Заняття № 6

Тема. Будова гена про-та евкаріотів. Гени структурні, регуляторні. Процеси реалізації генетичної інформації.

Вид заняття: лабораторно-практичне.

Актуальність теми: вивчення процесів кодування та реалізації біологічної інформації на молекулярному рівні є базою для пояснення механізмів виникнення захворювань, більшість яких пов’язана з порушенням обмінних процесів і є наслідком змін на молекулярному рівні.

Мета заняття:вміти охарактеризувати молекулярні механізми реалізації генетичної інформації; розглянути екзонно-інтронну організацію генів.

Зміст теми:

1. Механізми регуляції експресії генів у прокаріотів.

2. Екзонно-інтронна організація геному евкаріотів.

3. Механізми регуляції транскрипції в евкаріотів.

Обладнання для проведення заняття: навчальні таблиці, методичні матеріали.

Інтегративні зв’язки теми: матеріал даної теми пов’язаний з окремими розділами біології, біохімії, гістології, медичної генетики.

Хід заняття:

1. Контроль вихідного рівня знань студентів з даної теми (на основі перелічених питань змісту теми )

2. Практична частина

2.1. Характеристика етапів роботи

2.1.1 Механізми реалізації генетичної інформації у прокаріотів.

Загальну схему будови генетичного апарату прокаріотів запропонували французькі генетики Ф.Жакоб і Ж.Моно у 1961 році на підставі вивчення механізмів регуляції процесів транскрипції у Е.соlі (кишкової палички). Ф.Жакобом та Ж.Моно вивчалися молекулярно-генетичні механізми контролю в клітинах Е.соlі біосинтезу -галактозидази, що забезпечує розщеплення лактози на глюкозу і галактозу. Для пояснення механізмів контролю функції генів у Е.соlі, які відповідають за метаболізм в клітинах енергетичного субстрату дисахариду лактози, Ф.Жакоб та Ж.Моно висунули теорію оперона. Оперон - це комплекс генетичних елементів, що відповідають за координований синтез групи функціонально зв’язаних ферментних білків. Зокрема, у разі Lac-оперона Е.соlі це є ферменти метаболізму лактози: -галактозидаза, -галактозидпермеаза та -галактозидтрансацетилаза.

До складу оперона входять:

а) структурні гени, що містять інформацію відносно первинної структури поліпептидів, які транскрибуються з даного оперона;

б) контрольні сайти, до яких належать:

- промотор - ділянка ДНК, що первинно взаємодіє з РНК-полімеразою;

- ген-оператор - ділянка ДНК, з якою може специфічно зв’язуватися білок-репресор. Ген-оператор безпосередньо прилягає до структурних генів, і його зв’язування з репресором протидіє зчитуванню РНК-полімеразою інформації із структурних генів.

- ген-регулятор - розташований на певній відстані від оперона і кодує синтез білка-репресора.

У відсутності в середовищі, на якому вирощуються бактерії, цукру лактози активний білок-репресор, що синтезується геном-регулятором (I), взаємодіє з оператором (О), тим самим перешкоджаючи з’єднанню РНК-полімерази з промотором (Р) і транскрипції генів Z, Y, A (рис.2). Поява в середовищі лактози інактивує репресор, він не з’єднується з оператором, РНК-полімераза взаємодіє з промотором і відбувається транскрипція поліцистронної мРНК. Остання забезпечує синтез одночасно всіх ферментів, що беруть участь у метаболізмі лактози (-галактозидази, -галактозидпермеази і -галактозидтрансацетилази, що кодуються генами Z, Y, A). Зменшення вмісту лактози в результаті її ферментативного розщеплення призводить до відновлення здатності репресора з’єднуватись з оператором і припинення транскрипції генів Z,Y,A.

а) Розглянути таблицю і зарисувати схему будови Lac-оперона

2.1.2 Регуляція експресії генів у евкаріотів.

В евкаріотів не встановлено оперонної організації генів. Гени, що визначають синтез ферментів одного ланцюга біохімічних реакцій, можуть бути розсіяні в геномі і, очевидно, не мають, як у прокаріотів, єдиної регулюючої системи (ген-регулятор, оператор, промотор). Транскриптон (одиниця транскрипції) евкаріотів утворений акцепторною зоною (включає ген-промотор-Р і акцепторні гени -А) та інформативною зоною, що включає структурні гени - S₁, S₂ , S₃ (рис.3). В процесі синтезу мРНК, який відбувається в евкаріотичній клітині, утворюється первинний транскрипт (про-мРНК), який здатний до перетворення у функціонально повноцінну молекулу мРНК в результаті процесингу (дозрівання). Це пов’язано з тим, що геноми евкаріотів мають, поряд з генами, що транслюються у відповідні білки - екзонами, значну кількість нуклеотидних послідовностей, які не несуть генетичної інформації - інтронів.

Процесинг первинного транскрипту включає (рис.4):

а) приєднання до 5-кінця молекули специфічної нуклеотидної структури - ‘’кепу’’;

б) приєднання до 3-кінця первинного транскрипту поліаденілатного ‘’хвоста’’;

в) вирізання інтронів з молекули про-мРНК за участю ферментів рестриктаз та зшивання внутрішніх кінців молекул екзонів - сплайсинг за участю ферментів лігаз.

а) Зарисувати схему регуляції транскрипції в евкаріотичній клітині.

б) Вирішити наступні задачі:

Задача 1.

Альбумін сироватки крові людини містить 0,34% заліза. Вирахуйте мінімальну молекулярну масу гемоглобіну. Скільки АК?

Задача 2.

Білок рибонуклеаза містить 224 амінокислоти. Визначити молекулярну масу гена, довжину гена і молекулярну масу білка рибонуклеази.

Задача 3.

Яка молекулярна маса гена, якщо в одному його ланцюгу запрограмовано білок із молекулярною масою 3000?

Задача 4.

Довжина гена 1200нм. Визначити молекулярну масу білка і гена, в якому закодований цей білок.

Задача 5.

У систему для штучного синтезу білка ввели тРНК, які мають антикодони: ЦАГ, УУА, АЦА, ЦЦА. Визначте, які амінокислоти зможуть брати участь у біосинтезі білка.

Задача 6.

Фрагмент адренокортикотропного гормону людини, який виробляється передньою часткою гіпофізу, має структуру: сер-тир-сер-мет. Визначте антикодони тРНК, які беруть участь у біосинтезі фрагмента адренокортикотропного гормону.

Задача 7.

Вірусом тютюнової мозаїки синтезується ділянка білка: ала-тре-сер-глу-мет. Під дією азотної кислоти (мутагенний фактор) цитозин внаслідок дезамінування перетворюється на урацил. Який білок утвориться, якщо цитидилові нуклеотиди зазнали такого хімічного перетворення?

Задача 8.

Четвертий пептид у нормальному гемоглобіні (гемоглобін А) складається з таких амінокислот: вал-гіс-лей-тре-про-глн-глн-ліз. У хворого на серпоподібно-клітинну анемію склад амінокислот четвертого пептиду такий: вал-гіс-лей-тре-про-ліз-глн-ліз. Які зміни в ДНК призвели до захворювання?

Задача 9.

У здорової людини з сечею виділяються наступні амінокислоти: аланін, серин, глутамінова кислота, гліцин. У людини, що хвора на цистинурію, виділяються амінокислоти, яким відповідають триплети іРНК: УЦУ, УГУ, ГЦУ, ГГУ, ЦАГ, ЦГУ, ААА. Виділення яких амінокислот характерне для хворих на цистинурію?

Задача 10.

Визначте антикодони тРНК, які беруть участь у синтезі білка, що кодується фрагментом ДНК: ГГТ-АЦГ-АТГ-ТЦА-АГА.

2.2. Оформлення результатів практичної роботи

Студенти зарисовують в альбом схему будови Lac-оперону, транскриптону, записують розв’язки задач.

3. Вироблення практичних навиків

Набуті знання і розуміння механізмів реалізації генетичної інформації дають можливість трактувати формування будь-якої ознаки як результат взаємодії генів.

4. Питання для контролю засвоєння теми

1. Функціональна класифікація генів.

2. Поняття про оперон.

3. Індукція та репресія Lac-оперона.

4. Будова транскриптону евкаріотів.

5. Тестовий контроль до практичного заняття № 6

1. Що входить до складу оперона?

А. Евхроматин

В. Промотор

С. Гетерохроматин

D. Полімераза

E. Лактоза

2. Процесінг- це...

А. Активація гена

В. Транскрипція

С. Трансляція

D. Регуляція мРНК

E. Дозрівання мРНК

3. Синтез білка складається з декількох стадій. На одній із них здійснюється синтез іРНК на одному із ланцюгів ДНК. Як називається даний процес?

А. Транскрипція

В. Реплікація

С. Елонгація

D. Трансляція

Е. Термі нація

4. З молекули ДНК виділено екзонні ділянки. Що це за ділянки?

A. Незмістовні ділянки

B. Змістовні ділянки, що кодують первинну структуру білкових молекул

C. Ланцюг іРНК, як продукт транскрипції

D. Ланцюг тРНК, як продукт транскрипції

E. Ланцюг рРНК, як продукт транскрипції

5. За гіпотезою (Жакоб, Моно, 1961) лактозного оперону у E.coli індуктором є лактоза, яка надходить у клітину з навколишнього середовища. Яким чином лактоза індукує синтез ферментів, що її розщеплюють, тобто включає оперон?

A. Сполучається з геном-оператором

B. Сполучається з геном-регулятором

C. Сполучається з промотором

D. Сполучається з структурним геном

E. Сполучається з білком- репресором

6. Поліпептид, синтезований в рибосомі, складається з 54 амінокислот. Яку кількість кодонів мала іРНК, що слугувала матрицею для даного синтезу?

A. 27

B. 54

C. 108

D. 162

E. 224

7. Ген, що кодує ланцюг поліпептиду, містить 4 екзони і 3 інтрони. Після закінчення процесінгу в зрілій іРНК ділянки будуть комплементарні:

A. 3 інтронам

B. 2 екзонам і 1 інтрону

C. 1 екзону і 1 інтрону

D. 4 екзонам і 3 інтронам

E. 4 екзонам

8. Гемоглобін крові людини містить 0,34% заліза. Вирахуйте мінімальну молекулярну масу гемоглобіну.

А. 12320

В. 14500

С. 14850

D. 15500

E. 164470

9.У ядрі клітині із молекули незрілої іРНК утворено молекулу зрілої іРНК, яка має менший розмір, ніж незріла іРНК. Сукупність етапів цього перетворення має назву:

A. Процесінг

B. Реплікація

C. Рекогніція

D. Трансляція

E. Термінація

10. Існування життя на всіх його рівнях визначається структурою нижчого рівня. Який рівень організації передує і забезпечує існування життя на клітинному рівні:

A. Молекулярний

B. Тканинний

C. Організменний

D. Популяційно-видовий

E. Біоценотичний