4 курс / Неврология, мед.ген. / Медицинская генетика / Sbornik_zadach_po_molekulyarnoy_biologii_i_meditsinskoy_genetike

УДК

ББК

Составитель Антипов Е.В.

Сборник задач по молекулярной биологии и медицинской генетике с решениями: учеб. пособие / сост. Антипов Е.В. – Самара: Изд-во НОУ ВПО СМИ «РЕАВИЗ», 2012. – 168 с.

В учебном пособии приведены основные понятия молекулярной биологии и генетики, необходимые для решения задач. Предложены примеры решения типовых задач.

УДК

ББК

© НОУ ВПО СМИ «РЕАВИЗ», 2012

2

3

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ МОЛЕКУЛЯРНОЙ БИОЛОГИИ И ГЕНЕТИКИ, НЕОБХОДИМЫЕ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ

Молекулярная биология – наука, изучающая основные свойства и проявления живого на молекулярном уровне: структурнофункциональную организацию генетического аппарата клеток и механизм реализации наследственной информации.

Генетика – наука о закономерностях наследственности и изменчивости живых организмов и методах управления ими.

Наследственность – свойство организмов обеспечивать материальную и функциональную преемственность между поколениями.

Изменчивость – свойство организмов приобретать новые признаки и свойства.

Нуклеиновые кислоты – полинуклеотиды, природные высокомолекулярные органические соединения, обеспечивающие хранение и передачу наследственной информации в живых организмах. Различают дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК) и рибонуклеиновые кислоты

(РНК).

Дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК) – нуклеиновые кислоты,

содержащие в качестве углеводного компонента дезоксирибозу, а в качестве азотистых оснований аденин (А), гуанин (Г), цитозин (Ц), тимин (Т). ДНК – первичный носитель генетической информации почти у всех организмов (кроме РНК-содержащих вирусов).

Рибонуклеиновые кислоты – нуклеиновые кислоты, содержащие в качестве углеводного компонента рибозу, а в качестве азотистых оснований аденин (А), гуанин (Г), цитозин (Ц), урацил (У). Различают несколько классов РНК в соответствии с их функциями и структурными особенностями: рибосомальная (рРНК), транспортная (тРНК), информационная или матричная (иРНК или мРНК), гетероядерная (гяРНК).

Ген – участок молекулы ДНК, кодирующий первичную структуру полипептида, молекулы тРНК, рРНК, или взаимодействующий с регуляторным белком, единица генетической (наследственной) информации.

Интрон – участок гена эукариот, который не несет генетической информации кодирующую синтез полипептида; расположен между экзонами.

4

Экзон – участок гена эукариот, несущий генетическую информацию, кодирующую синтез полипептида.

Репликация (редупликация) – процесс самовоспроизведения макромолекул нуклеиновых кислот, обеспечивающий точное копирование генетической информации и передачу ее от поколения к поколению.

Транскрипция – биосинтез молекул РНК на соответствующих участках ДНК, первый этап реализации генетической информации в живых клетках.

Процессинг – совокупность реакций, ведущих к превращению первичных продуктов транскрипции и трансляции в функционирующие молекулы.

Сплайсинг – особый тип процессинга в клетках эукариотических организмов, которому подвергаются предшественники всех мРНК (промРНК), а также некоторые тРНК и рРНК. При сплайсинге в молекулах этого типа некодирующие последовательности нуклеотидов (интроны) удаляются, а кодирующие последовательности нуклеотидов (экзоны) сшиваются, образуя зрелые мРНК.

Трансляция – синтез полипептидных цепей белков по матрице иРНК согласно генетическому коду.

Генетический код – свойственная живым организмам единая система записи наследственной информации о последовательности аминокислот в белке с помощью последовательности нуклеотидов в ДНК и иРНК.

Кодон – единица генетического кода, триплет нуклеотидов ДНК (иРНК), кодирующий одну аминокислоту.

Антикодон – триплет нуклеотидов т-РНК, комплементарный кодону иРНК и связывающийся с ним в рибосоме при трансляции.

Аллель – форма существования гена, определяющая возможность развития конкретного варианта данного признака. Чаще всего у гена два аллеля – доминантный и рецессивный, но встречаются случаи множественного аллелизма.

Геном – совокупность генов, характерных для гаплоидного набора хромосом данного вида организмов.

Генотип – совокупность аллелей гена или группы генов, контролирующих анализируемый признак у данного организма.

5

Фенотип – совокупность признаков и свойств особи, которые формируются в процессе взаимодействия генотипа с окружающей средой.

Кариотип – совокупность признаков хромосомного набора (число, размер, форма хромосом), характерных для того или иного вида.

Гены аллельные – гены, расположенные в одних и тех же локусах гомологичных хромосом, ответственные за развитие одного признака.

Гены неаллельные – гены, расположенные в различных локусах гомологичных хромосом или в разных парах хромосом.

Генетическая карта хромосомы – схема взаимного расположения генов, находящихся в одной группе сцепления.

Группа сцепления – гены одной хромосомы.

Гены сцепленные – гены, расположенные в одной хромосоме, образующие группу сцепления и наследуемые совместно.

Хромосомы – органоиды клеточного ядра, являющиеся носителями генов и определяющие наследственные свойства клеток и организмов.

Аутосомы – все хромосомы в клетках раздельнополых животных, растений и грибов, за исключением половых хромосом.

Половые хромосомы – хромосомы, определяющие различие кариотипов особей разных полов у раздельнополых организмов.

Локус – местоположение определенного гена (его аллелей) на генетической карте хромосомы.

Гомологичные хромосомы – парные хромосомы, одинаковые по форме, размерам, характеру наследственной информации, несущие в одних и тех же локусах аллели одного и того же гена, но разные по происхождению – одна из гомологичных хромосом получена данной особью от отца, другая – от матери.

Гаплоидный набор хромосом – одинарный, половинчатый набор хромосом, когда из каждой пары гомологичных хромосом имеется только одна (у человека – 23 хромосомы).

Диплоидный набор хромосом – двойной, полный набор хромосом (у человека – 46 хромосомы).

Гаметы – половые клетки (яйцеклетки и сперматозоиды). Гомозигота – особь, гомологичные хромосомы которой несут оди-

наковые аллели того или иного гена.

6

Гетерозигота – особь, у которой гомологичные хромосомы несут различные аллели (альтернативные формы) того или иного гена.

Кроссинговер – обмен участками несестринских хроматид гомологичных хромосом во время их конъюгации в профазе первого деления мейоза.

Кроссоверные гаметы – гаметы, при образовании которых произошел кроссинговер.

Кроссоверные особи (рекомбинанты) – особи, развившиеся в ре-

зультате слияния кроссоверных гамет. У этих особей в фенотипе появляются новые, по сравнению с родителями, сочетания признаков.

Плейотропия – множественное действие гена, способность гена воздействовать на несколько признаков.

Признак – какое-либо качество организма, по которому можно отличить один организм от другого.

Альтернативные признаки – контрастные взаимоисключающие признаки.

Доминантный признак – признак, проявляющийся у гибридов первого поколения или в гетерозиготном состоянии. Преобладающий признак.

Рецессивный признак – подавляемый признак, проявляющийся только в гомозиготном состоянии и не проявляющийся у гибридов первого поколения, но передающийся по наследству.

Аутосомный признак – признак, который определяется геном, расположенным в аутосомах.

Признак, сцепленный с полом – признак, который определяется геном, расположенным в половых хромосомах.

Голандрический признак – признак, который определяется геном, расположенным в Y-хромосоме.

Наследование – передача наследственной информации от родителей потомству.

а) Независимое наследование – свободное комбинирование признаков, гены которых локализованы в разных парах гомологичных хромосом.

б) Сцепленное наследование – совместное наследование признаков, гены которых локализованы в одной хромосоме.

7

в) Сцепленное с полом наследование – наследование признаков,

гены которых локализованы в половых хромосомах.

г) Промежуточное наследование (неполное доминирование) –

проявление в фенотипе гетерозиготной особи промежуточного, по сравнению с гомозиготными родителями, признака.

Скрещивание (гибридизация) – объединение наследственной информации двух клеток.

а) Моногибридное скрещивание – скрещивание организмов, в котором анализ производят по одной паре альтернативных признаков.

б) Дигибридное скрещивание – скрещивание организмов, в котором анализ производят по двум парам альтернативных признаков.

в) Полигибридное скрещивание – скрещивание организмов, в котором анализ производят по многим парам альтернативных признаков.

г) Анализирующее скрещивание – скрещивание особи, генотип которой неизвестен, с гомозиготной по рецессиву особью.

Пенетрантность (степень пробиваемости гена в признак) – частота проявления аллеля определенного гена у разных особей определенной группы организмов.

Экспрессивность – степень фенотипического проявления 1 и того же гена у разных особей определенной группы организмов.

Комплементарность – тип взаимодействия неаллельных генов, при котором развитие признака может определяться не одной, а двумя или более парами неаллельных генов, располагающихся в разных хромосомах.

Полимерия – обусловленность определенного признака несколькими парами неаллельных генов, обладающих одинаковым действием.

Эпистаз (противоположное действие генов) – явление, при котором ген одной аллельной пары (супрессор) в доминантном (доминантный эпистаз) или рецессивном (рецессивный эпистаз – криптомерия, или гипостаз) состоянии может подавлять развитие признака, который контролируется другой парой генов.

Решетка Пеннета – таблица, в которой по горизонтали и вертикали вписываются все возможные генотипы гамет родительских особей, а искомые генотипы потомков находятся в ячейках полученной решетки.

8

Мейоз – способ деления клеток, в результате которого происходит редукция (уменьшение) числа хромосом и переход клеток из диплоидного состояния в гаплоидное.

Митоз – непрямое деление, основной способ деления эукариотических клеток.

Мутации – внезапные, естественные или вызванные искусственно наследуемые изменения генетического материала, приводящие к изменению тех или иных признаков организма.

Популяция – совокупность особей одного вида, скрещивающихся между собой и имеющих определенный ареал обитания.

Панмиксия – свободное скрещивание разнополых особей с разными генотипами в популяции перекрестнооплодотворяющихся организмов.

9

РАЗДЕЛ I

ЗАДАЧИ ПО МОЛЕКУЛЯРНОЙ БИОЛОГИИ

Решение данного типа задач основано на знании центральной догмы молекулярной биологии (рис. 1):

Рис. 1. Центральная догма молекулярной биологии

Она говорит о том, что для осуществления синтеза полипептидов генетическая информация, закодированная в ДНК в составе хроматина, переписывается (процесс транскрипции, происходит в ядре) по принципу комплементарности азотистых оснований на информационную РНК (иРНК или матричная мРНК), которая переходит из ядра в цитоплазму, где принимает участие в процессе трансляции: переводе информации с языка нуклеотидов на язык аминокислот, т. е. процессе синтеза полипептида.

Указанные процессы осуществляются по принципу комплементарности молекул ДНК. Согласно этому принципу, аденин (А) всегда в норме соединяется с тимином (Т) – в ДНК или урацилом (У) в РНК. Гуанин (Г) всегда в норме соединяется с цитозином (Ц). Между А и Т образуются две водородные связи, а между Г и Ц – три. Записывается принцип комплементарности следующим образом:

А – Т (У) Г – Ц

10