Структурно-логічна схема організації потоку інформації в клітині

 

Схема регуляції транскрипції структурних генів у прокаріотів за типом індукції.

 

Ген – Ген – Структурні гени

регулятор оператор І ІІ ІІІ

 

V. Орієнтовна основа дії

Для досягнення цілей заняття необхідно засвоїти теоретичні питання по даній темі і виконати самостійну навчально-дослідницьку роботу

а) Теоретичні питання для позаурочного самостійного вивчення та обговорення на занятті.

1. Організація потоку інформації у клітині.

2. Транскрипція та її етапи. Відмінності транскрипції у про- та еукаріот.

3. Посттранскрипційні зміни у еукаріот. Процесинг, сплайсинг.

4. Трансляція та ії етапи (ініціація, елонгація, термінація).

5. Посттрансляційна модифікація білків.

6. Регуляція експресії генів у прокаріотів.

7. Регуляція експресії генів у еукаріот.

 

б) Алгоритм самостійної навчально-дослідницької роботи:

1. Використовуючи таблицю генетичного коду, ідентифікувати первинну структуру, кількість амінокислот, молекулярну масу поліпептидів за наданою структурою генів, що їх кодують.

 

2. Замалювати та проаналізувати схему репресії та індукції у прокаріот.

 

3. Виконати індивідуальні завдання.

в) Інструкції до самостійної навчально-дослідницької роботи:

1. Користуючись таблицею генетичного коду, розв’язати індивідуальні завдання щодо етапів реалізації генетичної інформації (експресії генів) у прокаріот та еукаріот, що кодуються ділянками генів за наданою схемою: ДНК (ген) → іРНК → поліпептид

 

2. Замалювати та проаналізувати схему функціонування лактозного оперону Е. coli.

 

3. Виконати індивідуальні завдання за представленими зразками.

 

ЗАВДАННЯ №1

1. Ділянки структурних генів у про- і еукаріот мають схожі послідовності нуклеотидів: ЦАТ-ГТЦ-АЦА-ТТЦ-ТГА-ААА-ЦАА-ЦЦГ-АТА-ЦЦЦ-ЦТГ-ЦГГ-ЦТТ-ГГА-АЦА-АТА. Причому, у еукаріот послідовність нуклеотидів АЦА-ТТЦ-ТГА-ААА і ГГА-АЦА-АТА кодують інтронні ділянки про і-РНК.

а). Яку послідовність нуклеотидів матиме і-РНК, що транскрибується з цієї ділянки ДНК у прокаріот?

б). Яку послідовність нуклеотидів матиме і-РНК, що транскрибується з цієї ділянки ДНК у еукаріот?

у). Яку послідовність амінокислот матиме білок, що кодується даною ділянкою гена у про- і еукаріот?

2. Ген прокаріот та еукаріот складається з 14100 нуклеотидів, причому у еукаріот на екзонні ділянки припадає 3600 нуклеотидів. Знайти, за який час відбувається:

а) транскрипція та трансляція у прокаріот, якщо швидкість транскрипції у прокаріот складає 50 нуклеотидів за 1 секунду, а швидкість трансляції - 15 амінокислот за 1 секунду

б) транскрипція та трансляція у еукаріот, якщо швидкість транскрипції у еукаріот складає 30 нуклеотидів за 1 секунду. Швидкість трансляції у еукаріот – 2 амінокислоти за 1 секунду.

 

ЗАВДАННЯ №2

1. Ділянка структурного гена має наступну послідовність нуклеотидів: АТА-ЦЦА-АЦА-ЦТА-ГГА-ЦГА-ГТА-ЦАА-ГТА-ТЦА-ГЦА-ТТА-ТГА-ААА-АГА-ТЦА-ЦТА-ААА-АТГ.

а). Яку послідовність нуклеотидів матиме про-і-РНК, що транскрибується з цієї ділянки ДНК?

б). Відомо, що кодони 3,4,5,9,10,11,12 у про-і-РНК входить до складу інтронів. Яку послідовність матиме зріла іРНК?

в). Яку послідовність амінокислот матиме фрагмент білка, що кодується вказаною ділянкою гена?

г). Напишіть, які антикодони повинні бути у т-РНК, що забезпечують синтез даного фрагмента білка?

2. Білок А - мономер, який складається з 560 амінокислотних залишків. Ген цього білка має два інтрони (по 10000 пар нуклеотидів) і три екзони (кожен з яких містить однакову кількість пар нуклеотидів). Визначте:

г) скільки пар нуклеотидів у складі даного гена?

д) скільки пар нуклеотидів у складі кожного з екзонів?

е) скільки нуклеотидів містить кодуюча зона і-РНК даного білка?

 

ЗАВДАННЯ №3

1. Ділянки структурних генів у про- і еукаріот мають схожі послідовності нуклеотидів: ЦАТ-ГТЦ-АЦА-ТТЦ-ТГА-ААА-ЦАА-ЦЦГ-АТА-ЦЦЦ-ЦТГ-ЦГГ-ЦТТ-ГГА-АЦА-АТА. Послідовності нуклеотидів - АЦА-ТТЦ-ТГА-ААА і ГГА-АЦА-АТА кодують інтронні ділянки у еукаріот.

а). Визначте послідовність нуклеотидів в первинному транскрипті у еукаріот.

б). Як називається дозрівання і-РНК. Визначте послідовність нуклеотидів в зрілій і-РНК.

в). Визначте поліпептидну послідовність амінокислот у прокаріот

г) Визначте поліпептидну послідовність амінокислот у еукаріот

д) Яка відмінність в поліпептидних послідовностях амінокислот у прокаріот і еукаріот. Пояснить причину цієї відмінності.

 

2. Фрагмент ланцюга і-РНК складається з послідовно розміщених кодонів: АУЦ ГУГ АУГ УГЦ УУУ АУА ЦАА АУЦ УАА. Які амінокислоти повинні перенестись т-РНК до місця синтезу білка, що закодований цією ділянкою і-РНК, які антикодони повинні мати т-РНК?

 

ЗАВДАННЯ №4

1. Ділянка структурних генів у про-та еукаріот мають подібні послідовності нуклеотидів: ААГ-ГАА-ТАА-ЦАА-АЦГ-ГЦГ-ТЦГ-ЦЦГ-ЦТЦ-ТТЦ-ГТЦ-АТЦ-ГГЦ-АТТ-ГГТ-ТТТ-ЦТГ-ЦГЦ, причому у еукаріот послідовности нуклеотидів ЦАА-АЦГ-ГЦГ-ТЦГ та ГГТ-ТТТ-ЦТГ кодують інтроні ділянки попередниці і-РНК. Яку послідовність амінокислот має фрагмент білка, що кодується структурним геном:

а) у прокаріот

б) у еукаріот?

2. Ділянка молекули ДНК, яка кодує поліпептид, має такий порядок азотистих основ: ААА-АЦЦ-ААА-АТА-ЦТТ-АТА-ЦАА, під час реплікації четвертий зліва аденін випав з ланцюга. Визначте структуру поліпептидного ланцюга, який кодується ділянкою ДНК у нормі та після випадання аденіну. Визначте, який тип генної мутації має місце в даній ситуації?

ЗАВДАННЯ №5

1. Які зміни відбудуться в будові білка, якщо в кодуючої його ділянці ДНК-ТАА-ЦАА-АГА-АЦА-ААА відбудется заміна третього зліва аденілового нуклеотида на гуаніловий? Який амінокислотний склад білка до та після заміни? Поясніть отримані результати, враховуючі властивости генетичного коду.

 

2. Останнім часом вчені ретельно вивчають нову групу біологічно активних речовин центральної нервової системи-регуляторів різних функцій організму (нейропептидів). До них належать пептиди, що мають морфіноподібний ефект - мет-енкефалін і лей-енкефалін. Обидва пептиди складаються з п’яти амінокислотних залишків, перші чотири з яких однакові для обох енкефалінів (тир-глі-глі-фен), але п’ятий - різні, в першому випадку - метіонін, в іншому - лейцин. Визначте послідовність нуклеотидів у ДНК, що кодують вищевказані пептиди та визначте довжину генів, що кодують пептиди.

 

4. Оформити протокол заняття.

 

 

VI. Система навчаючих завдань

А.Тести

Завдання 1(I рівень складності)

Спадкова інформація у зберігається у ДНК, але безпосередньої участі у синтезі білків у клітинах ДНК не приймає. Який процес забезпечує реалізацію спадкової інформації у поліпептидний ланцюг?

а) трансляція

б) утворення р-РНК

в) утворення т-РНК

г) утворення і- РНК

д) реплікація

Еталон відповіді: 1 – а

 

Завдання 2(II рівень складності)

2. 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?

а) сполучається з геном-оператором

б) сполучається з геном-регулятором

в) сполучається з білком-репресором

г) сполучається з промотором

д) сполучається з структурним геном

Еталон відповіді: 2 – в

Завдання 3(III рівень складності)

3. Вчені Ф.Жакоб і Ж.Моно у 1961р. запропонували загальну схему будови генетичного апарату прокаріотів (модель оперона). Яка роль білка-репресора в цій моделі?

а) з’єднується з геном-оператором

б) з’єднується з геном-промотором

в) активує структурні гени (цистрони)

г) з’єднується з геном-термінатором

д) інактивує білки, синтезовані за програмою структурних генів

Еталон відповіді: 3 – а

Б. Задачі

Задача 1

В результаті мутації в ділянці гена, який містить 6 триплетів, ГГЦ-ТГТ-ЦАЦ-АЦТ-АГГ-ЦАА відбулася заміна в третьому триплеті (замість аденіну виявлений цитозин). Запишіть амінокислотний склад поліпептиду до мутації і після неї.

Еталон відповіді:

 

1. Ділянка гена до мутації:

1 2 3 4 5 6

ДНК: ГГЦ-ТГТ- ЦАЦ -АЦТ-АГГ-ЦАА-

 

транскрипція

 

і-РНК: ЦЦГ-АЦА- ГУГ -УГУ-УЦЦ-ГУУ-

 

Трансляція

1 2 3 4 5 6

Білок: про-тре- вал -цис-сер-вал

 

2. Ділянка гена після мутації:

1 2 3 4 5 6

ДНК: –ГГЦ-ТГТ- ЦЦЦ! -АЦТ-АГГ-ЦАА-

 

транскрипція

1 2 3 4 5 6

и-РНК: ЦЦГ-АЦА- ГГГ! -УГУ-УЦЦ-ГУУ-

 

трансляція

1 2 3 4 5 6

Білок: про-тре- глц! -цис-сер-вал

 

В результаті генної мутації у поліпептиді в третьому положенні амінокислота валін змінилася на гліцин.

 

Задача 2.

Фрагмент ланцюга і-РНК складається з послідовно розміщених кодонів: АУЦ-ГУГ-АУГ-УГЦ-УУУ-АУА-ЦАА-АУЦ-УАА. Визначте, яка послідовність нуклеотидів в гені, що кодує відповідний білок? Які амінокислоти повинні брати участь у синтезі білка, закодованого цією ділянкою гена?

Еталон відповіді:

а) послідовність нуклеотидів в гені складає

ТАГ-ЦАЦ-ТАЦ-АЦГ-ААА-ТАТ-ГТТ-ТАГ-АТТ

б) у синтезі білка беруть участь наступні амінокислоти

ілей-вал-мет-цис-фен-тир-глі-ілей-нонсенс-кодон.

 

Задача 3.

Ділянка структурного гена містить послідовність нуклеотидів: ЦАГ-ЦГГ-ЦТГ-ЦЦГ-ААА-ТГА-ЦАТ-ЦГТ-ЦТТ-ЦЦЦ-АТА-ЦАА-ТТЦ-ГТЦ. Визначте:

а) яку послідовність нуклеотидів має попередниця і-РНК, що транскрибується з цієї ділянки структурного гена?

б) відомо, що кодони 3, 5, 9, 10, 11 у попередниці і-РНК входять до складу інтронів. Яку послідовність нуклеотидів буде мати і-РНК?

в) яку послідовність амінокислот буде мати фрагмент білка, що кодується вказаною ділянкою структурного гена?

г) які антикодони містять т-РНК, що забезпечують синтез даного фрагменту білка?

Еталон відповіді:

а) нуклеотидний склад молекули попередниці і-РНК

 

1 2 3 4 5 6 7 8 91011 12 13

ГУЦ-ГЦЦ- ГАЦ -ГГЦ- УУУ -АЦУ-ГУА-ГЦА- ГАА -ГГГ- УАУ -ГУУ-ААГ

б) послідовність нуклеотидів в і-РНК:

 

ГУЦ-ГЦЦ-ГГЦ-АЦУ-ГУА-ГЦА-ГГГ-ГУУ-ААГ

 

в) послідовність амінокислот фрагмента білка:

вал-ала-ала-тре-вал-ала-глі-вал-ліз

 

г) антикодони т-РНК, що забезпечують синтез даного фрагменту білка

ЦАГ, ЦГГ, ЦЦГ, УГА, ЦАУ, ЦГУ, ЦЦЦ, ЦАА, УУЦ

 

VII. Короткі методичні вказівки до роботи студентів на

Практичному занятті.

а) Методика проведення заняття

Заняття починається з перевірки вихідного рівня знань. Далі розглядаються теоретичні питання даної теми, в обговоренні яких беруть участь всі студенти під керівництвом викладача, після чого необхідно виконати самостійну навчально-дослідницьку роботу.

Після обговорення теоретичних питань, засвоєння системи контрольно-навчальних завдань студенти виконують індивідуальні завдання, оформлюють протокол практичної роботи.

В кінці заняття викладачем проводиться перевірка та аналіз результатів роботи студентів з виставленням відповідної оцінки і балів.

б) Організаційна структура заняття

№ п\п	Основні етапи заняття	Час в хвилинах	Матеріали методичного забезпечення
I	Підготовчий етап
1.	Організаційна частина Перевірка вихідного рівня знань		Тести вихідного рівня
2.	Обговорення теоретичних питань		Таблиці, підручники посібники
II	Основний етап
3.	Виконання самостійної навчально-дослідницької роботи. Оформлення протоколу		Таблиці, індивідуальні завдання. Методичні рекомендації
III	Заключний етап
4.	Контроль виконання індивідуальних завдань.		Збірник ситуаційних задач
5.	Аналіз, підведення підсумків заняття. Домашнє завдання

в) Зразки тестових завдань для перевірки кінцевого рівня знань

Завдання 1.

В процесі еволюції часто відбувалися дуплікації ділянок геному. Одна з копій могла еволюціонувати в результаті мутацій, а інша зберігала свою початкову функцію. Прикладом можуть бути гени білків м’язів, імуноглобулінів тощо. Як називають набір функціонально споріднених генів, що мають спільного предка і можуть бути розташовані у різних ділянках геному.

а) реплікатори

б) інтрони

в) кластери

г) екзони

д) транспозони

 

Завдання 2.

Інформаційна РНК існує у вигляді зрілої фракції і у вигляді попередника (про і-РНК). Зрілі молекули і-РНК прикріплються до рибосом, де починається зчитування інформації. Проте іноді у клітинах може нагромаджуватися зріла і-РНК, яка зв’язана з білком і може функціонувати тільки після звільнення від білка. Як називаються ці нуклеопротеїдні комплекси, що знаходяться у цитоплазмі і можуть бути прикріплені до рибосом:

а) інформосоми

б) термінатори

в) траскриптони

г) спейсери

д) екзони

Завдання 3.

Одним з центральних процесів метаболізму клітини є зчитування інформації з генів, яка відбувається в ядрі і називається транскрипція. У процесі переписування інформації РНК-полімераза просувається вздовж нитки ДНК від промотора до термінатора. Послідовність нуклеотидів цієї ділянки ДНК, що визначає утворення однієї молекули м-РНК, має назву:

а) цистрон

б) спейсер

в) оператор

г) мутон

д) транскриптон

 

Завдання 4.

У клітині хвороботворної бактерії відбувається процес транскрипції. Матрицею для синтезу однієї молекули і-РНК при цьому служить:

а) нативна молекула ДНК

б) цілком один з ланцюгів молекули ДНК

в) ланцюг молекули ДНК, позбавлений інтронів

г) ланцюг молекули ДНК, позбавлений екзонів

д) ділянка одного з ланцюгів ДНК

 

Завдання 5.

Вивчалась довжина молекул РНК, які приймають участь у трансляції.

Було встановлено, що розмір ділянки і-РНК, зайнятий однією рибосомою під час трансляції, відповідає:

а) одному нуклеотиду

б) шести нуклеотидам

в) двом нуклеотидам

г) трьом нуклеотидам

д) п’яти нуклеотидам

Завдання 6.

Триплетність і виродженість генетичного коду є одним з антимутаційних бар’єрів, який обмежує прояв мутації в фенотипі особин. Заміна якого нуклеотиду в триплеті переважно не порушує змісту останнього?

а) третього

б) першого

в) другого

г) другого і третього

д) першого і другого

Завдання 7.

В результаті транскрипції у еукаріот переважно утворюються про і-РНК, які містять неінформативні ділянки (інтрони), котрі вирізаються під час її дозрівання. Цей процес називається:

а) репарація

б) трансляція

в) процесинг

г) рекогніція

д) сплайсинг

 

Завдання 8.

У процесі експресії гена в ознаку послідовність кодонів і-РНК відповідає послідовності розташування амінокислот первинного поліпептидного ланцюга. Така властивість генетичного коду має назву:

а) триплетність

б) універсальність

в) колінеарність

г) специфічність

д) виродженість

 

Завдання 9.

У бактеріальній клітині тривалість приєднання однієї амінокислоти до поліпептидного ланцюга при оптимальних умовах складає приблизно 1/20 сек. Скільки часу потрібно для того, щоб синтезувати поліпептид, який кодується геном, до складу якого входять 1200 пар нуклеотидів:

а) 1/20 сек

б) 1/2 сек

в) 2 сек

г) 20 сек

д) 400 сек

 

Завдання 10.

Один з ланцюгів ДНК, що кодує амінокислоти в молекулі білка, складає з нуклеотидів: АТЦ-АЦЦ-ГАЦ-АЦГ-ЦАЦ. Яка послідовність нуклеотидів в антикодонах т-РНК, які беруть участь в біосинтезі відповідного білка?

а) ТТГ, ЦГТ, ГТЦ, ТГГ, ГГТ

б) ТАГ, ТГГ, ЦТГ, ТГЦ, ГТГ

в) ТГТ, ЦГУ, ГТЦ, ГЦГ, УУГ

г) АУЦ, АЦЦ, ГАЦ, АЦГ, ЦАЦ

д) УАГ, УГГ, ЦУГ, УТЦ, ГУГ

Заняття №8