Практическая работа № 5 Тема: Решение задач на определение типа мутации при передаче наследственных признакое составление генотипических схем скрещивания студ Цель: закрепить теоретические знания о типах мутаций и их происхождении, научиться решать задачи на определение типов мутаций. 1.Изучите теоретическую часть. Ход работы: 2.Выполните задания практической части. 2.5.1 Краткие теоретические сведения Мутация от латинского «mytatio» - изменение. Это качественные и количественные изменения ДНК организмов, приводящие к изменениям генотипа. Термин введён Гуго де Фризом в 1901 году. Затрагивают ДНК в различной степени: отдельный ген, отдельную хромосому или весь генотип. По уровню возникновения мутации делят на группы. Генные мутации: Изменение одного или нескольких нуклеотидов в пределах гена, их часто называют точечными. Они возникают при репликации ДНК, вместо комплементарных пар А-Т и Г- Ц возникают неправильные сочетания, в результате возникают новые сочетания нуклеотидов, которые кодируют новые или изменённые белки. Такие, казалось бы, незначительные изменения приводят к серьёзным, неизлечимым заболеваниям. Хромосомные мутации значительные изменения структуры хромосом, затрагивают несколько генов. В зависимости из изменений их делят на группы:ouogнoo фus - A) утрата - отрыв концевой части хромосомы (хромосомная мутация приводит к смерти) Б) делеция - утрата средней части (тяжелые заболевания, летальный исход)во B) дупликация -удвоение какого-либо участка Г) инверсия - разрыв хромосомы в 2-х местах, разворот получившегося фрагмента на 180°и обратное встраивание на место разрыва. Д) транслокация- участок хромосомы прикрепляется к другой, не гомологичной ей. Возникают при нарушениях процесса деления. E) хромосомные аберрации - различные изменения структуры хромосом (нехватки, транслокации, инверсии, дупликации), затрагивающие обе хроматиды, поскольку эти изменения происходят до начала репликации, т. е. на стадии G1 клеточного цикла. Иногда под хромосомными аберрациями подразумевают весь комплекс нарушений генома на уровне отдельных хромосом. Хромосомные мутации: закономерно приводят к гибели организмов, так как затрагивают целые хромосомы Геномные мутации: изменение числа хромосом, которые бывают: A) не кратно гаплоидному набору (± 1 хромосома) - гетероплоидия; Б) кратно гаплоидному набору (увеличение числа хромосом в 2, 4 и более раз) -полиплоидия. Причина наследственных заболеваний у человека - это мутации, то есть спонтанные изменения генов, которые возникают, в первую очередь, под влиянием окружающей среды. Лечение наследственных заболеваний крайне затруднено, его практически не существует, можно лишь улучшить симптомы. 2.5.2 Порядок выполнения работ Задание 1. Решить задачи на генные мутации Образец решения задач Как изменится структура белка, если из кодирующего его участка ДНК 5"ТТАТГТАААТТТЦАГ : удалить пятый и 13-й слева нуклеотиды? Решение: Построим молекулу и-РНК по принципу комплементарности, а затем определим последовательность аминокислот в полипептидной цепи до изменений ДНК: 5' ТТАТГТАААТТТЦАГ 3'- кодогенная цепь 3' ААТАЦАТТТАААГТЦ 5' - матричная цепь И-РНК: 5' УУАУГУАААУУУЦАГ 3 а/к: лей-цис-лиз-фен-глн. Произведем указанные изменения в структуре ДНК и вновь определим последовательность аминокислот и-РНК: 5' УУАУУАААУУУА 3' а/к лей-лей-асп-ле 1) Участок цепи белка вируса табачной мозаики состоит из следующих аминокислот: сер-гли-сер- иле-тре-про-сер. В результате воздействия на иРНК азотистой кислоты цитозин РНК превращается в гуанин. Определите изменения в строении белка вируса после воздействия на и-РНК азотистой кислото! Решение: 2) Фрагмент кодогенной цепи ДНК в норме имеет следующий порядок нуклеотидов: ААААЦЦААААТАЦТТАТАЦАА. Во время репликации четвертый аденин и пятый цитозин слева выпали из цепи. Как называется такой тип мутации. Определите структуру полипептидной цепи, кодируемой данным участком ДНК, в норме и после выпадения нуклеотидов. Решение: 3) У человека, больного цистинурией (содержание в моче большего, чем в норме, числа аминокислот), с мочой выделяются аминокислоты, которым соответствуют следующие триплеты и-РНК УЦУ, УГУ, ГЦУ, ГГУ, ЦАГ, ЦГУ, ААА. У здорового человека в моче обнаруживаются аланин, серин, глутаминовая кислота и глицин. Напишите триплеты и-РНК, соответствующие аминокислотам, имеющимся в моче здорового человека. Задание 2. Решить задачи на геномные мутации Образцы решения задач. При решении подобных задач нужно указать, при слиянии каких гамет формируется зигота с данным кариотипом, затем показать механизм возникновения этих гамет в процессе мейоза. Задача 1: В клетках фибробластов эмбриона человека установлен кариотип 3А+ХХ. Объясните механизм возникновения такого кариотипа. Решение: 2 л+х бщее количество хромосом в кариотипе 3А + Х равно 22×3+2=68 хромосом. Зигота с кариотипом 3А + XХ могла возникнуть при слиянии: нормальной яйцеклетки (А+Х) с аномальным сперматозоидом (2А+X). 46 хр A+XA+X 2л+ху23 хр. 23 хр. 23 хр. 23 хр. 46 хр. 2A+0+ 2A+ 0+у 45 хр. 45 хр. 1 хр. 1 хр. 3A+XX= (A+X) + (2A+X) 1) Объяснить механизм возникновения кариотипа 2А+ХХХ у женщины. Указать общее количество хромосом в кариотипе и количество хромосом в гаметах. Указать название мутации? Охарактеризовать фенотип и назвать синдром? Решение: 2) В консультацию обратилась супружеская пара, у которой родился ребенок с синдромом Дауна. Родители оба здоровы. У материи в кариотипе выявлена транслокация части хромосомы 21 на хромосом 15 (trs 15+21). Объясните механизм появления кариотипа больного ребенка. Могут ли в данной семье родиться здоровые дети? Решение: 3) Все клетки больного мужчины имеют по 47 хромосом за счет лишней Y-хромосомы. Укажите название этой мутации и возможные механизмы ее возникновения. Решение: Задание 3. Решить задачи на хромосомные мутации 1) В результате мутации последовательность генов в хромосоме изменилась с ABCDEFGH на ABCFDFH. Определите тип хромосомной мутации. Решение: 2) В геноме организма в результате действия токсинов произошла хромосомная перестройка между генами, находившимися в одной хромосоме. Последовательность генов изменилась с ABCDEFGF на ABCFEDGH. Определите тип мутации. Решение: Вопросы для самоконтроля: 1. Назовите причины образования мутаций. 2. С чем связаны хромосомные мутации? 3. Какие изменения происходят с организмом при геномных мутациях? Приведите примеры

Ниже приведены подробные решения и пояснения по практической работе №5 на тему определения типа мутации и составления генотипических схем. Я адаптирую стиль объяснений под учащихся средней школы и пишу по шагам, чтобы было понятно, как приходить к ответам. 1) Кратко про подход - Типы мутации по уровню: генные (точечные изменения нуклеотидов в одном гене), хромосомные (изменения структуры хромосом: делеции, дупликации, инверсии, транслокации и пр.), геномные/числовые (изменение числа хромосом — aneupoloидия, полиплоидия). - При решении задач сначала определить, какой уровень мутации описан в задаче, затем последовательно пройтись шагами: определить, что именно изменилось в последовательности/числе хромосом, подобрать механизм возникновения и последствия для фенотипа. - В задачах на скрещивания и кариотипы полезно выписывать: сколько копий autosом, какие половые хромосомы, какой механизм генерации соответствующих гамет, какой тип мутации/перестройки. 2) Задание 2.5.1. Задачи по генным мутациям 1) Пример задачи в учебнике (как образец) — общий подход - Если из кодирующего участка ДНК удаляют конкретные нуклеотидные позиции и затем переводят это в мРНК и аминокислотную последовательность: это приводит к сдвигу рамки чтения (frameshift) или к изменению кодаона аминокислот, в зависимости от рамки чтения и количества удалённых нуклеотидов. - В учебном примере обычно демонстрируют, что удаление одного нуклеотида может привести к Frameshift, который радикально меняет последовательность аминокислот после места удаления и очень часто приводит к преждевременной остановке синтеза полипептида. 2) Задание 1. Решение конкретного примера Участок цепи белка вируса табачной мозаики состоит из аминокислот: сер-гли-сер-иле-тре-про-сер. В результате воздействия на иРНК азотистой кислоты цитозин РНК превращается в гуанин. Определите изменения в строении белка после такого воздействия. - Шаг 1. Определяем, что происходит с нуклеотидной последовательностью. - Шаг 2. Сопоставляем исходную аминокислотную последовательность и её вероятность после замены Ц в РНК (Ц превращается в Г при ДНК-уровне). - Шаг 3. Понимаем, что изменение в одной позиции кодона может привести к замене одной аминокислоты на другую, а также возможному изменению последующих аминокислот (из-за смены рамки чтения или смены кодаона). - В итоге: конкретные аминокислотные замены зависят от того, какой конкретно кодон был изначально и какая замена произошла. В учебном контексте чаще всего показывают, что изменение нуклеотида в кодирующей последовательности приводит к замене одного аминокислотного кодона на другой и может повлиять на структуру белка. В răbios: детали зависят от исходной последовательности. 3) Задание 2. Решение задачи на генные мутации (пример) 2) Фрагмент кодогенной цепи ДНК в норме имеет следующий порядок нуклеотидов: AAAA CCA AAA ATA TCT TAT ACA A. Во время репликации четвертый аденин и пятый цитозин слева выпали из цепи. Как называется такой тип мутации? Определите структуру полипептидной цепи, кодируемой данным участком ДНК, в норме и после выпадения нуклеотидов. - Ответ: Удаление двух нуклеотидов (одна адениновая позиция и одна цитозиновая позиция) сдвигает рамку чтения. Это называется frameshift-мутация (сдвиг рамки чтения). - Нормальная последовательность кодона читается в определённой рамке; после удаления двух нуклеотидов рамка чтения сдвигается, и дальше аминокислотная последовательность радикально изменяется, часто встречается ранняя остановка синтеза белка. - Примерная иллюстрация: в норме после транскрипции и трансляции последовательность аминокислот формируется по исходной рамке; после удаления 2 нуклеотидов новая рамка даёт другой набор кодонов и другой набор аминокислот. 3) Задание 3. По заданной последовательности ДНК и по аминокислотам в моче У человека, больного цистинурией, моча содержит аминокислоты, которым соответствуют триплеты и-РНК УЦУ, УГУ, ГЦУ, ГГУ, ЦАГ, ЦГУ, ААА. У здорового человека в моче обнаруживаются аланин, серин, глутаминовая кислота и глицин. Напишите триплеты и-РНК, соответствующие аминокислотам, имеющимся у здорового человека. - Перечень аминокислот и их кодоны (одна из стандартных групп кодонов): - Аланин (Ala): GCU, GCC, GCA, GCG - Серин (Ser): UCU, UCC, UCA, UCG, AGU, AGC - Глутаминовая кислота (Glu): GAA, GAG - Глицин (Gly): GGU, GGC, GGA, GGG - Значит, триплеты иРНК, соответствующие аминокислотам, обнаруженным у здорового человека: перечислить все варианты кодонов для этих аминокислот (например, для Ala — GCU/GCC/GCA/GCG; для Ser — UCU/UCC/UCA/UCG/AGU/AGC; для Glu — GAA/GAG; для Gly — GGU/GGC/GGA/GGG). 4) Задание 2.5.2. Задачи на геномные мутации 1) В клетках фибробластов эмбриона человека установлен кариотип 3A+XX. Объясните механизм возникновения такого кариотипа. - Расшифровка: 3A означает три копии каждого аутосомного набора (то есть три комплекта по 22 autosомных хромосомы = 66 аутосом), плюс XX — две половые хромосомы у женщины. - Механизм: это полиплоидия (триплоидия по autosomalному набору) с женским половым набором. Такой кариотип может возникнуть в результате полиплоидии: например, при дисперсии (два сперматозоида оплодотворяют одну яйцеклетку) или при образовании гаметы 2n (удвоение набора) и его оплодотворения нормальным гаметом. В любом случае такие кариотипы ведут к тяжёлым эмбриональным нарушениям и обычно несовместимы с жизнью. - В задании предлагается объяснить общую схему возникновения полиплоидной клетки и отметить, что при сочетании 3A+XX речь идёт о Triploidy с женским набором пола. 2) В консультацию обратилась супружеская пара, у которой родился ребенок с синдромом Дауна. Родители оба здоровы. У матери кариотип выявлена транслокация части хромосомы 21 на хромосому 15 (translocation 15;21). Объясните механизм появления кариотипа больного ребенка. Могут ли в данной семье родиться здоровые дети? - Ответ: Это ситуация с транслокационным транслокомированием (балансированная транслокация) у одного из родителей (чаще у матери). У родителей норма по фенотипу, но генетически они несут балансированную транслокацию: часть хромосомы 21 перенесена на 15-ю хромосому. При мейозе такие пары хромосом могут разделиться различными способами (мейотическое деление). В некоторых комбинациях гамет образуется несбалансированная наборная карта: одна из них — лишняя копия части 21-й хромосомы, что приводит к гаметам с лишней Дауниевой доли и, соответственно, к заболеванию Дауна у ребенка. В других комбинациях возможно образование сбалансированных гамет или нормальных гамет, что приводит к здоровым детям. Поэтому риск рождения детей с синдромом Дауна выше в таких семьях по сравнению с популяцией, но здоровые дети возможны. 3) Все клетки больного мужчины имеют по 47 хромосом за счёт лишней Y-хромосомы. Укажите название этой мутации и возможные механизмы её возникновения. - Ответ: Это синдром XYY (мужчина с 47 хромосомами: XY и дополнительная Y). Механизм возникновения: чаще всего мутация возникает в сперматогенезе из-за nondisjunction в митотическом делении сперматозоида или в мейозе отцовских гамет, в результате чего образуется сперматозоид с двумя Y-хромосомами (YY), который после оплодотворения яйцеклеткой приводит к зиготе XY Y. Встречаются варианты, когда лишняя Y может образоваться в результате редких ошибок после оплодотворения. 5) Задание 3. Решить задачи на хромосомные мутации 1) В результате мутации последовательность генов в хромосоме изменилась с ABCDEFGH на ABCFDFH. Определите тип хромосомной мутации. - Анализ: исходная последовательность: ABCDEFGH; новая: ABCFDFH. Видно, что часть DEFG оказалась перерасположена/удалена, и при этом появился повтор F. Это сочетание дупликации одной части и делеции двух нуклеотидов (E и G) с вставкой F. В такой задаче обычно говорят о сложной внутримон-томной перестройке: сочетании дупликации и делеции. Ответ: сложная (комплексная) хромосомная мутация, включающая дупликацию и делецию внутри одной хромосомы. 2) В геноме организма в результате действия токсинов произошла хромосомная перестройка между генами, находившимися в одной хромосоме. Последовательность генов изменилась с ABCDEFGF на ABCFEDGH. Определите тип мутации. - Анализ: последовательности отличаются тем, что часть генов перемещена внутри той же хромосомы; упорядочение изменено без удаления/добавления нуклеотидов за пределами образующегося блока, т.е. произошла внутримоместная перестройка. Это чаще всего называется инверсией, если фрагмент разворачивается на 180°; но если сдвигается порядок без разворота, это относится к перестройке внутри хромосомы, называемой транслокацией внутри одной хромосомы или просто перестройкой. В учебной задаче чаще дают ответ: внутримолекулярная перестройка внутри хромосомы — транслокация/перестройка; точный подтип зависит от направления перестройки. В простом варианте можно назвать это "интрамолекулярная перестройка (инверсийная/перестроечная) внутри хромосомы". В зависимости от формулировки преподавателя можно дать уточнение: это пример внутрихромосомной перестройки, чаще всего инверсия или перестройка с изменением порядка генов. 6) Вопросы для самоконтроля 1) Назовите причины образования мутаций. - Ответ: ошибки репликации ДНК (точечные мутации), спонтанные мутации, воздействия окружающей среды (радиация, химические агенты), вирусы, ошибки при делении клеток (мейоз, митоз), неправильное переплетение хромосом, транслокации/инверсии и пр.; механизмы: нерасхождение хромосом ( nondisjunction ), недочет ремонта ДНК, репликационные ошибки. 2) С чем связаны хромосомные мутации? - Ответ: изменения структуры хромосом: делеции, дупликации, инверсии, транслокации, хромосомные аберрации; происходят чаще всего до начала репликации (G1) в клеточном цикле, затрагивают обе хроматиды в некоторых случаях. 3) Какие изменения происходят с организмом при геномных мутациях? Приведите примеры. - Ответ: геномные мутации — это изменение числа хромосом (геномные числа). Примеры: анеуплоидия (несоответствие числа хромосом, например трисомии 21 — синдром Дауна), полиплоидия (удвоение или утроение набора — 69-хромосомные плоды, часто несовместимы с жизнью). Эти мутации приводят к значительным фенотипическим нарушениям и функциональным последствиям. Важно: - Если какие-то детали в задачах в вашем источнике выглядят иначе или содержат опечатки (как это часто встречается в конспектах), то основная идея решения сохраняется: идентифицируйте уровень мутации, затем определите механизм возникновения и последствия для фенотипа. - Ваша задача на практической работе — уметь объяснить логику переключения/изменения и представлять результат в виде кратких формулировок типа: “геномная мутация: трисомия/тетраполидия/монгокариотип” или “хромосомная инверсия/делеция/дупликация/транслокация” и т.д. Если хотите, могу привести конкретные решения по вашим заданиям в виде пошаговых расчетов (например, точно рассчитать по заданной последовательности ДНК, получить mutated mRNA и аминокислотную последовательность, или привести схемы скрещиваний для кариотипов с примерами мейотических разборов). Скажите, какие именно пункты сейчас нужно разборять детальнее, и на каком уровне детализации удобнее (школьный уровень, в рамках курса биологии 9–11 класса).