тРНК,

их продукты

 

цитоплазмы и 90% белков

13

генов

ферментов

 

 

митохондрий; тРНК и

тканевого дыхания, 10%

 

 

рРНК

строительных белков

 

 

 

 

митохондрий

Структура генов

Экзон-интронная

Интронов мало или их нет

 

 

 

 

Репликация

 

Много вилок репликации

Две вилки репликации

 

 

 

 

 

Транскрипция

 

Как правило, с одной

С одной цепи,

часто с 2-х

 

 

(кодогенной) цепи ДНК

(встречная транскрипция)

 

 

 

 

 

Генетический код

Универсален

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Исключения:

5

кодонов

 

 

 

выполняют

 

другие

 

 

 

функции.

Например: АЦТ

 

 

 

(терм.)

кодирует метионин.

 

 

 

 

 

 

 

Задание 5

Репликация ДНК.

Одна из основных функций ДНК - сохранение и передача наследственной информации. В основе этой функции лежит способность ДНК к самокопированию - репликации. В результате репликации из одной

материнской молекулы ДНК образуются две дочерние молекулы ДНК — копии материнской.

ФЕРМЕНТЫ и другие БЕЛКИ, обеспечивающие репликацию ДНК: Геликаза — расплетает двойную спираль ДНК. Дестабилизирующие белки — выпрямляют цепи ДНК.

ДН К-топоизомераза — разрывает фосфодиэфирные связи в одной из цепей ДНК, снимает напряжение спирали.

РНК-праймаза — обеспечивает синтез РНК-затравки для фрагментов Оказаки.

ДНК-полимер азы — синтез полинуклеотидной цепи в направлении 5' ->

3'.

ДНК-лиеаза - сшивает фрагменты Оказаки после удаления РНК-затравки. Изучите (рис. 2) особенности синтеза дочерних полинук-леотидных

цепей ДНК в репликационной вилке.

Синтез полинуклеотидных цепей ДНК идет при участии ДНКполимеразы в направлении 5' -^ 3'.

На одной полинуклеотидной цепи (ДНК-матрице) синтез идет быстрее и непрерывно (лидирующая цепь), на другой - медленнее (запаздывающая цепь), отдельными участками (фрагменты Оказаки), которые затем «сшиваются» лигазами. Каждый из фрагментов растет в направлении 5' -> 3',а цепь в целом

— в направлении 3' -> 5'.

Задание 6 Ознакомьтесь (табл. 4) с особенностями репликации хромосомной ДНК

прокариот и ядерной ДНК эукариот.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 4

 

 

 

 

 

 

 

 

Показатели

 

Прокариоты

Эукариоты

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Количество

точек начала

Одна

 

 

Много

 

 

репликации

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Количество

 

реплика-

Две

 

 

Много

 

 

ционных вилок

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Скорость синтеза ДНК

~ 1000 нукл. в сек.

 

~ 100 нукл. в сек.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Время полной репликации

~ 40 мин.

 

 

В клетках

млекопи-

 

 

 

 

 

 

 

 

тающих ~ 8 часов

Количество

нуклеотидов

1000-2000

 

 

100-200

 

 

во фрагментах Оказаки

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Итог репликации

 

 

Из одной материнской ДНК -> две копии дочерних

 

 

 

 

 

 

 

ДНК

 

 

 

1 Способ синтеза ДНК

 

 

Полуконсервативный

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Задание 7

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Изучите структуру генетического кода (табл. 5).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 5

 

 

 

Генетический код в кодонах ДНК и иРНК

 

 

I нуклеотид

 

 

 

II нуклеотид

 

III нуклеотид

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ДНК

 

 

А

 

Г

Т

Ц

 

ДНК

 

РНК

 

У

 

Ц

А

Г

РНК

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

А

 

 

Фен

 

Сер

Тир

Цис

У

А

 

 

 

 

Фен

 

Сер

Тир

Цис

Ц

Г

 

 

У

 

Лей

 

Сер

Non 2

Non 3

А

Т

 

 

 

 

Лей

 

Сер

Non 1

Три

Г

Ц

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Г

 

 

Лей

 

Про

Гио Гио

Арг Ар

У

А

 

 

 

 

Лей

 

Про

Глн Глн

г Арг

Ц

Г

 

 

Ц

 

Лей

 

Про

 

Арг

А

Т

 

 

 

 

Лей

 

Про

 

 

Г

Ц

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Т

 

 

Иле

 

Тре

Асн Асн

Сер Сер

У

А

 

 

 

 

Иле

 

Тре

Лиз Лиз

Арг Арг

Ц

Г

 

 

А

 

Иле

 

Тре

 

 

А

Т

 

 

 

 

Мет

 

Тре

 

 

Г

Ц

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ц

 

 

Вал

 

Ала

Асп Асп

Гли Гли

У

А

 

 

Г

 

Вал

 

Ала

Глу Глу

Гли Гли

Ц

Г

 

 

 

 

Вал

 

Ала

 

 

А

Т

 

 

 

 

Вал

 

Ала

 

 

Г

Ц

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Сокращения: Ала — аланин, Арг — аргинин, Асн — аспара-гин, Асп — аспарагиновая кислота, Вал — валин, Гис — гисти-дин, Гли - глицин, Глн - глутамин, Глу - глутаминовая кислота, Иле - изолейцин, Лей - лейцин, Лиз - лизин, Мет -метионин, Про - пролин, Сер — серии, Тир - тирозин, Тре - треонин, Три - триптофан, Фен - фенилаланин, Цис -цистеин.

Генетический код триплетный. Большинство АК имеют кодонысинонимы, которые различаются, как правило, только по третьему нуклеотиду.

Сколько в генетическом коде всего кодонов, сколько из них кодируют

АК?

Напишите АК, закодированные: а) одним; б) двумя; в) тремя; г) четырьмя; д) шестью кодонами-синонимами.

Укажите, какие из кодонов выполняют функцию стоп-сигнала (терминации), какие — выполняют две функции: кодируют АК и являются стартовыми кодонами (инициаторами).

Задание 8 Изучите (табл. 6) свойства генетического кода.

 

 

 

 

Таблица 6

 

 

 

 

 

Свойства

Биологический смысл

 

 

 

 

 

 

 

Специфичность

Каждый кодон кодирует одну АК

 

 

 

 

 

Вырожденность

Каждая АК закодирована двумя и более ко-

 

 

донами. Исключения: метионин (в ДНК —

 

 

ТАЦ, в РНК - АУГ) и триптофан (в ДНК -

 

 

АЦЦ, в РНК - УГГ)

 

 

 

 

 

 

 

 

Непрерывность

Считывание

генетической

информации с

 

 

иРНК — всегда по три нуклеотида от 5'- к

 

 

3'-концу

 

 

 

 

 

 

 

Универсальность

У всех живых существ принцип

 

 

кодирования АК един. Исключения - ряд

 

 

кодонов ДНК митохондрий (табл. 3)

 

 

Неперекрываемость

Нуклеотид соседних кодонов входит в

 

 

состав только одного кодона («внутри гена

 

 

нет гена»). Исключения: гены многих

 

 

вирусов, ряд генов человека (матуразы,

 

 

цитохрома Ь и др.)

 

 

 

 

 

 

Кодон-инициатор

ТАЦ (АУГ) кодирует метионин, определяет

 

 

начало трансляции

 

 

 

 

 

 

Кодоны-терминаторы

АТТ (УАА), АЦТ (УГА), АТЦ (УАГ)

 

 

определяют

окончание

трансляции.

 

 

Исключение:

генетический

код

 

 

митохондрий (табл. 3)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Задание 9

Структура гена эукариот.

Изучите структурную организацию гена эукариот (рис. 3). Обратите внимание на расположение различных функциональных зон. Отметьте, какие из них:

а) транскрибируются, но не транслируются; б) транскрибируются и транслируются; в) выполняют только регуляторную функцию; г) могут перемещаться по геному;

д) могут располагаться перед, после или внутри гена; е) необходимы для формирования зрелой иРНК.

Какие консервативные блоки промотора обеспечивают точность начала и эффективность транскрипции? К какой функциональной зоне присоединяется РНК-полимераза?

Задание 10

Классификация генов эукариот.

Изучите классификацию генов с учетом их функции и степени повторности в геноме человека.

I. СТРУКТУРНЫЕ ГЕНЫ

1.Гены, кодирующие белки:

а)

уникальные гены (единичные копии в геноме): гены большинства

ферментов, транспортных и структурных белков и др.

 

 

б)

гены-повторы:

гены

рибосомальных

белков,

гисто

нов, апобелков, протоонкогены и др.

 

 

 

2.

Гены, кодирующие

тРНК, рРНК (повторены

300-1600

раз).

 

 

 

 

 

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]