Занятие 8 молекулярные основы наследственности

ТЕМА 3

ЗАНЯТИЕ 8

МОДЕЛИРОВАНИЕ СИНТЕЗА НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ, ГЕННОГО КОНТРОЛЯ
ПЕРВИЧНОЙ СТРУКТУРЫ БЕЛКОВ В НОРМЕ И ПРИ МУТАЦИЯХ

Цель занятия. Изучить строение и особенности синтеза нуклеиновых кислот: графическое моделирование матричного синтеза белка и механизма возникнове­ния мутаций.

Материалы и оборудование. Схемы, таблицы.

Содержание занятия. Комплементарность азотистых оснований в молекуле ДНК. Нуклеиновые кислоты со­держатся в клетках в двух видах — в виде рибонуклеиновой кисло­ты (РНК), находящейся как в цитоплазме, так и в ядре, и в виде дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), содержащейся в ос­новном в хромосомах и являющейся материальной основой на­следственности. Нуклеиновые кислоты — макромолекулярные вещества: молекулярная масса РНК нередко превышает 1 млн, а у ДНК достигает 100—200 млн.

Молекула РНК представляет собой длинную цепь, состоящую из последовательно расположенных звеньев — нуклеотидов. Ве­щества с таким строением называют линейными полимерами, а входящие в состав цепи звенья — мономерами. Следовательно, РНК — линейный полимер, мономерами которого являются нук­леотиды.

Нуклеотид состоит из трех компонентов — остатка фосфорной кислоты (фосфата), пятиатомного сахара — рибозы (Р) и одного из четырех азотистых оснований: аденина (А), гуанина (Г), цито­зина (Ц) и урацила (У). Упрощенно структура РНК приведена ниже:


На приведенной схеме изображен участок молекулы РНК, со­стоящей из пяти нуклеотидов (первый нуклеотид находится внут­ри квадрата). Вся же полимерная молекула РНК состоит из сотен или тысяч последовательно соединенных нуклеотидов.

Молекула РНК состоит из остова (регулярно чередующихся фосфата и рибозы) и ответвляющихся от остова азотистых основа­ний (А, Г, Ц, У). Идентичность остовов РНК всех видов использу­ется для демонстрации строения молекул РНК более простой мо­делью, в которой рибозо-фосфатный остов изображен прямой ли­нией:

Молекула ДНК тоже состоит из нуклеотидов; последние отли­чаются от нуклеотидов РНК тем, что в их состав вместо рибозы входит дезоксирибоза (Д), а вместо урацила — тимин (Т). Кроме того, молекула ДНК состоит из двух связанных между собой по­линуклеотидных цепей, скрученных в виде спирали. В раскру­ченном виде участок молекулы ДНК может быть представлен так:

Остов, образованный двумя цепями, в которых регулярно повторяются группы фосфата и дезоксирибозы, при моделиро­вании также заменяют прямой линией. Комплементарным ос­нованием для тимина (Т) служит аденин (А), для гуанина (Г) — цитозин (Ц):

Задание 1. Участок полимерной молекулы РНК содержит азотистые основания, расположенные в последовательности: Ц Г Г А Ц Ц А Г Ц.

Представьте в виде графической модели расположение в моле­куле РНК фосфатных, рибозных групп и азотистых оснований. Авторепродукция происходит в интерфазной стадии митоза.

Задание 2. Изобразите графически модель строения молекулы ДНК, содержащей в одной из полинуклеотидных цепей азотистые основания в последовательности, приведенной в первом задании.

Задание 3. Изобразите графически модели строения молекул ДНК с приведенными ниже последовательностями азотистых осно­ваний в одной из полинуклеотидных цепей: а) Т А Г А Ц Ц А Т;

б) Г Г Т А А Ц Ц А; в) Ц Т А Ц Т А Г Г.

Задание 4. Подсчитайте отдельно число четырех видов азоти­стых оснований в двойной цепи молекулы ДНК, исходя из при­веденных ниже последовательностей оснований в одной из ее цепей: а) Т Т Ц А Т Г Т Т Г А Т; б) А Г Ц Г Ц Т Ц Ц Г А Т Г Ц;

в) А Г Ц Г А Г Г Ц Т Ц Ц А Г Ц.

Чему равно отношение комплементарных оснований (А/Т и Г/Ц) в молекуле? Распространяется ли выявленное вами правило соот­ношения комплементарных оснований на некомплементарные (например, Т/Ц к Г/А)?

Задание 5. Вирус ФХ 174 паразитирует в кишечной палочке. Вирусные частицы, выходящие после распада бактериальной клетки во внешнюю среду, имеют одноцепочную ДНК (плюс­цепь). После заражения новых бактериальных клеток на плюс­цепи достраивается по принципу комплементарности минус — цепь, и вирусная ДНК приобретает двухцепочное строение.

Изобразите графически модель минус-цепи вируса, образую­щейся при заражении бактерий вирусом, с нижеприведенны­ми последовательностями азотистых оснований в плюс-цепи: а) Т Ц А Ц Ц А Г Т; б) Ц Г Т А А Ц Т А.

Графическое моделирование авторепродукции ДНК. Молекула ДНК способна к авторепродукции (самовоспро­изведению), при которой она воспроизводит две молекулы с той же самой уникальной последовательностью пар азотистых основа­ний; авторепродукция происходит в интерфазе митоза (рис. 17).

Спираль родительской ДНК раскручивается, и комплементар­ные цепи отделяются одна от другой в результате разрыва слабых водородных связей между комплементарными основаниями. По­линуклеотидные цепи ДНК не разрываются благодаря прочности их фосфодиэфирных связей. Происходит спаривание между осно­ваниями матричной цепи и свободными нуклеозидтрифосфатами, последние связываются друг с другом, образуя новую полинуклео­тидную цепь. Таким образом, получаются две идентичные моле-

кулы ДНК. В разделении родительской цепи и образовании новой полинуклеотидной цепи участвует фермент ДНК-полимераза, но, по всей вероятности, на репликацию оказывают влияние также и другие ферменты.

Метод моделирования позволяет представить процесс фор­мирования идентичных молекул ДНК в ядрах клетки. Первый этап — двойная нуклеотидная цепь молекулы ДНК распадается на две одиночные цепи. Второй этап — присоединение комплемен-

тарных свободных нуклеотидов к одиночным цепям — достраива­ется вторая нуклеотидная цепь:

Задание 6. Даны три последовательности оснований в одной из цепей молекул ДНК: а) А Г А Г А Г А Г; б) А Г Ц Т А Г Ц Т; в) Ц Ц Г А Т А Ц Г.

Изобразите модель последовательности азотистых оснований в двухцепочной молекуле ДНК; модели двух одноцепочных поли­нуклеотидных цепей, возникающих при расхождении исходной цепи; модели двух двухцепочных молекул, возникающих в резуль­тате достройки комплементарных цепей.

Задание 7. Участки молекул ДНК содержат азотистые основа­ния в приведенной ниже последовательности:

В предлагаемом эксперименте авторепродукция ДНК происходит в среде с мечеными нуклеотидами. Дочерние молекулы вновь оставляют в среде с мечеными нуклеотидами и получают вторую генерацию.

Изобразите графически строение исходной (не меченной ра­диоактивным углеродом) молекулы ДНК и молекул первой и вто­рой генераций. В какой генерации возникают молекулы, состоя­щие полностью из меченых нуклеотидов?

Графическое моделирование матричного син­теза информационной РНК (иРНК). В период интерфазы митоза на ДНК образуются молекулы информационной РНК, ко­торая служит матрицей для синтеза белков (отсюда ее называют также матричной РНК). Возникая на хромосомах ядра, эти моле­кулы поступают в цитоплазму и участвуют в биосинтезе белков. иРНК — полимер, состоящий из нуклеотидов четырех типов:

В молекуле иРНК нуклеотиды образуют одиночную цепь (в от­личие от двойной цепи ДНК). В целом молекула иРНК состоит из сотен нуклеотидов. Несмотря на общность строения, этим моле­кулам присуща индивидуальность, обусловленная различием в че­редовании азотистых оснований.

Матричный синтез может быть представлен следующей моде­лью: двойная цепь молекулы ДНК в области определенного струк­турного гена расходится, образуя две одиночные цепи, одна из них становится матрицей для синтеза иРНК. Вторая в этом про­цессе не участвует. По мере расхождения матричная цепь ДНК присоединяет комплементарные рибонуклеотиды. При этом ком­плементарными служат пары: Г—Ц, Ц—Г, Т—А, А—У (в отличие от процесса авторепродукции ДНК при синтезе иРНК компле­ментарным для аденина служит не тимин, а урацил).

Принцип комплементарности обусловливает строго опреде­ленную последовательность нуклеотидов в синтезируемой моле­куле иРНК, которая, отделяясь от матрицы, поступает из ядра в цитоплазму. Модель синтеза иРНК на матричной цепи ДНК вы­глядит следующим образом:


Задание 8. Участки полинуклеотидных цепей структурных ге­нов, являющиеся матрицами для синтеза иРНК, имеют последо­вательности нуклеотидов:

Смоделируйте и представьте графически синтез иРНК на этих матрицах.

Задание 9. Представьте графические модели синтезируемых молекул иРНК на матричных участках полинуклеотидных цепей (а, б, в) структурных генов.

Моделирование первичной структуры белков. Несмотря на многообразие белков, их молекулы имеют единый план строения. Как и нуклеиновые кислоты, они являются линей­ными полимерами, но мономерами для белков служат не нуклео­тиды, а аминокислотные остатки. В состав белковой молекулы может входить до 20 различных аминокислот.

Аминокислоты могут соединяться друг с другом и образовывать полипептидную цепь. Молекула белка представляет собой одну или несколько связанных между собой полипептидных цепей. Для каждого из белков характерна совершенно определенная последо­
вательность аминокислотных остатков в полипептидных цепях, чем во многом и обусловливаются свойства данного белка. После­довательность, или порядок расположения, аминокислотных ос­татков называют первичной структурой белка. Первичную структу­ру можно смоделировать различными способами. Для понимания изучаемого явления — генного контроля биосинтеза белков — можно воспользоваться простейшим видом моделирования, при котором последовательность аминокислотных остатков в поли­пептидной цепи белка изображают в виде цепочки из условных обозначений аминокислот.

Задание 10. Молекула инсулина (гормон поджелудочной желе­зы) состоит из двух связанных между собой полипептидов А и В. У крупного рогатого скота, овец и лошадей первые семь амино­кислотных остатков полипептида А расположены в одинаковой последовательности: глицин, изолейцин, валин, глутаминовая кислота, вновь глутаминовая кислота, цистеин и еще раз цистеин. Восьмая и девятая аминокислоты у них различны: у крупного ро­гатого скота — аланин и серин; у овец — аланин и глицин; у лоша­дей — треонин и глицин.

Изобразите в виде модели первичную структуру участка из де­вяти аминокислотных остатков молекулы А-цепи инсулина у этих животных.

Графическое моделирование роли иРНК как матрицы для синтеза белка. Биосинтез белков осуществ­ляется с помощью синтезирующей системы клетки. В нее входят: аминокислоты, из которых синтезируется полимерная молекула белка; источник энергии (АТФ); специфические ферменты; раз­личные виды РНК; клеточные органоиды — рибосомы, на кото­рых осуществляется синтез.

Каждый организм синтезирует белки, обладающие видовой и тканевой специфичностью. Они отличаются от белков организмов других видов определенной первичной структурой, последова­тельностью аминокислотных остатков в полипептидных цепях.

Роль механизма, обусловливающего последовательность соеди­нения 20 видов аминокислот при синтезе белка, выполняет моле­кула иРНК, служащая матрицей (кодом) для синтеза белка.

Азотистые основания записывают символами (А, Г, Ц, У). Со­четания из трех последовательно расположенных оснований (триплет оснований) в молекуле иРНК служат кодовым словом (кодоном), кодирующим определенную аминокислоту. Например, триплет урацилов (УУУ) кодирует аминокислоту фенилаланин, триплет УЦА — аминокислоту серин. Многие аминокислоты ко- даруются несколькими триплетами. Например, аминокислота ти­розин кодируется двумя триплетами — УАУ и УАЦ, а лейцин — шестью триплетами — УУА, УУГ, ЦУУ, ЦУЦ, ЦУА, ЦУГ. Из 64 существующих триплетов 61 является кодовым для аминокислот, а три служат сигналами окончания синтеза полипептидной цепи белка.

Последовательность триплетов в молекуле иРНК определяет последовательность аминокислотных остатков в синтезируемой на данной матрице молекуле белка. Модель участка молекулы иРНК, состоящего из трех триплетов (9 оснований), кодирующих участок полипептидной цепи, состоящей из трех аминокислот, выглядит следующим образом:

Задание 11. Смоделируйте первичные структуры участков бел­ковых молекул, синтезируемых на иРНК, с последовательностями азотистых оснований:

Генный контроль биосинтеза белков. Графи­ческое моделирование. Структурные гены организмов, яв­ляющиеся участками молекул ДНК, находятся в хромосомах кле­точного ядра. Гены отличаются друг от друга последовательностью азотистых оснований (А, Г, Ц, Т), в которой заключена генетиче­ская информация о первичной структуре белков, синтезируемых данным организмом.

Генный контроль биосинтеза белка осуществляется через ин­формационную РНК. В процессе синтеза иРНК происходит транскрипция (считывание) последовательности азотистых осно­ваний гена, которая отражается в последовательности оснований синтезируемой молекулы иРНК. Поступая в цитоплазму на рибо­сомы, иРНК становится матрицей для синтеза белка. При этом она транслирует (передает) информацию гена синтезируемому белку:

Передача информации от гена не заканчивается белками. Синтезированный белок может обладать ферментативной актив­ностью. В таком случае он катализирует определенную биохими­ческую реакцию, которая в его отсутствие не происходит. Биохи­мические реакции лежат в основе развития наследственных при­знаков организма. В итоге каждый ген через ряд ступеней определяет развитие того или иного признака. Процесс происхо­дит по схеме

Задание 12. Смоделируйте процессы транскрипции и трансля­ции наследственной информации от гена к белку по матричной цепи (а, б, в) молекулы ДНК, учитывая комплементарность осно­ваний и кодирования аминокислот: а) А А А Ц Ц Ц Т Т Т Г Г Г;

б) Г Г А Т Ц А Т А Г Г Ц А; в) Т Г Ц Т А Ц А Ц А Г Г А.

Задание 13. Составьте модели транскрипции и трансляции ин­формации гена на белок для случаев, когда полинуклеотидная цепь ДНК, комплементарная матричной цепи, содержит после­довательность азотистых оснований: а) Т Т Т Г Г Г А А А Ц Ц Ц; б) Т Ц А Ц Т Т Ц А Т Г Т А; в) А Г Ц Ц Т Ц А Г Г А Т Т.

Задание 14. Бактериофаг, паразитирующий в кишечной па­лочке, содержит одноцепочную ДНК (плюс-цепь). После вне­дрения в бактериальную клетку молекула ДНК достраивает ком­плементарную минус-цепь. Последняя становится матрицей для синтеза иРНК и контролирует синтез белковой оболочки бакте­риофага.

Составьте модель транскрипции и трансляции информации гена при условии, что участок плюс-цепи фага содержит азоти­стые основания, расположенные в последовательности: а) Г Т А Т А Ц Г Г Г А Т А; б) Т Г Г А Ц Г Ц Ц Т А Т Ц; в) Ц А Г Г Ц А Ц Ц Т Г А Т.

Моделирование изменения генетической ин­формации при мутации гена. Гены характеризуются вы­сокой стабильностью. При авторепродукции гена возникают два гена с той же последовательностью азотистых оснований. В от­дельных случаях (при «ошибках» авторепродукции или под влия­нием мутагенных факторов) происходят мутации гена. В частно­сти, в опытах Ф. Крика на бактериофагах установлено, что генная мутация может выражаться в замене одного из нуклеотидов дру­гим, в выпадении или добавлении нуклеотида на каком-нибудь участке (сайте) гена. Мутировавший ген несет измененную на­следственную информацию.

Модель структурного гена с регулярным чередованием трех азотистых оснований (ЦАГ) выглядит следующим образом:

Из двух полинуклеотидных цепей молекулы ДНК роль матри­цы для синтеза иРНК выполняет лишь одна из них.

При мутации, например, замены одного из нуклеотидов, про­исходит изменение генетической информации, затрагивающее лишь один из аминокислотных остатков в молекуле белка. На схе­ме показано изменение в первичной структуре белка, вызван­ное мутацией замены основания в четвертом нуклеотиде гена (Ц на Т). Если белок, синтезируемый нормальным геном, яв­ляется ферментом, то мутации такого рода в одних случаях не из­меняют, в других — снижают активность фермента.

Мутации в виде выпадения (минус-мутации) и добавления (плюс-мутации) вызывают сдвиг в считывании триплетов. В результате­

этого первичная структура кодируемого геном белка ис­пытывает изменения во всех звеньях полипептидной цепи после мутантного сайта. Такие изменения приводят к полной инактива­ции ферментов.

Задание 15. Участки «нормальных» генов в матричной поли­нуклеотидной цепи имеют последовательности оснований:

Изобразите первичную структуру участка белковой молекулы, контролируемой «нормальным» геном, а также смоделируйте пер­вичную структуру белка, если произойдет мутация замены основа­ния И на А в пятом нуклеотиде. Какое число аминокислотных ос­татков изменилось при данной мутации?

Задание 16. Изобразите первичную структуру участка белковых молекул (по заданию 15) в случае минус-мутации гена выпадения пятого нуклеотида. Какое число аминокислотных остатков изме­нилось в рассматриваемом участке молекулы? Изменится ли пер­вичная структура белковой молекулы за пределами рассматривае­мого участка?

Задание 17. При мутации приведенных выше «нормальных» ге­нов произошло добавление нуклеотида с основанием И после тре­тьего нуклеотида.

Изобразите первичную структуру участка белковых молекул, контролируемых «нормальным» и мутантным генами. Из какого числа аминокислотных остатков будет состоять молекула, контро­лируемая первым из трех моделируемых мутантных генов?

Название книги — Практикум по ветеринарной генетике

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *