Osnovy_molekuljarnoi_genetiki

Нетранскрибируемые аналоги структурных уникальных генов.

Напишите определение понятия «структурный ген». Ответьте на следующие вопросы. В каких хромосомах человека локализованы гены рРНК? В чем биологический смысл повторности генов гистонов, рибосомальных белков, тРНК, рРНК? Как изменится функция гена, неработающего в данный период онтогенеза, если перед ним встроится МГЭ с промотором? К каким последствиям это может привести?

Задание 11 Изучите (табл. 7) сущность основных этапов экспрессии генов эукариот.

Перечислите основные активаторы генов. Какие из этапов экспрессии генов относятся к реакциям матричного синтеза? Какие из этапов отсутствуют у большинства прокариот?

Задание 12 Для самоконтроля решите задачи.

Задача 1

В одной из цепей фрагмента ДНК нуклеотиды расположены, в следующей последовательности: 5' ...ЦЦЦГЦЦАЦЦТГЦГГА... 3'.

Напишите последовательность нуклеотидов в комплементарной цепи ДНК. Укажите направление синтеза новой цепи.

Задача 2

Участок ДНК имеет следующий состав нуклеотидов: 3' ...АГТАЦГ ГЦАТГТ АГЦ... 5' I I I I I I I I I I I I I I I 5' ...ТЦАТГЦЦГТАЦАТЦГ... 3'.

Напишите нуклеотидный состав дочерних ДНК, отметьте старую и новую полинуклеотидные цепи, их 5'- и 3'-концы. Какие химические группы стоят на 5'- и З'-концах ДНК?

Задача 3

Одна из цепей фрагмента ДНК имеет следующую последовательность нуклеотидов:

3' ...АГТАЦЦГАТАЦТЦГА... 5'.

Напишите цепь иРНК, матрицей для которой служит данный фрагмент ДНК. Как называется синтез иРНК на матрице ДНК?

Задача 4

Кодирующая зона участка иРНК имеет следующую последовательность нуклеотидов:

5' ...УЦААГГЦУААГЦУУУ... 3'.

Напишите первичную структуру полипептида, закодированного в данном фрагменте иРНК. Как называется синтез первичной структуры полипептида на матрице иРНК?

Задача 5

Гемоглобин взрослого человека — НЬА — белок-тетрамер (состоит из двух а- и двух р-полипептидных цепей). В а-цепи 141 аминокислотных остатков, в р-цепи - 146. Сколько пар нуклеотидов входит в состав кодирующей зоны генов а- и Р-цепей гемоглобина А?

Задача 6

Первичная структура белков эукариот начинается с метио-нина, который впоследствии, как правило, отщепляется. Как называется кодон, стоящий в начале 1-го экзона структурного гена и кодирующего метионин? Напишите нуклеотидный состав кодонов ДНК и иРНК, кодирующих метионин.

АУДИТОРНАЯ РАБОТА

1.Тестовый контроль исходного уровня знаний.

2.Обсуждение учебных элементов:

Строение и функции нуклеиновых кислот,

Репарация и репликация ДНК.

Генетический код, его структура и свойства.

Структура генов прокариот и эукариот.

Экспрессия генов.

3.Самостоятельное выполнение заданий.

СТРОЕНИЕ И ФУНКЦИИ НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ

Задание 13

Уровни структурной организации двухцепочечной ДНК.

1.Первичный - полинуклеотидная линейная цепь.

2.Вторичный — две комплементарные антипараллельные полинуклеотидные цепи.

3.Третичный - трехмерная двойная спираль полинуклео-тидных цепей, чаще закрученных вправо (В-цепь).

За счет каких химических связей формируются первичный и вторичный уровни ДНК? К какому концу (5'- или 3'-) нук-леотида присоединяется новый нуклеотид? В каком направлении растет полинуклеотидная цепь?

Чему равны диаметр и шаг (полный виток) двойной спирали? Сколько нуклеотидов в одном витке спирали ДНК? Сколько полных витков в гене муковисцидоза, состоящего из 250 тыс. пар нуклеотидов (п. н.)? Чему равна длина (в нм) этого участка ДНК?

Задание 14

Принцип комплементарности полинуклеотидных цепей ДНК.

Используя данные о химической структуре нуклеотида (рис. 1), нарисуйте фрагмент ДНК из четырех разных комплементарных п. н. Обозначьте 3'- и 5'-концы, количество водородных связей между азотистыми основаниями, направление роста цепей.

Задание 15

Функции нуклеиновых кислот.

Заполните табл. 8.

Таблица 8

Функции нуклеиновых кислот и основная локализация их в эукариотической клетке

Нуклеинов Локализация в Функции ая кислота клетке

ДНК

иРНК

тРНК

рРНК

РЕПЛИКАЦИЯ И РЕПАРАЦИЯ ДНК

Задание 16

Схема репликации ДНК у про- и эукариот.

Дан фрагмент ДНК: 5'...ЦЦАЦГАТГА..,3'

3' ...ГГТГЦТАЦТ... 5' ^

Нарисуйте схему репликации данного фрагмента ДНК-Обозначьте на дочерних ДНК 5'- и З'-концы, старые и новые полинуклеотидные цепи, укажите направление их синтеза. Какая из них синтезируется непрерывно, какая — прерывисто (фрагментами)? Обозначьте количество водородных связей между комплементарными основаниями в дочерних ДНК.

Задание 17

Особенности синтеза новых полинуклеотидных цепей в реп- ликационной вилке.

Учитывая, что ДНК-полимераза наращивает полинуклео-тидную цепь только в одном направлении, укажите на схеме репликационной вилки, по какой из цепей пойдет непрерывный, по какой — прерывистый (фрагментами) синтез новых полинуклеотидных цепей.

Как называются новые полинуклеотидные цепи, синтезирующиеся прерывисто и непрерывно? Какой фермент «сшивает» фрагменты Оказаки?

Задание 18

Скорость репликации ДНК у прокариот.

Длина хромосомной ДНК Е. соН — 1100-1400 мкм, состоит из 3 • 106 п. н. Скорость ее репликации — 10 п. н./мин. Сколько времени длится репликация всей кольцевой молекулы ДНК Е. соП?

Задание 19

Скорость репликации ядерной ДНК человека.

Геном человека (46 хромосом) содержит 6-10 п. н. Средняя хромосома, состоящая из одной молекулы ДНК, содержит около 150 млн. п. н. Сколько

времени потребовалось бы для репликации такой молекулы за счет только одной репликационной вилки, движущейся со скоростью 50 нукл./сек.?

Чем можно объяснить более медленную скорость репликации у эукариот, по сравнению с прокариотами? Сколько времени длится репликация всего генома в клетках млекопитающих (табл. 4)?

Задание 20

Роль геликазы в репликации ДНК.

Геликаза — один из основных ферментов репликации ДНК. Ген геликазы у человека локализован в 8р 12-11.2. У гомозигот по мутантному гену геликазы накапливаются различные мутации в клетках разных тканей и органов. В итоге развивается наследственная болезнь — с. Вернера (прогерия взрослых — преждевременная старость). К двадцати годам больные выглядят как глубокие старики. Наследуется данная патология по аутосомно-рецессивному типу.

Какую функцию выполняет геликаза? Почему при с. Вернера развивается преждевременная старость?

Задание 21

Концевая недорепликация ДНК.

У большинства соматических клеток человека в автокаталитическую интерфазу теломерная ДНК не реплицируется и с каждым новым делением клетки хромосомы укорачиваются. При достижении определенной длины хромосомы репликация ДНК прекращается, клетка перестает делиться, стареет и гибнет (запрограммированный апоптоз).

Для каждого типа клеток есть свой предел количества клеточных делений: фибробласты способны делиться 50—60 раз. Клетки семенников, костного мозга, раковой опухоли, простейших и дрожжей обладают практически неограниченной пролиферацией («бессмертные» клетки). В этих клетках весьма активен фермент теломераза (способна синтезировать ДНК на матрице РНК). В итоге, теломерные районы хромосом восстанавливаются и клетки «ускользают» от старения.

Клетки, часто делящиеся, быстрее исчерпывают свой про-лиферативный потенциал — быстрее реализуется запрограммированный апоптоз. Например, при ВИЧ-инфекции возникает защитная реакция — ускоренное размножение лимфоцитов (обеспечивают иммунитет). В итоге они быстрее стареют и через несколько лет полностью утрачивают способность делиться. К каким последствиям это приводит? Как теоретически можно затормозить рост раковой опухоли? Как называется синтез ДНК на матрице иРНК?

Задание 22

Репарация ДНК.

Во время репликации и рекомбинации (СХО, кроссинговер и др.) возможны «ошибки» в ДНК, и, как следствие этого, возникают мутации. Однако большинство «ошибок» и повреждений ДНК устраняется благодаря различным механизмам репарации.

Ознакомьтесь с видами репарации ДНК и их особенностями (табл. 9). Обратите внимание на сходство репликации и репарации ДНК:

1.оба процесса основаны на комплементарном спаривании азотистых оснований;

2.при репликации и репарации ДНК работают сходные ферменты (ДНК-полимераза, лигаза).

В каких клетках человека отсутствуют ферменты репарации ДНК? В каких клетках (делящихся или нет) вероятность нарушений репликации ДНК больше, но более эффективна репарация ДНК?

СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ГЕНОВ

Задание 23

Структура гена эукариот.

Гены эукариот, как правило, имеют экзон-интронное строение. Размер интронов от 100 до 10 тыс. п. н. Количество экзонов и интронов различное (от 1 до 75 и более). Например, в гене инсулина 1 интрон и 2 экзона, в гене р- глобима 2 интрона и 3 экзона, в гене миодистрофии Дюшена 75 экзонов, в гене фермента фенилаланингидроксилазы — 12 интронов. Есть и исключения: гены гистона 1, интерферона, многие гены митохондрий не имеют интронов, большинство вирусных онкогенов (у-опс) не имеют интронов, а клеточные онкогены (с-опс), как правило, имеют интроны.

Сколько:

а) интронов в гене миодистрофии Дюшена, б) экзонов в гене фенилаланингидроксилазы?

Задание 24

Структура гена гемофилии А человека.

Причиной гемофилии А (повышенная кровоточивость) является мутация гена антигемофилического фактора (Ф. VIII) свертывания крови. Ген локализован в X^ 28, состоит из 186 т. п, н., содержит 26 экзонов длиной от 69 до 3106 п. н. Длина интронов также различна (максимум 39 т. п. н.). Ф, VIII состоит из 235 аминокислотных остатков.

Сколько всего кодирующих п. н. и ко донов во всех экзонах гена Ф. VIII? Сколько интронов в гене Ф. VIII, сколько в них п. н.?

Задание 25

Семейства генов.

Многие гены, кодирующие сходные по функции белки, нередко группируются в кластеры-семейства. Например, гены тРНК, рРНК, пистонов, лейкоцитарных антигенов (НЬА), иммуноглобулинов и др.

Ознакомьтесь (рис. 4) с организацией двух кластеров генов глобиновых цепей гемоглобина человека.

I. а:кластер (25000 п. н.) локализован в р-плече аутосомы 16. Расположение генов (5' -> 3'): ген эмбриональной цепи ^ псевдогены (\[/ ^ и \\га\) и два идентичных гена а-цепей (ос1 и аг). I Псевдогены не транскрибируются.

И. р-кластер (60000 п. н.) локализован в р-плече аутосомы 11. Расположение генов: ген эмбриональной г-цепи, два гена фе-тальных у-цепей (Оу, Ау), псевдоген р-цепи, ген 5-цепи и ген Р-цепи.

Обратите внимание, что все глобиновые гены имеют сходное строение: 3

р~гло-бина человека? Сколько аминокислотных остатков в р-глоби-новой цепи?

В гене а-глобина: в 1-м экзоне 31 кодон, во 2-м — 68, в 3-м — 42. Сколько кодирующих нуклеотидов в гене а-цепи? Сколько аминокислотных остатков в а-глобине человека?

Задание 26

Изучите (табл. 10) свойства генов и их сущность.

1.Приведите примеры множественных аллелей генов человека.

2.Какие свойства ДНК обеспечивают:

Задание 27

Плейотропия.

Плейотропия — множественный эффект гена. Примером плейотропии может служить ген облысения человека — \/\ ШЫ (локализация — 17 р). Продукт гена \УНЫ необходим для формирования волосяных фолликулов и зобной железы (тимуса).

Если в 792 кодирующем кодоне этого гена произойдет замена цитозина на тимин, то у гомозигот ген Ш1~Ш не будет транскрибироваться. Такие люди абсолютно лысые и у них отсутствует тимус, и поэтому они лишены иммунной защиты (Т-лим-фоциты не образуются).

Описана семья, где у здоровых родителей двое старших детей (мальчик и девочка) здоровы, младшие две девочки абсолютно лысые. Одна из них погибла на первом году жизни, другую удалось спасти (ей пересадили костный мозг от брата). Иммунитет у нее нормальный, но волос нет.

Напишите генотипы родителей и детей. Как называется множественный эффект одного гена? Что явилось основной причиной смерти одной из лысых девочек?

ГЕНЕТИЧЕСКОЕ КОДИРОВАНИЕ

Задание 28

Вырожденность генетического кода.

Фрагмент полипептида имеет следующую последовательность аминокислотных остатков: Мет — Фен — Тир — Три. Напишите все возможные варианты последовательностей нуклеотидов участка иРНК, с которого произошла трансляция этого пептида. Благодаря какому свойству генетического кода одна АК может быть закодирована несколькими кодонами? Какое это имеет значение?

Задание 29

Функция кодонов в генетическом коде неоднозначная.

Одна из цепей фрагмента ДНК имеет следующий состав нуклеотидов: 3' ..

ААААГААТАГГГГТТАТААТГАЦА... 5'. Сколько АК может быть закодировано в данном фрагменте ДНК? Напишите последовательность АК полипептида, закодированного в данном фрагменте ДНК. Как изменится аминокислотный состав полипептида, если в трех последних кодонах третий нуклеотид заменить на тимидиловый? Сколько всего кодонов в генетическом коде? Какую функцию они выполняют?

Задание 30.

Множественные аллели.

В норме начальный фрагмент р-цепи гемоглобина взрослого человека имеет следующую последовательность аминокислотных остатков: ...Вал — Гис

— Лей — Тре — Про — Глу... Благодаря повторным мутациям гена р-цепей возникли множественные-молекулярные формы гемоглобинов, некоторые из них проявляются в фенотипе в виде анемии. Например, если в Р-глобиновой цепи в 6-м положении произойдет замена Глу на Вал, то будет синтезироваться гемоглобин 5 (фенотип — тяжелая анемия). Если Глу заменится на Лиз, то будет синтезироваться гемоглобин С (фенотип — слабовыраженная анемия).

Напишите последовательность кодирующих кодонов фрагмента гена р- глобина, в котором зашифрован данный участок Р-цепи гемоглобина человека в норме и при заменах Глу на Вал и Лиз.

ЭКСПРЕССИЯ ГЕНОВ

Задание 31 Основные схемы этапов реализации наследственной информации:

Для каких организмов (проили эукариот) и каких генов характерны приведенные схемы реализации наследственной информации? Напишите названия этапов экспрессии генов для каждой схемы.

Задание 32

Функциональные зоны гена эукариот, про- иРНК, иРНК.

Отметьте в табл. 11, какие функциональные зоны имеются в гене, незрелой и зрелой иРНК.

Таблица 11

Как называется синтез проиРНК и иРНК, где он происходит в клетках? Какой фермент обеспечивает синтез проиРНК?

Задание 33

Структурная организация гена р-глобина человека.

На рис. 5 указаны основные функциональные зоны гена р-глобина. В левом столбце перечислены продукты, образующиеся в результате основных этапов экспрессии гена у эукариот. Используя приведенные условные обозначения и масштаб:

1.впишите в соответствующие графы названия функциональных зон проиРНК, иРНК> количество пар иуклео-тидов (п. н.) в них, обозначьте 3'- и 5'-концы;

2.укажите количество аминокислотных остатков в р-гло-бине; какая

АК стоит в начале цепи?

Как называются этапы экспрессии генов, обеспечивающие синтез: