Генетика человека с основами медицинской генетики. Генетика человека. Учебное пособие Иркутск игму 2014 удк 575. 191 (075. 32) Ббк 52. 54я 723 о 57
 Скачать 1.32 Mb.
|
|
Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Иркутский государственный медицинский университет» Министерства здравоохранения Российской Федерации Институт сестринского образования Кафедра общепрофессиональных дисциплин Ю. В. Омеличкина Генетика человека с основами медицинской генетики Учебное пособие Иркутск ИГМУ 2014 УДК 575.191 (075.32) ББК 52.54я 723 О 57 Рекомендовано МС ИСО ГБОУ ВПО ИГМУ Минздрава России в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся по программам СПО специальностей 34.02.01 «Сестринское дело», 060604«Лабораторная диагностика». (протокол № 1 от 29.08. 2014 г.) Автор: Ю. В. Омеличкина – преподаватель кафедры общепрофессиональных дисциплин Института сестринского образования ГБОУ ВПО ИГМУ Минздрава России Рецензенты: И. Ж. Семинский – д-р мед. наук, проф., директор Института сестринского образования ГБОУ ВПО ИГМУ Минздрава России, зав. каф. патологической физиологии с курсом клинической иммунологии И. Ю. Салдина – канд. мед. наук, преподавательОГБОУ СПО «Иркутский базовый медицинский колледж» Омеличкина, Ю. В. О 57 Генетика человека с основами медицинской генетики : учеб. пособие / Ю. В. Омеличкина; ГБОУ ВПО ИГМУ Минздрава России, Института сестринского образования, Кафедра общепрофессиональных дисциплин. – Иркутск : ИГМУ, 2014. – 68 с. В учебном пособии представлен теоретический материал по дисциплине «Генетика человека с основами медицинский генетики», а также практические задания для самостоятельной работы студентов. Основная задача пособия - помочь студенту в процессе подготовки к освоению базового содержания курса. Учебное пособие предназначено для студентов специальности 34.02.01 "Сестринское дело". Пособие будет полезно студентам специальности 060604 «Лабораторная диагностика» при освоении дисциплины «Основы медицинской генетики». УДК 575.191 (075.32) ББК 52.54я 723 © Омеличкина Ю. В., 2014 © ГБОУ ВПО ИГМУ Минздрава России, 2014 3 ОГЛАВЛЕНИЕ Введение ................................................................................................................... 4 1. Биохимические основы наследственности ................................................... 5 1.1. Основные теоретические положения ...................................................... 5 1.2. Методика решения типовых задач ........................................................ 10 Задания для самостоятельной работы студентов ........................................... 12 2. Цитологические основы наследственности ................................................ 15 2.1. Основные теоретические положения .................................................... 15 Задания для самостоятельной работы студентов ........................................... 19 3. Закономерности наследования признаков .................................................. 26 3.1 Основные теоретические положения ........................................................ 26 1.2. Методика решения типовых задач ........................................................ 32 Задания для самостоятельной работы студентов ........................................... 33 4. Наследственность и среда ............................................................................ 36 4.1. Основные теоретические положения .................................................... 36 Задания для самостоятельной работы студентов ........................................... 38 5. Наследственность и патология .................................................................... 43 5.1. Основные теоретические положения .................................................... 43 5.2. Методика решения типовых задач ........................................................ 45 Задания для самостоятельной работы студентов ........................................... 46 6. Методы генетики человека ........................................................................... 49 6.1. Основные теоретические положения .................................................... 49 6.2. Методика решения типовых задач ........................................................... 54 Задания для самостоятельной работы студентов ........................................... 55 7. Медико-генетическое консультирование ................................................... 59 7.1. Основные теоретические положения .................................................... 59 7.2. Методика решения типовых задач ........................................................ 61 Задания для самостоятельной работы студентов ........................................... 62 Рекомендуемая литература ................................................................................... 66 Использованная литература ................................................................................. 67 4 ВВЕДЕНИЕ Генетика это наука о наследственности и изменчивости. Как любая другая биологическая наука генетика состоит из общих и частных разделов. Общие разделы посвящены изучению материальных основ наследственности и изменчивости. Они включают анализ вещества наследственности, которым являются молекулы ДНК, изучение способа упаковки генетического материала в клетках и его наследственной передачи в ряду поколений, структуры и мутаций генов, типов наследования, основных информационных процессов, а также многие другие вопросы. Частный раздел генетики – генетика человека посвящен изучению проявление общих теоретических закономерностей наследственности и изменчивости у человека. Те ее направления, которые посвящены патологии человека, являются предметом медицинской генетики. Основной целью медицинской генетики является изучение роли генетических составляющих в этиологии и патогенезе различных заболеваний человека. В задачи медицинской генетики входят: диагностика наследственных заболеваний, анализ их распространенности в различных популяциях и этнических группах, медико-генетическое консультирование семей больных, профилактика наследственных заболеваний на базе пренатальной диагностики. Изучение курса медицинской генетики студентами специальности сестринское дело крайне необходимо для эффективного внедрения в клинику достижений современной генетики. Учебное пособие призвано углубить и закрепить знания студентов об основах наследственности и изменчивости, основных группах наследственных патологий, принципах медико-генетического консультирования. 5 1. БИОХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ 1.1. Основные теоретические положения В начале 50-х годов ХХ века было доказано, что единицей наследственности и изменчивости является ген, материальной основой которого является дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК). Структура молекулы ДНК была расшифрована Дж. Уотсоном, Ф. Криком и М. Уилкинсом в 1953 г. Она представляет собой (рис. 1) две спирально закрученные антипараллельные (напротив конца 3 / одной цепи располагается 5 / конец другой) полинуклеотидные цепи. Рисунок 1. Структура молекулы ДНК 1 Мономерами ДНК являются нуклеотиды (рис. 2), в состав каждого из них входят: 1. пятиуглеродный сахар – дезоксирибоза; 2. остаток фосфорной кислоты; 1 Крюков, В. И. Генетика Часть 1. Введение в генетику. Молекулярные основы наследственности: учебное пособие для вузов / В. И. Крюков. – Орѐл: Изд-во ОрѐлГАУ, 2006. – 176с 6 3. одно из четырех азотистых оснований (пуриновые: аденин и гуанин, пиримидиновые: тимин и цитозин). Рисунок 2. Строение нуклеотида 2 Рисунок 3. Вторичная структура молекулы ДНК 3 Нуклеотиды соединяются в цепочку путем образования ковалентных (фосфодиэфирных) связей между дезоксирибозой одного и остатком фосфорной кислоты другого нуклеотида. Азотистые основания присоединяются к дезоксирибозе и образуют боковые радикалы. Между азотистыми основаниями цепочек ДНК устанавливаются водородные связи: две – между аденином и тимином, три – между гуанином и цитозином (рис. 3). Строгое соответствие (взаимодополнение) нуклеотидов друг другу в парных цепочках ДНК (А – Т, Г – Ц) называется комплементарностью. ДНК является хранителем генетической информации во всех клетках про- и эукариот. Рибонуклеиновая кислота (РНК) в отличие от ДНК содержит сахар – рибозу. Также в молекуле ДНК не встречается азотистое основание – тимин, в 2,3 Крюков, В. И. Генетика Часть 1. Введение в генетику. Молекулярные основы наследственности: учебное пособие для вузов / В. И. Крюков. – Орѐл: Изд-во ОрѐлГАУ, 2006. – 176с 7 состав молекулы входит другое пиримидиновое основание – урацил. Необходимо также отметить, что молекула РНК в отличие от ДНК представлена одинарной цепочкой. В клетках существуют три типа РНК: информационная, транспортная и рибосомальная. Информационная РНК (и-РНК) представляет собой копию определенного участка ДНК и выполняет функции переносчика генетической информации от ДНК к месту синтеза белка (рибосомы) и непосредственно участвует в сборке его молекул. Транспортные РНК (т-РНК) транспортируют аминокислоты из цитоплазмы в рибосомы. Рибосомальная РНК (р-РНК) входит в состав рибосом. Считают, что р- РНК обеспечивает определенное пространственное взаиморасположение и-РНК и т-РНК. Репликация молекул ДНК происходит в синтетический период интерфазы при участии комплекса ферментов (рис. 4). Рисунок 4. Схема репликации молекулы ДНК 4 4 Генетика. Курс лекций: http://works.doklad.ru/view/kGrP1fGnyl4/2.html. 8 Каждая из двух цепей «материнской» молекулы служит матрицей для «дочерней». Строит дочернюю молекулу фермент ДНК-полимеразысогласно принципу комплементарности. После репликации вновь синтезированная молекула ДНК содержит одну «материнскую» цепочку, а вторую – «дочернюю», вновь синтезированную (полуконсервативный способ). Транскрипция – процесс синтеза молекулы и-РНК, происходящий в ядре. Фермент РНК-полимераза подходит к молекуле ДНК и разрывает водородные связи, после чего молекула ДНК раскручивается на 2 цепочки. Одна из цепей ДНК является кодирующей. Она начинается с 3 / конца, так как фермент РНК- полимераза движется именно в этом направлении, и транскрипция осуществляется в направлении 3 / →5 / , а иРНК образуется в направлении 5 / → 3 / . Из свободных нуклеотидов РНК фермент строит молекулу и-РНК по принципу комплементарности азотистых оснований нуклеотидов (аденину ДНК соответствует урацил РНК, тимину ДНК – аденин РНК, гуанину ДНК – цитозин РНК, цитозину ДНК – гуанин РНК). Генетическая информация молекул ДНК преобразовалась в последовательность нуклеотидов молекулы и- РНК, которая затем выходит из ядра и направляется к рибосомам для процесса синтеза белка. Трансляция – перевод генетической информации с языка последовательности нуклеотидов на язык последовательности аминокислот, (расшифровка генетического кода). Происходит в цитоплазме на рибосомах. Участвуют: и-РНК, аминоацил-т-РНК, р-РНК, ферменты. Считывание информации с и-РНК осуществляется в направлении 5 / → 3 / . Трансляция состоит из трех этапов: инициация, элонгация и терминация (рис 5.). Инициация – объединение малой субъединицы рибосом, инициирующего триплета и-РНК (АУГ), метионин-аминоацил-т-РНК и большой субъединицы рибосомы. 9 Рисунок 5. Схема трансляции белка 5 Элонгация – наращивание полипептида. Эта фаза включает все реакции с момента образования первой пептидной связи до присоединения последней аминокислоты. На заключительном этапе трансляции (терминация) рибосома доходит до одного из «nonsens» кодонов иРНК и синтез полипептида прекращается. Информация о первичной структуре белковой молекулы закодирована последовательностью нуклеотидов (генетический код) в соответствующем участке молекулы ДНК – гене. Свойства генетического кода: 1. Однозначность, т.е. каждый триплет (три нуклеотида) кодирует только одну аминокислоту. 2. Избыточность – некоторые из аминокислот будут кодироваться 2, 3, 4 или 6 триплетами (валин кодируется 4 триплетами, а серин – 6). 3. Неперекрываемость – одновременно 1 нуклеотид входит в состав только одного триплета. 5 А. С. Спирин.Принципы функционирования рибосом: http://nature.web.ru/db/msg.html?mid=1157658&uri=index.html 10 4. Универсальность – у всех организмов одинаковые триплеты кодируют одинаковые аминокислоты. 5. Однонаправленность – код читается только в одном направлении. 6. Наличие нонсенс (стоп)-кодонов – триплетов, которые не кодируют аминокислоты. Когда рибосома в процессе трансляции доходит до таких кодонов, то синтез белка прекращается. В молекуле РНК – УАА, УГА, УАГ. 7. Непрерывность (без знаков препинания) – при выпадении одного нуклеотида в процессе считывания его место занимает нуклеотид из соседнего кодона. Стартовыми кодонами в молекуле и-РНК являются АУГ и ГУГ. Рисунок 6. Таблица генетического кода 6 1.2. Методика решения типовых задач Задача.1. Одна из цепей молекулы ДНК имеет следующий порядок нуклеотидов: ААГГЦТЦТАГГТАЦЦАГТ. 1. Определите последовательность нуклеотидов в комплементарной цепи. 6 Интернет ресурс: http://festival.1september.ru/articles/604998/ 11 2. Определите последовательность кодонов иРНК, синтезированной на комплементарной цепи. 3. Определите последовательность аминокислот в полипептиде, закодированном в комплементарной цепи. 4. Определите как изменится последовательность аминокислот если в молекуле ДНК произойдет замена нуклеотидов «Т» в 6 и 8 положениях на «Г». Решение:1. Согласно принципа комплементарности азотистых оснований в молекуле ДНК (А – Т, Ц – Г), строим вторую цепочку молекулы: ААГГЦТЦТАГГТАЦЦАГТ ААГГЦТЦТАГГТАЦЦАГТ – первая цепочка ДНК ТТЦЦГАГАТЦЦАТГГТЦА – вторая цепочка ДНК. 2. Согласно принципу комплементарности азотистых оснований молекул ДНК и РНК (А – У, Ц – Г), строим цепочку и-РНК: ТТЦЦГАГАТЦЦАТГГТЦА – вторая цепочка ДНК ААГГЦУЦУАГГУАЦЦАГУ – молекула и-РНК 3. Согласно свойству триплетности генетического кода, разбиваем цепочку и-РНК на триплеты, затем по таблице генетического года определяем последовательность аминокислот в полипептиде: ААГ ГЦУ ЦУА ГГУ АЦЦ АГУ – триплеты иРНК лиз – ала – лей – гли – тре – сер – полипептид 4. Производим замену нуклеотидов: ААГГЦТЦТАГГТАЦЦАГТ – первая цепочка ДНК ААГГЦГЦГАГГТАЦЦАГТ – мутированная первая цепочка ДНК Дальше определяем последовательно комплементарную цепь, и-РНК и аминокислотную последовательность: АГГЦГЦГАГГТАЦЦАГТ – мутированная первая цепочка ДНК ТТЦЦГЦГЦТЦЦАТГГТЦА – вторая цепочка ДНК. ААГГЦГЦГАГГУАЦЦАГУ – молекула и-РНК 12 ААГ ГЦГ ЦГА ГГУ АЦЦ АГУ – триплеты и-РНК лиз – ала – арг – гли – тре – сер – полипептид Замена нуклеотида «Т» в 6 положении не привела к изменению аминокислотной последовательности, но замена в 8 положении приведет к замене аминокислоты лейцин на аргинин. Задача 2. Полипептидная цепь одного белка животных имеет следующее начало: лизин – глутамин – треонин – аланин – аланин – аланин – лизин... С какой последовательности нуклеотидов начинается ген, соответствующий этому белку? Решение: Поскольку одну аминокислоту могут кодировать несколько триплетов, точную структуру и-РНК и участка ДНК определить невозможно, структура может варьировать. Используя принцип комплементарности нуклеотидов и таблицу генетического кода получаем один из вариантов: ААГ ГАА АЦУ ГЦУ ГЦУ ГЦУ ААГ – и-РНК ТТЦ ЦТТ ТГА ЦГА ЦГА ЦГА ТТЦ – ДНК. Задания для самостоятельной работы студентов Пользуясь представленными методиками решения задач, для закрепления материала самостоятельно решите следующие задачи по теме «Биохимические основы наследственности»: Задача 1. В одной исследовательской лаборатории изучен участок одной из цепочек молекулы ДНК. Оказалось, что он состоит из 24 мономеров- нуклеотидов: ГТГ ТАА ЦГА ЦЦГ АТА ЦТГ ТАЦ АЦЦ . Каково строение соответствующего участка второй цепочки той же молекулы ДНК? Задача 2. Молекула ДНК распалась на две цепочки. Одна из них имеет строение: ТАГ АЦТ ГГТ АЦА ЦГТ ГГТ ГАТ ТЦА ... . Какое строение будет иметь вторая молекула ДНК, когда указанная цепочка достроится до полной двухцепочечной молекулы? 13 Задача 3. Определите аминокислотный состав полипептида, который кодируется следующей последовательностью и-РНК: ЦЦА ЦЦУ ГГУ УУУ ГГЦ. Задача 4. Какая последовательность аминокислот кодируется такой последовательностью нуклеотидов ДНК: ЦЦТ АГТ ГТГ ААЦ ЦАТ ТЦА? Задача 5. С какой последовательности аминокислот начинается белок, если он закодирован такой последовательностью нуклеотидов: АЦГ ЦЦЦ АТГ ЩЦ ГГТ АЦЦ? Каким станет начало полипептидной цепи синтезируемого белка, если под влиянием рентгеновских лучей пятый нуклеотид окажется выбитым из молекулы ДНК? Задача 6. Определите порядок следования аминокислот в участке молекулы белка, если известно, что он кодируется такой последовательностью нуклеотидов ДНК: ТГА ТЩ ГТТ ТАТ ГЦГ ЦЦЦ. Как изменится белок, если химическим путем будут удалены девятый и тринадцатый нуклеотиды? Задача 7. Назовите последовательные мономеры участка молекулы белка, который синтезируется на основе информации, «записанной» в молекуле ДНК таким порядком нуклеотидов: ТЦТ ЦЦЦ AAA ААГ АТА ИГ ЦАТ. Как отразится на строении белка выпадение из молекулы ДНК первого нуклеотида? |