Учебное пособие для студентов

РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ ПО МЕДИЦИНСКОЙ ГЕНЕТИКЕ

Ижевск, 2005

Раздел медицинской генетики, в особенности, решение генетических задач, традиционно вызывает затруднения, несмотря на наличие соответствующего раздела в школьной программе. Данное пособие, не претендуя на полный охват всего предмета медицинской генетики, предложено в помощь изучающим этот раздел для более простого и доступного обучения технике решения основных видов генетических задач.

Для правильного решения генетических задач студенту необходимо прежде всего определить, к какому типу относиться предложенная задача. Всего можно условно выделить десять основных типов:

1). Задачи по молекулярной генетике;

2). Задачи на моногибридное скрещивание;

3). Задачи на ди- и полигибридное скрещивание;

4). Задачи на сцепленное наследование, кроссинговер;

5). Задачи на наследование, сцепленное с Х и У-хромосомами;

6). Задачи на понимание понятия «пенетрантность»;

7). Задачи на составление и анализ родословных;

8). Задачи по популяционной генетике (закон Харди-Вайнберга);

9). Задачи на расчет влияния среды и генетических факторов в формировании признака;

10). Комбинированные задачи, которые содержат в себе элементы, относящиеся к разным типам.

Очевидно, что каждый тип задач состоит из нескольких более мелких подтипов, вариантов. Ниже мы рассмотрим наиболее часто встречающиеся из них.

Для лучшего понимания терминалогии и сути решения советуем вначале прочитать теоретические положения, относящиеся к соответствующей теме в базовых учебниках (см. список литературы на стр. 40), в пособиях для поступающих в ВУЗы или иных источниках.

І. ЗАДАЧИ ПО МОЛЕКУЛЯРНОЙ ГЕНЕТИКЕ

Этот тип задач наиболее разнообразен по входящим в него вариантам. Необходимо помнить следующие основные положения:

• ДНК – двуцепочечная молекула, полимер, мономером (структурной единицей) которого является нуклеотид.

• Нуклеотид состоит из:

1) Остатка фосфорной кислоты (через него нуклеотиды соединяются в цепочку) +

2). Дезоксирибозы (углевод, пентоза) +

3). Азотистое основание (может быть пиримидиновое: цитозин (Ц) и тимин (Т), или пуриновое: аденин (А) и гуанин (Г), т.е. всего 4 вида азотистых оснований и как следствие – 4 вида нуклеотидов.

• Одна из нитей ДНК (в которой нуклеотиды соединены связями между 5’ положением атома углерода одного кольца дезоксирибозы и 3’ положением следующего кольца дезоксирибозы (см. рис.1)) является смысловой, т.е. на ней записана генетическая информация, на ней синтезируется мРНК, другая – антисмысловой, она нужна для процессов репарации и репликации (направление связей обратное, 3’- 5’).

• Нити ДНК обращены друг к другу азотистыми основаниями; азотистые основания разных нитей соединены друг с другом попарно при помощи водородных связей: А с Т с помощью двух связей, Г с Ц – с помощью трех. Таким образом, образуются комплементарные пары: А с Т, Г с Ц; против А одной цепи всегда стоит Т другой, а против Г – Ц. Отсюда – правило Чаргаффа:

А=Т; Г=Ц или А+Г‗ 1

Ц+Т

• Две нити ДНК закручены дона вокруг другой и вокруг общей оси в правостороннюю спираль (см. рис.2), 10 пар оснований составляют полный оборот на 360°.

• Расстояние между двумя азотистыми основаниями одной цепочки равно 34 нм, молекулярная масса одного нуклеотида в среднем – 345, одной аминокислоты – 1010.

Рис.1

Рис.2

• РНК отличается от ДНК тем, что:

1). Одноцепочечная молекула;

2). Вместо дезоксирибозы содержит рибозу;

3) Вместо тимина содержит урацил;

4). Так как РНК – одноцепочечная молекула, принцип комплементарности и правило Чаргаффа не выполняются;

5). Бывает трех основных видов: матричные (мРНК), рибосомальные (рРНК), транспортные (тРНК), все виды синтезируются на ДНК.

• мРНК строится на ДНК по принципу комплементарности (процесс называется «транскрипция»), переносит генетическую информацию о строении белка с ДНК в цитоплазму и является там матрицей для синтеза белка (процесс называется «трансляция») (см. рис.3)

• тРНК строится на определенных участках (генах) ДНК, имеет вид «клеверного листа», где различают акцепторное плечо, с которым связывается аминокислота, и антикодоновое плечо, которое узнает кодон (нуклеотидный триплет) в мРНК.

• рРНК входит в состав рибосом, также строится на определенных участках (генах) ДНК.

• Генетический код триплетен, т.е. 3 нуклеотида кодируют 1 аминокислоту, вырожден (одну и ту же аминокислоту может кодировать несколько разных триплетов – синонимов), однозначен (данный триплет всегда кодирует одну, и только одну аминокислоту), неперекрываем (один нуклеотид всегда принадлежит только к одному триплету), универсален (одинаков для всех живых организмов на Земле).

NB! Таблица генетического кода составлена для мРНК, т.к. именно на ней синтезируется белок!

• Три кодона – УАА, УГА и УАГ – это кодоны-терминаторы, стоп-сигналы, означают окончание синтеза белка, они не кодируют аминокислот, нет тРНК с соответствующими антикодонами; кодон АУГ, если он стоит вначале цепи мРНК, инициирует

Рис.3

Рис.4

считывание, и также не кодирует в этом случае аминокислоту, в других положениях он кодирует метионин.

***

ПРИМЕРЫ ЗАДАЧ:

1. Дан участок ДНК (антисмысловая цепь): ГТТЦЦГААА. Написать соответствующую ему вторую цепь ДНК, мРНК, антикодоны тРНК, последовательность аминокислот (полипептид).

Решение: В данном случае необходимо использовать известный нам принцип комплиментарности:

ГТТ ЦЦГ ААА – антисмысловая цепь

ЦАА ГГЦ ТТТ – смысловая цепь

ГУУ ЦЦГ ААА - мРНК

ЦАА ГГЦ УУУ – антикодоны тРНК

Валин-пролин-фенилаланин – полипептид (короткий белок) –

для написания полипептида воспользуйтесь таблицей генетического кода в учебнике или справочнике, помните, что она составлена для мРНК!

Аналогичным образом решаются и обратные задачи, когда по мРНК надо написать ДНК, по полипептиду – мРНК, ДНК. В последнем случае надо помнить, что в большинстве случаев одну и ту же аминокислоту могут кодировать несколько разных триплетов (вырожденность ген. кода), и, следовательно, мы можем написать лишь один из возможных вариантов мРНК, ДНК.

2. Какова длина этого участка ДНК (ГТТЦЦГААА) в нм?

Решение: Поскольку 1 нуклеотид занимает 34 нм по длине цепи ДНК, то длина всего участка равна 9 х 34 =306 нм.

3. Участок полипептида представлен следующими аминокислотами:

-серин-метионин-тирозин-валин-аланин-

Какое количество нуклеотидов входит в состав отрезка ДНК, кодирующего этот участок?

Решение: Поскольку 1 аминокислоту кодируют 3 нуклеотида, то:

5 х 3 = 15 нуклеотидов

В данном случае речь идет о участке полипептида, а не о целом полипептиде с «началом» и «концом», следовательно нет необходимости учитывать кодон-инициатор (АУГ) и кодон-терминатор. Однако 15 нуклеотидов – это только нуклеотиды одной смысловой цепи, необходимо учитывать и вторую цепь ДНК:

15 х 2 = 30 нуклеотидов.

4. Молекула инсулина состоит из 51 аминокислотного остатка. Сколько нуклеотидов несет участок ДНКЮ, кодирующий данный белок?

Решение: 1аминокислоту кодируют 3 нуклеотида, значит:

51 х 3 = 153 нуклеотида

Поскольку инсулин – это целый белок, значит, в кодирующий его участок входит кодон-инициатор и кодон-терминатор:

153 + 3 + 3 = 159 нуклеотидов – это в одной цепи, а в двух:

159 х 2 = 318 нуклеотидов.

5. По данным исследований некая мРНК содержит 28% гуанина из общего количества нуклеотидов и 32% цитозина. Определить процентный состав азотистых оснований соответствующей двуцепочечной ДНК.

Решение: Так как мРНК синтезируется по принципу комплементарности на смысловой цепи ДНК, то, соответственно, смысловая цепь ДНК содержит 28% цитозина и 32% гуанина, а в целом – 28% + 32% = 60% того и другого. Другая, антисмысловая цепь ДНК комплементарна смысловой, и, значит, также содержит 60% гуанина и цитозина (вместе). А значит и вся ДНК целиком содержит 60% гуанина и цитозина вместе. Т.к. по правилу Чаргаффа Г = Ц, то 60% / 2 = 30%, т.е. по 30% на гуанин и цитозин в двуцепочечной ДНК. Тогда на долю аденина и тимина приходится: 100% - 60% = 40%, а на каждый 40% / 2 = 20% (т.к. А = Т).

6. Некий белок имеет молекулярную массу, равную 2000. какова масса гена (двух цепей ДНК), кодирующего этот белок?

Решение: Поскольку масса 1 аминокислоты в среднем 100, то белок состоит из:

2000 / 100 = 20 аминокислот

Каждая аминокислота кодируется 3 нуклеотидами, следовательно:

20 х 3 = 60 нуклеотидов

Т.к. речь идет о целом белке, то в гене, кодирующем его есть кодон-инициатор и кодон-терминатор, которые не кодируют аминокислот, значит:

60 + 3 + 3 = 66 нуклеотидов.

Т.к. ДНК двуцепочечная, то 66 х 2 = 132 нуклеотида. Масса 1 нуклеотида в среднем 345, значит масса всех:

132 х 345 = 45540

ІІ. ЗАДАЧИ НА МОНОГИБРИДНОЕ СКРЕЩИВАНИЕ

Моногибридное скрещивание – это такое, при котором во внимание принимается только 1 признак (развитие которого обусловлено одной парой аллельных генов).

Для решения задач на моногибридное скрещивание необходимо хорошо представлять изменения, происходящие с генетическим материалом в процессе митоза, и, главное, мейоза. Надо помнить следующее:

• При митозе в анафазе происходит расхождение к полюсам клетки хроматид (дочерних хромосом), которые абсолютно (в норме) идентичны друг другу, т.к. образовались в процессе репликации ДНК из одной (по принципу комплементарности). В результате дальнейшего разделения цитоплазмы образуются 2 клетки, в генетическом плане абсолютно идентичные друг другу и материнской клетке.

• Начиная с зиготы (клетка, образующаяся в результате слияния половых клеток) подавляющее большинство клеток делится митозом. За счет этого организм растет, происходит регенерация (восстановление утраченных, погибших клеток). Т.е. практически все соматические клетки (все клетки организма за исключением половых) имеют одинаковый генетический материал (см. рис.5).

Рис.5

• Мейоз – способ деления клеток, который связан с процессом созревания половых клеток (гамет). Состоит мейоз из двух последовательных делений – редукционного и эквационного.

• Во время первого деления (редукционного, мейоз-І) в профазе происходит коньюгация гомологичных хромосом (сближение их по длине) и кроссинговер (обмен идентичными участками между гомологичными хромосомами).

• В анафазе первого деления мейоза расходятся не хроматиды, а гомологичные хромосомы, т.е. происходит редукция (уменьшение) числа хромосом. Гомологичные хромосомы – это такие, которые сходны по морфологическим признакам (одинаковые размеры, форма, положение первичной перетяжки (центромеры) и.т.д.) и содержащие гены, отвечающие за одни и те же признаки (аллельные гены). Например, цвет глаз, форма ушной раковины и.т.д. Аллельные гены всегда занимают одинаковые места (локусы) в гомологичных хромосомах. Одна из гомологичных хромосом (а значит один из аллельных генов) достается организму от отца, а другая (и другой аллельный ген) – от матери. У человека 46 хромосом, т.е. 23 пары гомологичных.

• В одном организме, в паре его гомологичных хромосом гены, отвечающие за один и тот же признак (аллельные гены) могут быть в одинаковом состоянии (одинаковые аллели), например:

карий цвет глаз голубой цвет глаз

гомозиготные организмы

А могут быть в разном состоянии, например:

карий цвет глаз голубой цвет глаз

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: