Osnovy_molekuljarnoi_genetiki
.pdfГосударственное 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). |
|
|
|
|
|