Раздел II. освоение практических навыков

ЗАНЯТИЕ 1. Вопросы молекулярной генетики.

Цель: Изучить закономерности молекулярной генетики.

Основные вопросы темы:

1. Структура и функции нуклеиновых кислот (строение молекул ДНК и РНК, репликация ДНК, генетический код и этапы реализации генетической информации).

2. Доказательство роли нуклеиновых кислот в передаче наследственной информации. Трансформация, трансдукция, конъюгация и лизогения.

3. Механизм регуляции генной активности у про - и эукариот.

4. Методы генной инженерии. Клонирование.

Оснащение занятия:Таблицы: трансформация ДНК, схема генной регуляции, схема синтеза белка, ауторедупликация ДНК, генетический код, структура ДНК и РНК.

Ход занятия:

1. Устный опрос по теме для выявления базового уровня знаний

2. Разбор нового материала с помощью таблиц и макетов.

3. Решение задач (список прилагается)

4. Тестовый опрос.

Задачи

1. В препаратах ДНК, выделенной из клеток туберкулезных бактерий, содержание аденина составило 15,1% общего количества оснований. Определите примерное количество гуанина, тимина и цитозина в ДНК.

2. При анализе нуклеотидного состава ДНК бактериофага ЛПЗ было обнаружено следующее количественное соотношение азотистых оснований: А – 23%, Г – 21%, Т – 36%, Ц – 20%. Как можно объяснить причину того, что в этом случае не соблюдается принцип эквивалентности, установленный Чаргаффом?

3. Проанализируйте данные, приведенные в таблице, и рассчитайте показатели А/Т, Г/Ц и (А+Т)/(Г+Ц), заполнив соответствующие колонки таблицы. Оцените значение полученных вами результатов в плане обоснования принципа комплементарности при построении модели молекулы ДНК и видовой специфичности ДНК.

Содержание азотистых оснований нуклеотидов ДНК

(%) и их соотношения у организмов разных видов

Организмы	А	Г	T	Ц	A/T	Г/Ц	(А+Т)/(Г+Ц)
Кишечная палочка Дрожжи Пшеница Курица Крыса Человек	24,7 31,3 27,3 28,8 28,6 30,9	26,0 18,7 22,7 20,5 21,4 19,9	23,6 32,9 27,1 29,2 28,4 29,4	25,7 17,1 22,8 21,5 21,5 19,8

4. Изучите диаграммы («лестничные» схемы), изображающие структуру фрагментов трех разных молекул ДНК (А, В, С). Стороны такой «лестницы» изображают сахарофосфатный «остов» («каркас») молекулы, а «ступеньки» образованы парами комплементарных азотистых оснований (А-Т и Г-Ц). Помеченные стрелками края обозначают 5'-фосфаты:

а) проанализируйте нуклеотидный состав фрагментов А, В, С, определив показатели А/Т, Г/Ц, (А + Т)/(Г + Ц);

б) обратите внимание на то, что фрагменты В и С имеют одинаковое суммарное число пар комплементарных оснований, но вместе с тем отличаются один от другого специфичностью чередования этих пар (имеют разные нуклеотидные последовательности). Дайте свою оценку этого обстоятельства;

в) составьте собственные диаграммы двух фрагментов двухцепочечной ДНК, каждый из которых содержит по 15 пар нуклеотидов с соотношением (А+Т)/(Г +Ц) = 2, но отличается от другого специфичностью нуклеотидной последовательности.

Структура фрагментов трех условных молекул ДНК («лестничные» модели)

5. Определите направление синтеза и нуклеотидную последовательность каждой из двух дочерних нитей, которые возникнут при репликации приведенного ниже двухцепочечного фрагмента ДНК. Постройте на каждой новой цепи ДНК мРНК, напишите последовательность антикодонов тРНК, последовательность аминокислот кодируемого белка:

3' -А- Г- Т- Ц- Т- Т- Г- Ц- А- 5'

5' -Т- Ц- А- Г- А- А-Ц- Г- Т- 3'

6. Известно, что при репликации ДНК в клетках бактерий скорость полимеризации составляет примерно 500 нуклеотидов в 1 с, тогда как в клетках млекопитающих — около 50 нуклеотидов в 1 с:

а) сделайте расчет времени, необходимого для полного копирования однорепликонной молекулы ДНК бактериального вируса (бактериофага) среднего размера, содержащей 3·104 пар нуклеотидов;

б) проведите аналогичный расчет для молекулы ДНК одной из хромосом человека, содержащей примерно 108 пар нуклеотидов, при условии, что такая молекула представляла бы собой всего лишь один репликон.

7. В порядке самоконтроля полученных вами знаний о механизме репликации ДНК эукариот внесите необходимую информацию в соответствующие незаполненные колонки таблицы.

Белки (ферменты), функционирующие в вилке репликации

Название белков	Выполняемые функции	В каком этапе репликации принимают участие
Геликаза
Гираза
Дестабилизирующие белки
ДНК-полимеразы (I, III)
Лигаза
РНК-праймаза
Топоизомераза

8. Определите возможное число информационных триплетов в участке молекулы ДНК, состоящей из 360 пар нуклеотидов, и в молекуле РНК, содержащей 300 нуклеотидов.

9. Рассчитайте число аминокислот в полипептидной цепочке, кодируемой мРНК, состоящей из 180 нуклеотидов. Сделайте аналогичный расчет для фрагмента молекулы ДНК, содержащего 300 пар нуклеотидов.

10. Определите, каким числом триплетов мРНК записана информация о полипептиде, состоящем из 900 аминокислотных остатков, и каково число нуклеотидов в соответствующем участке кодирующей нити ДНК.

11. Проанализируйте возможности изменений в структуре синтезируемого полипептида при возникновении следующих мутационных изменений структуры одного из информационных триплетов молекулы мРНК:

а) замена триплета ААА на триплет АГА;

б) замена ЦУЦ на ЦУУ;

в) замена ГГЦ на ГУЦ;

г) замена УУА на УУГ;

д) замена УУА на УГА;

е) замена УАА на УАЦ.

12. Сформулируйте аргументы для обоснования эволюционного смысла отличий генетического кода ДНК митохондрий и кода хромосомной ДНК эукариотической клетки (в плане теории эндосимбионтногo происхождения митохондрий).

13. Объясните причину ситуации, при которой ген эукариотической клетки, занимающий участок ДНК размером в 2400 пар нуклеотидов, кодирует полипептид, состоящий из 180 аминокислотных остатков.

14. Фрагмент молекулы ДНК имеет следующую нуклеотидную последовательность:

3´ЦТААГАЦТГАГТААЦГТЦ-5'

5´-ГАТТЦТГАЦТЦАТТГНЛГ-3'

Определите ориентацию и нуклеотидную последовательность мРНК, синтезируемой на указанном фрагменте ДНК, и аминокислотную последовательность кодируемого ею полипептида.

15. Можно ли однозначно определить нуклеотидную последовательность мРНК и комплементарной ей нити ДНК, если известна аминокислотная последовательность кодируемого ими полипептида? Дайте обоснование своего ответа.

16. Запишите все варианты фрагментов мРНК, которые могут кодировать следующий фрагмент полипептида: Фен-Мет-Цис.

17. Какие аминокислоты могут транспортировать к рибосомам тРНК антикодонами: АУГ, ААА, ГУЦ, ГЦУ, ЦГА, ЦУЦ, УАА, УУЦ?

18. Для обоснования структурной организации лактозного оперона Ф. Жакоб и Ж. Моно получили и проанализировали большое число мутантов Е. соli с различными нарушениями в синтезе ферментов, обеспечивающих утилизацию лактозы. Определите характер возможных нарушений в случае следующих мутаций:

а) произошла мутация в гене-регуляторе, которая привела к стабильной инактивации белка-репрессора;

б) возникла мутация в операторе, что делает невозможным прикрепление к нему активного белка-репрессора, но при этом не нарушены функции РНК-полимеразы;

в) мутационное изменение в нуклеотидной последовательности промотора, узнаваемой РНК-полимеразой, исключает возможность специфического прикрепления этого фермента;

г) мутация в Z-гене привела к инактивации кодируемого им фермента, тогда как другие структуры оперона не изменились;

д) произошла аналогичная мутация в Y –гене;

е) возникла мутация в промоторном участке, сделавшая невозможным прикрепление к нему белка-активатора.

ЗАНЯТИЕ 2. Закономерности наследования признаков. Внутриаллельные отклонения от законов наследования.

Цель: Изучить примеры взаимодействий аллельных генов.

Основные вопросы темы:

1. Гибридологический метод Г. Менделя

2. Законы Г. Менделя и условия их проявления.

3. Анализирующее, возвратное и реципрокное скрещивание.

4. Экспрессивность, пенетратность.

5. Отклонения от законов Г. Менделя: неполное доминирование, сверхдоминирование, кодоминирование, множественный аллелизм, аллельное исключение, летальные гены, плейотропия, сцепленное наследование.

6. Наследование групп крови человека, значение в медицине, судебной экспертизе и антропологии.

7. Резус-система. Механизм наследования. Понятие о резус-несовместимости.

Оснащение занятия: Таблицы: моногибридное скрещивание; дигибридное скрещивание; неполное доминирование; резус-несовместимость; группы крови; определение отцовства; овцы с ушами разной длины; множественные аллели; андалузские куры; фиалки; плейотропия; мутации у дрозофилл по окраске глаз.

Ход занятия:

1. Тестовый опрос для выявления конечного уровня знаний по предыдущей теме.

2. Устный опрос по новой теме для выявления базового уровня знаний

3. Разбор нового материала.

4. Решение задач (список прилагается)

Задачи

1. Женщина с карими глазами выходит замуж за кареглазого мужчину, оба родителя которого также кареглазы. От этого брака родился один голубоглазый ребенок. Определите генотипы всех членов семьи исходя из предположения о моногенном контроле окраски глаз у человека.

2. Предполагается, что у человека кудрявые волосы – доминантный признак. В семье трое детей: девочка Катя с прямыми волосами и два мальчика – Саша с прямыми волосами и кудрявый Миша. У матери этих детей и у ее отца волосы кудрявые, у отца детей волосы прямые. Определите генотипы всех членов семьи.

3. У человека ген полидактилии доминирует над нормальным строением кисти. 1. Определите вероятность рождения шестипалых детей в семье, где оба родителя гетерозиготны. 2. В семье, где один из родителей имеет нормальное строение кисти, а второй – шестипалый, родился ребенок с нормальным строением кисти. Какова вероятность рождения следующего ребенка тоже без аномалии?

4. Поздняя дегенерация роговицы (развивается в возрасте после 50 лет) наследуется как доминантный аутосомный признак. Определите вероятность появления заболевания в семье, о которой известно, что бабушка и дедушка по линии матери и все их родственники, дожившие до 70 лет, страдали указанной аномалией, а по линии отца все предки были здоровы.

5. Альбинизм – рецессивный признак. Талассемия – наследственное заболевание крови, обусловленное действием одного гена. В гомозиготе вызывает наиболее тяжелую форму заболевания – большую талассемию, обычно смертельную в детском возрасте (tt). В гетерозиготе проявляется менее тяжелая форма – малая талассемия (Tt). Ребенок-альбинос страдает малой талассемией. Каковы наиболее вероятные генотипы его родителей?

6. Голубоглазый правша женился на кареглазой правше. У них родилось двое детей: кареглазый левша и голубоглазый правша. От второго брака этого мужчины с другой кареглазой правшой родилось 9 кареглазых детей, все правши. Каковы наиболее вероятные генотипы всех трех родителей? Определите вероятность гетерозиготности второй женщины.

7. Одна из форм цистинурии наследуется как аутосомный рецессивный признак. Но у гетерозигот наблюдается лишь повышенное содержание цистина в моче, у гомозигот – образование цистиновых камней в почках. Определите возможные формы проявления цистинурии у детей в семье, где один супруг страдал этим заболеванием, а другой имел лишь повышенное содержание цистина в моче.

8. У матери группа крови 0, у отца АВ. Могут ли дети унаследовать группу крови одного из своих родителей? Какие группы крови могут быть у детей этих родителей?

9. От брака между мужчиной с четвертой группой крови и женщиной со второй группой крови родилось трое детей с третьей, четвертой и первой группами крови. Определите генотипы родителей и детей. Нет ли в этом сообщении чего-либо, вызывающего сомнение?

10. У матери первая группа крови, у отца третья. Могут ли дети унаследовать группу крови матери? Каковы генотипы матери и отца?

11. Мужчина, имеющий первую группу крови, женился на женщине со второй группой крови. У отца жены была первая группа крови. Какова вероятность, что дети от этого брака будут иметь первую, вторую группы крови?

12. В родильном доме в одну ночь родились четыре младенца, имевшие группы крови 0, А, В и АВ. Группы крови четырех родительских пар были: I пара – 0 и 0; II пара – АВ и 0; III пара – А и В; IV пара – В и В. Четырех младенцев можно с полной достоверностью распределить по родительским парам. Как это сделать? Каковы генотипы всех родителей и детей?

13. Можно ли исключить отцовство, если мать имеет группу крови А, а ребенок – группу крови В, а предполагаемые отцы группы крови 0 и АВ? Дайте аргументированный ответ.

14. Кровь большинства людей содержит антиген Rh, который наследуется как доминантный признак (резус-положительные люди). В крови других людей нет этого антигена (резус-отрицательные люди). Какие генотипы могут появиться у детей, родившихся от брака двух резус-отрицательных родителей; в случае, если женщина резус-отрицательная, а мужчина резус-положительный? Какова судьба второго ребенка?

15. Подагра определяется доминантным аутосомным геном, пенетрантность которого у мужчин составляет 20%, а у женщин – 0%. Какова вероятность заболевания подагрой в семье гетерозиготных родителей?

16. Некоторые формы шизофрении наследуются как доминантные аутосомные признаки. При этом у гомозигот пенетрантность равна 100%, у гетерозигот – 20%. Определите вероятность заболевания детей в семье, где один из супругов гетерозиготен, а другой нормален в отношении анализируемого признака.

17. Постройте фрагмент генетической карты гипотетического эука-риотического организма, если по результатам анализирующих скрещиваний были установлены следующие частоты кроссинговеров на участках между парами условных генных локусов: A и В – 3%, А и С – 4%, А и К – 6 %, А и М – 8 %, В и С – 7 %, В и К – 9 % В и М – 5 %, К и М – 14%.

18. Гены А, В и С находятся в одной группе сцепления. Между генами А и В кроссинговер происходит с частотой 7,4%, между генами В и С – 2,9%. Определите взаиморасположение генов А, В и С, если расстояние между генами А и С равно 10,3% кроссинговера.

19. Гены А, В и С находятся в одной группе сцепления. Между генами А и В кроссинговер происходит с частотой 7,4%, между генами В и С – с частотой 2,9%. Определите взаиморасположение генов А, В и С, если расстояние между генами А и С равно 4,5% кроссинговера.

20. Составьте карту хромосомы, содержащую гены А, В, C, D, Е, если частота кроссинговера между генами В и С равна 2,5%, С и А – 3,7, А и Е – 6, Е и D – 2,8, А и В – 6,2, В и D –15, А и D – 8,8%.

21. Составьте карту хромосомы, содержащую гены А, В, С, D, Е, если частота кроссинговера между генами С и Е равна 5%, С и А – 14, А и Е – 19, В и Е – 12, А и В – 7, В и D – 2, В и D – 3%.

22. У кошек в негомологичном районе хромосомы находится локус гена, контролирующего черную окраску шерсти, и его аллельного варианта, детерминирующего рыжий цвет шерсти. Гетерозиготные особи имеют трехцветную окраску. Составьте схемы скрещиваний и определите вероятность рождения котят мужского и женского пола с разными вариантами генотипа и фенотипа для следующих родительских пар: 1) трехцветная кошка и рыжий кот; 2) трехцветная кошка и черный кот; 3) черная кошка и рыжий кот; 4) рыжая кошка и черный кот. Объясните, почему не бывает котят мужского пола с трехцветной окраской шерсти.

23. Определите вероятность возможных генотипических и фенотипических вариантов в потомстве для скрещивания Аa//аb x АВ//аb, если частота рекомбинационных событий на участке между локусами А и В составляет 20 %. При решении задачи можно построить решетку Пеннета, а расчеты проводить в соответствии с правилом статистики, согласно которому вероятность одновременного возникновения двух (и большего числа) независимых событий равна произведению вероятностей каждого из этих событий в отдельности. Следовательно, вероятность появления зиготы (и соответствующего потомка) с определенным генотипом будет равна произведению вероятностей генотипов мужской и женской гаметы, при объединении которых формируется эта зигота.

24. У кроликов ген рецессивной белой пятнистости сцеплен с геном, обусловливающим другой рецессивный признак – шерсть ангорского типа. Сила сцепления между этими генами -14 % кроссинговера. Гомозиготного короткошерстного пятнистого кролика скрещивают с ангорским непятнистым. Определите генотипы исходных кроликов и в какой фазе — «притяжения» или «отталкивания» — находятся в данном скрещивании гены. Какое расщепление будет наблюдаться в анализирующем скрещивании особей из f1?

ЗАНЯТИЕ 3. Взаимодействие неаллельных генов.

Цель: Изучить примеры взаимодействий неаллельных генов.

Основные вопросы темы:

1. Комплементарность

2. Эпистаз (доминантный и рецессивный)

3. Полимерия (кумулятивная и некумулятивная)

4. «Эффект положения»

Оснащение занятия: Таблицы: комплементарное взаимодействие; эпистаз; полимерия.

Ход работы:

1. Тестовый опрос для выявления конечного уровня знаний по предыдущей теме.

2. Устный опрос по теме для выявления базового уровня знаний

3. Разбор нового материала.

4. Решение задач (список прилагается)

Задачи

1. При скрещивании белых морских свинок с черными потомство получается серое, а во втором поколении при скрещивании их между собой получены 72 серые, 24 черные и 32 белые свинки. Определите, каков характер наследования окраски шерсти у морских свинок.

2. При скрещивании двух карликовых растений кукурузы было получено потомство нормальной высоты. В F2 от скрещивания между собой растений F1 было получено 452 растения нормальной высоты и 352 карликовых. Предположите гипотезу, объясняющую эти результаты, определите генотипы исходных растений.

3. При скрещивании люцерны с красными цветами и люцерны с желтыми цветам получены растения с зеленой окраской цветов. При скрещивании их между собой получено 450 растений с зелеными цветками, 150 – с красными, 150 – с желтыми и 50 – с белыми. Написать схему взаимодействия.

4. При скрещивании белых собак с коричневыми родились белые щенята. При скрещивании их между собой появились 36 белых, 9 черных и 3 коричневых щенка. Объяснить. Написать схему расщепления.

5. При скрещивании чернозерного овса в потомстве оказалось расщепление на 12 чернозерных, 3 серозерных и 1 с белыми зернами. Определите генотипы скрещиваемых особей и их потомства.

6. При скрещивании белых кур различных пород появились гибриды белой окраски. При скрещивании гибридов между собой получено 520 белых и 120 черных кур. Написать схему расщепления.

7. При скрещивании кроликов агути с голубыми в первом поколении получили крольчат с окраской агути, а во втором – 72 агути, 18 черных и 6 голубых крольчат. Написать схему расщепления, определить генотипы родителей.

8. При скрещивании двух сортов растений, имеющих окрашенные цветы, в первом поколении все цветы оказались окрашенными; во втором поколении – 465 окрашенных и 32 – белоцветковых. Написать схему расщепления. Будут ли все окрашенные иметь одинаковую степень окраски цветов?

9. От брака негров и белых рождаются мулаты. Анализ потомства большого числа браков между мулатами дал расщепление 1:4:6:4:1. Потомки имели следующие цвета кожи: черные, белые, мулаты, а также темные и светлые. Объясните результаты, определите количество генов, обусловливающих окраску кожи, характер их взаимодействия и генотипы родителей и потомков.

10. Рост человека наследуется по типу полимерии. Если пренебречь факторами среды и условно ограничиться лишь тремя парами генов, то можно допустить, что в какой-то популяции самые низкорослые люди ростом 150 см имеют все рецессивные гены, а самые высокорослые (180 см) – все доминантные. Низкорослая женщина вышла замуж за мужчину среднего роста. У них было четверо детей, которые имели рост 165 см, 160 см, 155 см и 150 см. Определите генотипы родителей и их точный рост.

11. При скрещивании черных собак породы кокер-спаниель получается потомство четырех мастей: 9 черных, 3 рыжих, 3 коричневых, 1 светло-желтый щенок. Черный кокер-спаниель был скрещен со светло-желтым. От этого скрещивания в помете был светло-желтый щенок. Написать схему расщепления.

12. Форма гребня у кур может быть листовидной, гороховидной, розовидной и ореховидной. При скрещивании кур, имеющих ореховидные гребни, потомство получилось со всеми четырьмя формами гребней в отношении: девять ореховидных, три гороховидных, три розовидных, один листовидный. Определите вероятные соотношения фенотипов в потомстве от скрещивания получившихся гороховидных особей с розовидными.

13. При скрещивании желтоплодной тыквы с белой все потомтво дало белые плоды. При скрещивании полученных особей между собой получилось 204 растения с белыми плодами, 51 – с желтыми, 17 – с зелеными. Написать генотипы родителей и потомков.