MOLEKULJARNO-GENETICHESKII_UROVEN
.pdfМОЛЕКУЛЯРНО-ГЕНЕТИЧЕСКИЙ
УРОВЕНЬ ОРГАНИЗАЦИИ
БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ
Учебно-методическое пособие
Саратов
2012
«Саратовский государственный медицинский университет
имени В.И. Разумовского» Министерства здравоохранения
Российской Федерации
(ГБОУ ВПО Саратовский ГМУ им. В.И. Разумовского Минздрав России)
Молекулярно-генетический уровень организации
биологических систем
Учебно-методическое пособие
Издательство Саратовского медицинского университета
2012
1
УДК 573 (072.8)
ББК 28. Оя 73
Б44
Учебно-методическое пособие содержит основополагающую информацию по разделу «Клеточный и молекулярно-генетический уровни организации биологических систем». Материал пособия представлен в форме заданий для самостоятельной внеаудиторной и аудиторной работы студентов, а также ситуационных задач и тестовых заданий, способствующих достижению целей изучения раздела и контролю успешности их достижения.
Издание предназначено для практических занятий по биологии для студентов 1 курса медицинских вузов, обучающихся по специальностям лечебное дело, педиатрия, медико-профилактическое дело, стоматология, фармакогнозия.
Авторский коллектив: докт. биол. наук, профессор С.И. Белянина; докт. биол. наук, профессор Н.В. Полуконова; докт. биол. наук, доцент Н.А. Дурнова; канд. биол. наук, доцент Л.Е. Сигарева; канд. биол. наук, доцент Т.А. Андронова; канд. биол. наук, старший преподаватель Ю.В. Белоногова; канд. биол. наук, доцент О.В. Синичкина
Рецензенты:
доктор медицинских наук, профессор И.О. Бугаева; доктор биологических наук, профессор В.В. Аникин
Рекомендовано к печати ЦКМС СГМУ
©Авторский коллектив: С.И. Белянина, Н.В. Полуконова, Н.А. Дурнова,
JI.E. Сигарева, Т.А. Андронова, Ю.В. Белоногова, О.В. Синичкина
ISBN
©Саратовский государственный медицинский университет, 2012
2
СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ
НАСЛЕДСТВЕННОГО МАТЕРИАЛА
Цель занятия
З н а т ь :
Структуру, свойства и функции нуклеиновых кислот.
Основные способы передачи генетической информации.
Особенности репликации ДНК у про- и эукариот.
Особенности ядерного и внеядерного геномов человека.
Ум е т ь использовать полученные знания при решении типовых
иситуационных задач на молекулярные основы наследственности.
О з н а к о м и т ь с я с информацией по генетическому материалу
прокариотической клетки.
В н е а у д и т о р н а я р а б о т а
Задание 1. Химический состав нуклеиновых кислот
Нуклеиновые кислоты (НК) являются носителями генетической информации. Во всех клетках имеется два вида нуклеиновых кислот – дезоксирибонуклеиновая (ДНК) и рибонуклеиновая (РНК),
представляющие собой биополимеры, мономерами которых являются нуклеотиды. Каждый нуклеотид состоит из пентозы (в ДНК – дезоксирибоза, в РНК – рибоза), остатка фосфорной кислоты и одного из азотистых оснований (рис. 1). Пуриновые азотистые основания - аденин (А), гуанин (Г); пиримидиновые - цитозин (Ц),
тимин (Т), урацил (У). Согласно правилу Чаргаффа, количество пуриновых азотистых оснований в ДНК равно количеству
3
пиримидиновых. Кроме этих нуклеотидов, в составе НК присутствуют редкие минорные азотистые основания, возникающие вследствие химической модификации (например, инозин). Особенно много их в транспортной РНК (до 20%) и в рРНК (до 2%).
Предполагают, что они защищают РНК от действия разрушающих ферментов. Нуклеотиды способны соединяться в длинные цепи при помощи фосфодиэфирных связей. Кроме того, полинуклеотидные цепи могут образовывать двухцепочечную пространственную структуру, формируя водородные связи между комплементарными азотистыми основаниями (табл. 1).
Рис. 1. Схема строения нуклеотида О т в е т ь т е н а в о п р о с ы :
Какие азотистые основания являются пуриновыми и пиримидиновыми в ДНК и РНК? Какая пентоза входит в состав ДНК и РНК?
4
Как называются необычные азотистые основания, входящие в состав нуклеиновых кислот? В какой нуклеиновой кислоте их
особенно много?
|
|
|
Таблица 1 |
|
Нуклеотиды нуклеиновых кислот |
|
|
||
|
|
|
|
|
ДНК |
|
РНК |
|
|
|
|
|
||
Дезоксирибонуклеотиды: |
Рибонуклеотиды: |
|
||
Адениловый – А |
|
Адениловый – А |
|
|
Гуаниловый – Г |
|
Гуаниловый – Г |
|
|
Цитидиловый – Ц |
|
Цитидиловый – Ц |
|
|
Тимидиловый – Т |
|
Уридиловый – У |
|
|
|
|
|
||
Комплементарные пары азотистых оснований |
|
|||
|
|
|
|
|
А=Т |
Г=Ц |
А=У |
Г=Ц |
|
Задание 2. Уровни структурной организации ДНК
1. Первичный – полинуклеотидная линейная цепь.
При синтезе цепи ДНК или РНК новый нуклеотид присоединяется 5'(Ф) - концом к 3'(ОН) - концу предыдущего. Таким образом, полинуклеотидная цепь растет в направлении 5' 3'.
2. Вторичный – две комплементарные антипараллельные полинуклеотидные цепи. У двухцепочечных ДНК ,
полинуклеотидные цепи антипараллельны, т. е. напротив 5' (Ф) -
конца одной цепи стоит 3' (ОН) - конец другой цепи.
Третичный – трехмерная двойная спираль полинуклеотидных цепей, чаще закрученных вправо (В-цепь). Молекула ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей, закрученных в двойную спираль.
Ширина спирали около 2 нм. Длина шага (полного оборота) спирали
5
– 3,4 нм, в одном шаге – 10 пар нуклеотидов. Кроме классической правозакрученной В-формы, описанной в 1953 г. Дж. Уотсоном и Ф. Криком, существуют ещѐ несколько форм ДНК. Самые распространенные из них: A-форма (правозакрученная, в неѐ трансформируется В-форма при транскрипции) и Z-форма
(левозакрученная, образуется при сильной спирализации В-формы).
О т в е т ь т е н а в о п р о с ы :
За счет каких химических связей формируются первичный и вторичный уровни ДНК? К какому концу (5'- или 3'-) нуклеотида присоединяется новый нуклеотид? В каком направлении растет полинуклеотидная цепь?
Сколько полных витков в гене муковисцидоза, состоящего из
250 тыс. пар нуклеотидов (п. н.)? Чему равна длина (в нм) этого участка ДНК?
Задание 3. Функции нуклеиновых кислот
Заполните в таблице 2 графы о локализации и функции ДНК и основные формы РНК
6
Таблица 2
Функции и основная локализация нуклеиновых кислот
в эукариотической клетке
Нуклеиновая |
Локализация в клетке |
Функции |
кислота |
|
|
|
|
|
ДНК |
|
|
|
|
|
иРНК |
|
|
|
|
|
тРНК |
|
|
|
|
|
рРНК |
|
|
|
|
|
siРНК |
Короткие двухцепочечные |
Участвует в процессах |
(short |
молекулы. Ядро клетки |
деградации иРНК |
interfering) |
|
|
|
|
|
мяРНК |
Ядро клетки |
Участвуют в |
(малые |
|
процессинге и |
ядерные) |
|
сплайсинге. Защищают |
|
|
теломерные районы |
|
|
|
7
О т в е т ь т е н а в о п р о с ы :
Где в клетке синтезируются все виды РНК?
Какие нуклеиновые кислоты функционируют только в ядре и ядерных структурах? Только в цитоплазме?
Какой тип РНК участвует в формировании субъединиц рибосом и скапливается в виде ядрышка в ядре?
Какой тип РНК принимает участие в созревании информационной РНК?
Какой тип РНК участвует в РНК-интерференции и вызывает разрушение информационных РНК опасных чужеродных организмов,
попадающих в клетки человека?
Задание 4. Реакции матричного синтеза в клетке
Матричный синтез – это реакция, в ходе которой происходит синтез сложной полимерной молекулы в живой клетке. При этом в качестве эталона (матрицы), который полностью определяет строение полимера, используются нуклеиновые кислоты ДНК или РНК.
Реакции подобного типа происходят очень быстро и позволяют максимально точно передать генетическую информацию.
Направление движения генетической информации описывает центральная догма молекулярной биологии: ДНК → иРНК → белок.
Ознакомьтесь по таблице 3 с разными способами передачи генетической информации у организмов в природе.
8
Таблица 3
Способы передачи генетической информации
|
Участвующие |
|
Название |
Фермент |
Организм |
|
молекулы |
|
реакции |
||
|
|
|
|
||
|
Наиболее часто встречающиеся способы передачи |
||||
|
|
генетической информации |
|
||
1 |
ДНК → ДНК |
|
Репликация |
Много |
Все |
|
ферментов |
организмы |
|||
|
|
|
|
||
2 |
ДНК → РНК |
|
Прямая |
РНК- |
Все |
|
транскрипция |
полимераза |
организмы |
||
|
|
|
|||
3 |
иРНК → белок |
|
Трансляция |
Много |
Все |
|
ферментов |
организмы |
|||
|
|
|
|
||
|
Редкие способы передачи генетической информации |
||||
|
|
|
|
|
Вирусы. Про- |
4 |
РНК → ДНК |
|
Обратная |
Ревертаза |
цесс ампли- |
|
транскрипция |
фикации генов |
|||
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
у эукариот |
5 |
РНК → РНК |
|
РНК- |
РНК- |
Вирусы |
|
репликация |
репликаза |
|||
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
Идет в |
|
|
|
Прямая |
|
лабораторных |
|
|
|
|
условиях вне |
|
|
|
|
трансляция |
Много |
|
6 |
ДНК → белок |
|
клетки при |
||
|
белка по |
ферментов |
|||
|
|
|
наличии в |
||
|
|
|
матрице ДНК |
|
|
|
|
|
|
системе ДНК |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
и рибосом |
|
Невозможные способы передачи генетической информации |
||||
7 |
белок → ДНК |
|
|
|
|
8 |
белок → иРНК |
|
|
|
|
Задание 5. Репликация ДНК у эукариот
Одна из основных функций ДНК – сохранение и передача наследственной информации. В основе этой функции лежит способность ДНК к самоудвоению – репликации. В результате репликации из одной материнской молекулы ДНК образуются две
9