био. Молекулярные основы наследственности (I) Цели занятия
 Скачать 2.1 Mb.
|
|
Челябинск 2017 ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ №6 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. Г) Задания для учебно-исследовательской работы обучающихся 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 и Ц 2) Гуанин и цитозин антисмысловой цепи ДНК образует комплементарные связи с цитозином и гуанином соответственно в смысловой кодогенной цепи, следовательно, Г антисмысловой цепи Ц кодогенной цепи (18%); Ц антисмысловой цепи (Г кодогенной цепи (34%). Таким образом, количество ГЦ в двухцепочечной ДНК 3) Так как (А+Т)+(Г+Ц)=100%, то АТ 4) Т.к. по правилу Чаргаффа ГЦ и АТ, тов 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. 1 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 водной 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- 2 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` 3 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 обучающийся по теме занятия 1) Решение типовых задач по молекулярной биологии с использованием правила Чаргаффа и свойств генетического кода. Подпись преподавателя ______________________________________________________________ 4 ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ №7 ТЕМА МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ОСНОВЫ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ (Цели занятия 1) Изучить основные этапы 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. В) Задания для учебно-исследовательской работы обучающихся 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 (НА, содержащийся в эритроцитах человека определяется следующей последовательностью нуклеотидов смысловой цепи ДНК 3` ЦАА – ГТА – ГАА – ТГА – ГТТ – ЦТТ – ТТТ 5`. При заболевании серповидноклеточной 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 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’ 5 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: 5’ ЦГГ – ГГЦ – УУЦ – УАГ – ААЦ – ГАУ – ГАГ 3’ 6 Укажите соответствующий этой последовательности участок гена, а также фрагмент белка, соответствующий данному участку ДНК. Задача 2.3. Какой последовательностью нуклеотидов ДНК кодируется участок белка, если он имеет следующее строение пролин – валин – аргинин Задача 2.4. Дан участок ДНК 3’ ГТТ – ЦТА – ААА – ГГГ – ЦЦЦ 5’ Какова структура закодированного гена Какова структура белка, если под воздействием химических мутагенов восьмой нуклеотид будет заменен цитозиновым? К каким биологическим последствиям это может привести Перейдет ли такое изменение ДНК к потомству Задача 2.5. Дан участок ДНК 3’ ААА – ТТТ – ГГГ – ЦЦЦ – ААА 5’ 7 Какова будет структура тРНК, синтезируемая на данном участке Какую аминокислоту будет переносить данная тРНК, если третий триплет ДНК соответствует антикодону тРНК? Задача 2.6. Кодирующий участок ДНК имеет последовательность 3’ ТАА – ЦАГ – АГГ – АЦЦ – ААГ 5’ Какие изменения произойдут в строении белка, если в данном участке ДНК между 10 и 11 нуклеотидами включен цитозин, между 13 и 14 – тимина на конце рядом с гуанином прибавится еще один гуанин Задача 2.7. Одна цепь участка ДНК, выделенная из кишечной палочки, имеет следующую последовательность оснований 5’ ГТА – ГЦЦ – ТАЦ – ЦЦА – ТАГ 3’ Восстановите двойную структуру участка ДНК. Определите кодогенную и антисмысловую цепи ДНК. Какова последовательность комплементарной мРНК? Каково строение участка полипептида, образованного на данной мРНК? Г) Практические навыки, которыми должен овладеть обучающийся по теме занятия 1) Решение генетических задач с использованием таблиц генетического кода. Подпись преподавателя ______________________________________________________________ 8 ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ №8 ТЕМА МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ОСНОВЫ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ (III) Цели занятия 1) Изучить основные механизмы регуляции экспрессии генов у про- и эукариот. 2) Рассмотреть классификацию генов и современное состояние теории гена. 3) Разобрать основные методы ДНК-диагностики. Базисные знания 1) Из материалов практических занятий №5 и №6 Вы должны знать строение и свойства нуклеиновых кислот, принципы кодирования наследственной информации, этапы реализации наследственной информации у прокариот и эукариот. Учебная карта занятия А) Вопросы для подготовки к занятию Классификация генов репрессированные, дерепрессированные, конститутивные, регулируемые. Регуляция экспрессии генов у прокариот. Теория оперона. Регуляция экспрессии генов у эукариот. Транскриптон Современное состояние теории гена. Методы анализа ДНК. ДНК–диагностика наследственных заболеваний. В) Задания для учебно-исследовательской работы обучающихся Задание 1. Изучение правил решения генетических задач по теме занятия Познакомьтесь с примерами решения типовых задач, основанных на использовании правил интерпретации результатов ДНК-диагностики. Задача 1. В гене одного из ферментов поджелудочной железы, включающего 242 пары нуклеотидов, произошла мутация – замена й пары нуклеотидов. В результате возник новый сайт рестрикции для рестриктазы R. Определите генотипы людей (1, 2, 3) по приведенным результатам рестрикционного анализа. 242 - 242 - 199 - 199 - 43 - 43 - 1 2 3 Решение 1. В результате произошедшей мутации и возникновения нового сайта рестрикции отрезок ДНК, длиной 242 пары нуклеотидов, соответствующий нормальному аллелю гена фермента, разрезается рестриктазой R на 2 фрагмента длиной 199 и 43 пары нуклеотидов. 2. Известно, что скорость отрезков ДНК, а, следовательно, и расстояние, которое они проходят в электрофоретическом геле, зависит от длины этих отрезков чем меньше длина, тем больше скорость и расстояние. 3. Анализ результатов при отсутствии мутации на электрофореграмме должен присутствовать только один фрагмент ДНК длиной 242, что соответствует нормальной гомозиготе (образец 2); у 9 мутантной гомозиготы оба аллеля разрезаются и образуются фрагменты длиной 199 и 43, что выявляется электрофореграммой (образец 3); у гетерозиготы, имеющего один нормальный аллель длиной 242) и один мутантный, который разрезается на два фрагмента (длины 199 и 43), электрофореграмма выявляет все три фрагмента (образец 1). Ответ Генотипы обследованных пациентов следующие образец 1 – гетерозигота. образец 2 – нормальный гомозигота. образец 3 – мутантный гомозигота. Задание 2: Самостоятельное решение генетических задач по молекулярно-генетической диагностике составлено на основе Задачи по современной генетике Учеб. пособие / Под ред. ММ. Асланяна. – М КДУ, 2005. – 224 с. Решите следующие задачи самостоятельно Задача 2.1. Муковисцидоз является тяжелым аутосомно-рецессивным заболеванием. Мутация связана с делецией в гене трех нуклеотидов. Нормальный аллель имеет длину 253 пары нуклеотидов. Проанализируйте приведенные электрофореграммы и установите генотипы обследуемых 253 - 253 - 250 - 250 - 1 2 3 Задача 2.3. Нормальный аллель гена имеет длину 260 нуклеотидных пар. В результате замены пары нуклеотидов в м положении исчез сайт рестрикции для узнавания рестриктазой R. Определите генотипы пациентов по приведенным результатам рестрикционного анализа 260 - 260 - 200 - 200 - 60 - 60 - 1 2 3 Задача 2.2. Ген содержит 2 экзона длиной 300 и 250 нуклеотидных пар. Мутантный аллель сопровождается возникновением в более длинном экзоне нового сайта рестрикции в районе 180 пары нуклеотидов, узнаваемого рестриктазой R. Определите генотипы пациентов по приведенному результату амплификации и рестрикционного анализа экзонов: 10 300 - 300 - 250 - 250 - 250 - 180 - 180 - 120 - 120 - 1 2 3 Задача 2.4. В хромосоме человека на участке, гомологичном Х-хромосоме, всегда имеется вставка мобильного элемента AluYa протяженностью 329 п. н. Проведена амплификация фрагмента гомологичных участков Хи хромосом. Определите процент мужчин в изученной группе людей дорожки 1-9) на основе электрофореграммы продуктов ПЦР-амплификации участка генома, затронутого инсерцией AluYa. Цифрами справа обозначены длины фрагментов ДНК в п. н. X Y X Y → - AluYa X-Y гомологичный участок 1 2 3 4 5 6 7 8 9 п. н. 528 199 Задача 2.5. В Х-хромосоме человека на участке, гомологичном хромосоме, всегда имеется вставка мобильного элемента AluXa протяженностью 322 п. н. Проведена амплификация фрагмента гомологичных участков Хи хромосом. Ниже представлена электрофореграмма продуктов ПЦР- амплификации участка генома, затронутого инсерцией AluXa. Определите, какие дорожки 11 соответствуют образцам ДНК женщин. Цифрами справа обозначены длины фрагментов ДНК в п. н. Y Х Y Х → - AluXa X-Y гомологичный участок 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 п. н. 878 556 Задача 2.6. Представлена электрофореграмма, полученная при окрашивании серебром го денатурирующего полиакриламидного геля, на который нанесены пробы с продуктами ПЦР- амплификации трех тетрануклеотидных микросателлитных локусов (CSF1PO, TPOX и THO1), применяемых для идентификации личности, в образцах ДНК матери (М, ребенка (Р) и трех предполагаемых отцов (О, О и О. У каждого человека имеется строго определенное, индивидуальное количество повторов каждого микросателлитного локуса. маркер, который состоит из амплифицированных фрагментов изучаемого локуса с различным количеством повторов. Цифрами справа обозначено количество повторов. Определите генотипы и установите, какой из предполагаемых отцов может быть исключен на основании этого анализа. 12 L M P O1 O2 O3 CSF1PO 15 14 13 12 11 10 9 8 7 TPOX 13 12 11 10 9 8 7 6 THO1 11 10 9 8 7 6 5 Задача 2.7. Представлена электрофореграмма, полученная при окрашивании серебром го денатурирующего полиакриламидного геля, на который нанесены пробы с продуктами ПЦР- амплификации трех тетрануклеотидных микросателлитных локусов (D16S539, D7S820 и D13S317), применяемых для идентификации личности, в образцах ДНК матери (М, двух ее детей Р и Р) и двух предполагаемых отцов (О и О. маркер, который состоит из амплифицированных фрагментов изучаемого локуса с различным количеством повторов. Цифрами справа обозначено количество повторов. Определите генотипы и установите, какой из предполагаемых отцов может быть исключен на основании этого анализа. 13 L M P1 Р O1 O2 D16S539 15 14 13 12 11 10 9 8 D7S820 14 13 12 11 10 9 8 7 6 D13S317 15 14 13 12 11 10 9 8 7 Г) Практические навыки, которыми должен овладеть обучающийся по теме занятия 1) Решение генетических задач с использованием таблиц генетического кода. 2) Использование правил интерпретации результатов ДНК-диагностики (по электрофореграммам). Подпись преподавателя ______________________________________________________________ 14 ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ №9 ТЕМА ВВЕДЕНИЕ В ГЕНЕТИКУ. ЗАКОНОМЕРНОСТИ НЕЗАВИСИМОГО НАСЛЕДОВАНИЯ (ЗАКОНЫ Г. МЕНДЕЛЯ) |