Задание 3. генетическая информация в клетке. егэ 2021 по биологии

Мусорная крепость

Означает ли это, что остальные 90% генома человека — совсем уж мусор, от которого лучше избавиться? Не совсем так. Есть соображения, что большой размер генома может быть полезен сам по себе. У бактерий репликация генома является серьезным лимитирующим фактором, препятствующим эффективному размножению. Поэтому их геномы, как правило, маленькие, а от всего лишнего они избавляются. У крупных организмов, как правило, репликация ДНК делящихся клеток вносит не столь большой вклад в общее количество энергетических затрат организма на фоне затрат на работу мозга, мышц, органов выделения, поддержания температуры тела и так далее. В то же время большой геном может являться важным источником генетического разнообразия, увеличивая шансы на появление новых функциональных участков из нефункциональных за счет мутаций в них в процессе эволюции. Мобильные элементы могут переносить регуляторные элементы, создавая генетическое разнообразие в регуляции работы генов. Таким образом, организмы с крупными геномами теоретически могут быстрее адаптироваться к условиям среды, расплачиваясь сравнительно небольшими дополнительными затратами на репликацию более крупного генома. Подобный эффект мы не обнаружим на отдельном организме, но он может играть важную роль на уровне популяции.

Наличие крупного генома может также уменьшать вероятность того, что какой-нибудь вирус встроится в функциональный ген (что может привести к поломке гена и в ряде случаев к раку). Иными словами, не исключено, что естественный отбор может действовать не только на поддержание конкретных последовательностей в геноме, но на поддержание определенных размеров генома, нуклеотидного состава в некоторых его участках и так далее.

Стоит дать адекватную оценку работы консорциума ENCODE. Да, идея, что 80% или даже 20% генома человека функциональна — спорна, но это вовсе не значит, что критике подлежит весь проект ENCODE. В рамках ENCODE было получено огромное количество данных о том, как разные белки связываются с ДНК, информации о регуляции генов и так далее. Эти данные представляют большой интерес для специалистов и широко востребованы. Но едва ли в ближайшее время удастся избавиться от «мусора» в геноме — как от концепции, так и от самих ненужных последовательностей.

Рисунок 1. Мусор, сэр!

Дезоксирибонуклеиновая кислота бактериальной клетки

Бактериальная молекула ДНК хоть изображается как кольцевая довольно объемная структура, которая располагается в центре клетки, на самом деле представляет собой довольно компактное образование, локализованное на ограниченных участках цитоплазмы.

Ввиду отсутствия ядерной мембраны, которая бы отгораживала скомпонованную бактериальную макромолекулу от других клеточных структур, генетический аппарат безъядерных организмов нельзя ассоциировать с генетическим аппаратом эукариотов, поэтому генетический аппарат прокариотов назвали нуклеоид.

Характерные черты нуклеоида:

1. ДНК, в которой содержится нескольких тысяч генов.
2. Гены расположены линейно и называются хромосомой. Хромосома бактерии – это линейная совокупность ее генов.
3. Макромолекула также сворачивается белками, похожими на эукариотические гистоны.

Нуклеоид крепится к цитоплазматической мембране в тех точках, где начинается и заканчивается репликация (самокопирование).

Смертельно опасная «вечная» жизнь

Говоря о теломерных G4-структурах, нельзя обойти вниманием тот интригующий факт, что, располагаясь на концах 3’-выступа, они блокируют работу теломеразы. А ведь это тот самый широко популяризованный фермент, на который возлагалось столько надежд, и за изучение которого в 2009 году была вручена Нобелевская премия по физиологии и медицине! Теломераза наращивает 3’-концы теломер и таким образом нивелирует их естественное укорочение

Иными словами — продлевает активную жизнь хромосомам и, соответственно, клетке . Однако G-квадруплексы не просто мешают теломеразе делать свое дело — помимо этого, они, располагаясь в области промотора гена TERT, подавляют ее синтез в клетке . И, конечно, этот эффект можно было бы счесть за негативный, если бы не один весьма печальный факт. Дело в том, что избыточная активность теломеразы создает весьма благоприятную среду для перерождения нормальных клеток в раковые. От работы этого фермента сильно зависят порядка 90% всех злокачественных опухолей, ведь он позволяет перерожденным клеткам делиться бесконечно долго .

Блокирование работы теломеразы составляет одну из функций гена BRCA1. BRCA1 — широко известный супрессор раковых опухолей, то есть ген — «борец» с канцерогенезом. Он является важным компонентом системы исправления ошибок в ДНК и контролирует активность целого ряда генов, в том числе задействованных в образовании опухолей . Поэтому мутации в BRCA1 зачастую приводят к развитию рака груди и яичников , а в России они — в «лидерах» генетических причин возникновения онкозаболеваний . Интересно, что подавление теломеразы этим (весьма немаловажным, как мы убедились) белком осуществляется не только за счет регуляции активности кодирующего её гена TERT , но и за счет прямого вмешательства в её работу на теломерах. В частности, предполагают, что BRCA1 связывается с теломерными квадруплексами и стабилизирует их, в результате чего наш «фермент молодости» остаётся не у дел .

Как было отмечено выше, TERT — отнюдь не единственный регулируемый G-квадруплексами ген, благоприятствующий развитию злокачественных опухолей . Помимо него в этом ряду фигурируют c-MYC, c-KIT, BLC2, VEGF, HIF-1a и целый ряд других известных онкогенов . Разумеется, такая закономерность не могла не привлечь внимания ученых, занятых поиском средств против рака. Сегодня существует целый ряд работ, посвященных влиянию тех или иных квадруплекс-связывающих веществ на рост и развитие раковых клеток. И, по результатам этих исследований, искусственное укрепление G-квадруплексов представляется чрезвычайно перспективным путем лечения онкологических заболеваний .

Лечение фрагментации ДНК сперматозоидов

Методы лечения зависят от выявленной причины. Если БАК-посев или микроскопическое исследование показали наличие инфекции, то назначают курс антибиотиков. Варикоцеле, нарушение проходимости уретры, крипторхизм лечат путем хирургического вмешательства.

Пациентам была предложена антиоксидантная терапия, включающая ежедневный прием следующих препаратов:

• Селен (100 мг);
• L-карнитин (3000 мг);
• Витамины группы Е (токоферолы и токотриенолы в количестве 400 МЕ).
• Витамин С (1000 мг).

Препараты-антиоксиданты в таблетках и капсулах

Курс лечения продолжался 12 недель, в течение которых пациентам был рекомендован регулярный секс с использованием презервативов. По истечении 12 недель пары вступили в повторный протокол ЭКО. Результаты:

1. Повышение концентрации сперматозоидов, увеличение количества подвижных и морфологически нормальных (рисунки 1, 2, 3).
2. Снижение уровня ДНК-фрагментации до 23% (рисунок 4).
3. Уменьшение количества АФК до 4,1 (рисунок 5).

После лечения у 47% пар произошло успешное оплодотворение и родоразрешение (дети были выношены и рождены здоровыми).

Рисунок 1. Концентрация после лечения
Рисунок 2. Подвижность после лечения
Рисунок 3. Процент нормальных сперматозоидов
Рисунок 4. Уровень фрагментации ДНК
Рисунок 5. Уровень активного кислорода (АФК)

Еще один вариант лечения:

1. Витамин С (500 мг).
2. Фолиевая кислота (2 мг).
3. Витамин Е (400 МЕ).
4. Селен (25 мг).
5. Цинк (26 мкг).
6. L-карнитин (2000 мг).

В рамках антиоксидантной терапии можно принимать биоактивные препараты: «Спермактин», «Синергин», «Профертил», «Сперотон».

Антиоксиданты содержатся в продуктах питания:

• Любые ягоды (лучше клюква или смородина);
• Зелень листовая;
• Орехи (лидируют пекан и грецкие);
• Бобовые (красная фасоль);
• Сухофрукты (сушеные груши, агава, яблоки);
• Овощи (корень имбиря, артишоки, чеснок);
• Какао-порошок, черный шоколад.

Из специй больше всего антиоксидантов содержит гвоздика и корица. В небольших количествах полезно красное сухое вино.

Структура

Азотистые основания в составе РНК могут образовывать водородные связи между цитозином и гуанином, аденином и урацилом, а также между гуанином и урацилом. Однако возможны и другие взаимодействия, например, несколько аденинов могут образовывать петлю, или петля, состоящая из четырёх нуклеотидов, в которой есть пара оснований аденин — гуанин.

Разные формы нуклеиновых кислот. На рисунке (слева направо) представлены A (типична для РНК), B (ДНК) и Z (редкая форма ДНК)

Важная структурная особенность РНК, отличающая её от ДНК — наличие гидроксильной группы в 2′ положении рибозы, которая позволяет молекуле РНК существовать в А, а не В-конформации, наиболее часто наблюдаемой у ДНК. У А-формы глубокая и узкая большая бороздка и неглубокая и широкая малая бороздка. Второе последствие наличия 2′ гидроксильной группы состоит в том, что конформационно пластичные, то есть не принимающие участие в образовании двойной спирали, участки молекулы РНК могут химически атаковать другие фосфатные связи и их расщеплять.

Вторичная структура РНК-компонента теломеразы простейших

«Рабочая» форма одноцепочечной молекулы РНК, как и у белков, часто обладает третичной структурой. Третичная структура образуется на основе элементов вторичной структуры, образуемой с помощью водородных связей внутри одной молекулы. Различают несколько типов элементов вторичной структуры — стебель-петли, петли и псевдоузлы. В силу большого числа возможных вариантов спаривания оснований предсказание вторичной структуры РНК — гораздо более сложная задача, чем предсказание вторичной структуры белков, но в настоящее время есть эффективные программы, например, mfold.

Примером зависимости функции молекул РНК от их вторичной структуры являются участки внутренней посадки рибосомы (IRES). IRES — структура на 5′ конце информационной РНК, которая обеспечивает присоединение рибосомы в обход обычного механизма инициации синтеза белка, требующего наличия особого модифицированного основания (кэпа) на 5′ конце и белковых факторов инициации. Первоначально IRES были обнаружены в вирусных РНК, но сейчас накапливается всё больше данных о том, что клеточные мРНК также используют IRES-зависимый механизм инициации в условиях стресса.

Многие типы РНК, например, рРНК и мяРНК в клетке функционируют в виде комплексов с белками, которые ассоциируют с молекулами РНК после их синтеза или (у эукариот) экспорта из ядра в цитоплазму. Такие РНК-белковые комплексы называются рибонуклеопротеиновыми комплексами или .

Разные, как две капли воды

Известно, что все клетки многоклеточного организма имеют одинаковый геном. Впрочем, данное утверждение не совсем точно — столь длинный код не может триллионократно копироваться без единой ошибки, чтобы все копии были абсолютно идентичны, но большинство «опечаток» всё же остаются незамеченными из-за избыточности генетического кода. Одно «слово» — код одной аминокислоты, или триплет, — может быть заменено другим, синонимичным ему, и такого рода «опечатка» не приведёт к смысловой замене в кодируемом белке.

Выходит, сотни и тысячи типов клеток, различающихся в зависимости от местоположения и функции, развиваются из одной и той же зиготы. Значит, один набор хромосом формирует и округлый со вмятинкой посередине безъядерный эритроцит, и многоядерную веретенообразную клетку поперечнополосатой мышечной ткани, и тянущие друг к другу руки отростков нейроны, и секреторную клетку поджелудочной железы, и все остальные клетки, в которых производятся специфические, только им необходимые белки и проходят такие разные химические реакции?

1. Метилирование ДНК (добавление к некоторым участкам метильной группы — СН₃).
2. Модификация гистонов (этот путь предоставляет большие возможности для воплощения самых разнообразных фантазий природы: есть широкий спектр меток, которые можно присоединять к гистонам, чтобы управлять их работой и влиять таким образом на активность генов).

Рисунок 1. Клетки одного и того же организма — самые непохожие близнецы, хотя и являются, по сути, копиями

иллюстрация автора статьи

Драгоценное кружево и узелковое письмо: зачем и как ДНК упаковывают в хроматин

Рисунок 2. Узелковое письмо кипу

Зачем вообще образуется хроматин? Во-первых, упаковка ДНК в организованную структуру даёт широкий простор для регуляции считывания информации, заложенной в ней. Какие-то участки можно оставить более открытыми, какие-то — более закрытыми, влияя тем самым на то, какая информация будет считываться. Во-вторых, нить в развёрнутом виде длинная, тонкая, может легко запутаться, порваться, а повреждение её чревато серьёзными последствиями (вплоть до гибели клетки). Нить ДНК уязвима для веществ, растворённых в цитоплазме клетки (туда она попадает после того, как в процессе деления защитный «сейф» ядерной оболочки, где клетка хранит своё главное богатство, растворяется), её запросто может без всякого злого умысла покромсать на кусочки какой-нибудь фермент. Оставить тонкую нить ДНК без защиты никак нельзя.

Геном микроорганизмов

Процесс самовоспроизведения, во время которого происходит копирование важных данных из одного источника на другой, называют репликацией. Результатом этого действия (свойственного в том числе и для клеток бактерий) является создание себе подобной структуры. Участниками репликации (репликонами) у прокариотов считаются:

• кольцевая молекула ДНК,
• плазмиды.

Нуклеотиды ДНК у клеток бактерий расположены в определенной последовательности. Такое строение позволяет выстроить порядок аминокислот в белке. В каждом гене содержится уникальное число и расстановка нуклеотидов.

Все свойства и особенности прокариот определены их комплексом генов (генотипом). Если вести речь о микроорганизмах, то для них генотип и геном являются практически синонимами.

Фенотип является результатом взаимодействия совокупности генов и условий обитания. Он находится в зависимости от конкретных условий окружающей среды, но контролируется непосредственно генотипом. Это обусловлено тем, что все возможные изменения уже определены набором генов, составляющим участок кольцевой молекулы ДНК.

Генотип может меняться не только в зависимости от влияния окружающей среды. К его модификации могут приводить различные мутации или перестановки генов в строении молекулы ДНК. Исходя из этого, выделяют ненаследственную (средовую) изменчивость и наследственную (модификационную) форму изменений генотипа. Если нуклеотиды в кольцевой молекуле ДНК перестроились или были частично утеряны под воздействием мутации, то такое строение будет необратимым. А когда «виновником» изменений становятся факторы окружающей среды, то с их устранением исчезнут и вновь приобретенные качества.

Бактериальная хромосома

Кольцевая молекула ДНК в клетках различных представителей класса бактерий отличается по размерам. Но имеет схожее строение, как и функции, во всех случаях.

1. Бактериальная хромосома у прокариотов всегда одна.
2. Она находится в цитоплазме.
3. Если в клетках у эукариотов молекула ДНК имеет линейное строение и считается более длинной (в ней имеется до 1010 пар оснований), то у бактерий она замкнута в кольцо. И еще бактериальная хромосома прокариот короче (5106 пар оснований).
4. В одной кольцевой молекуле ДНК находится информация обо всех нужных функциях для жизнедеятельности бактерий. Эти гены можно поделить на 10 групп (по принципу процессов, которые они контролируют в клетке). Можно отобразить данную классификацию в виде таблицы.

Вообще, одна хромосома способна нести в себе около 1000 известных генов.

Плазмиды

Трансмиссивные репликоны способны передаваться из одной клетки в другую. Они несут в своей кольцевой молекуле ДНК некоторые признаки, которые причисляют к категории фенотипических изменений:

• выработка устойчивости к антибиотикам;
• способность продуцировать колицины (белковые вещества, способные уничтожать микроорганизмы того же рода, что послужили источником их возникновения);
• переработка сложных органических веществ;
• синтез антибиотических веществ;
• способность проникать в организм и вызывать заболевания;
• возможность преодолевать защитные механизмы, размножаться и распространяться в организме;
• умение вырабатывать токсины.

Последние три «навыка» называют факторами патогенности, знания о которых содержит в себе кольцевая молекула ДНК плазмид. Именно благодаря этим факторам болезнетворные бактерии становятся опасными для человеческого организма.

Таким образом, кольцевая молекула ДНК, имеющаяся у всех прокариот, одна несет в себе целый комплекс навыков, полезных для их выживания и жизнедеятельности.

Из двойной спирали — в четверную

Чтобы сформировать в ДНК такую крупную структуру, как G-квадруплекс, необходимо предварительно подвергнуть плавлению (разъединить) соответствующий участок классической двойной спирали. Длина таких участков может составлять несколько десятков нуклеотидов. К примеру, общая формула для поиска потенциальных G4-структур в геноме, использованная в работах исследователей из Кэмбриджского университета, выглядела как (G₃+N_1—7G₃+N_1—7G₃+N_1—7G₃) — то есть, предполагала длину квадруплекса от 15 до 33 пар оснований (хотя это далеко не единственный вариант ). Теоретически G-квадруплексы могут возникнуть практически в любом месте генома— при условии образования достаточно длинного однонитевого ДНК-фрагмента . Другое дело, что по показателям стабильности они будут существенно проигрывать.

Образованию четверных гуаниновых спиралей могут способствовать не только репликация, но и транскрипция (считывание гена), а также репарация (починка) хромосом . Кроме того, в ядре возможно спонтанное плавление двойной спирали ДНК, возникающее в результате тех или иных молекулярных эффектов . В конце концов, появление G4-структур может быть обусловлено целенаправленным воздействием на ДНК специальных белков — шаперонов, призванных формировать квадруплексы там, где это положено .

Типы тестов и расшифровка результатов

Исследование сперматозоида на наличие повреждений ДНК относится к области геномики и микробиологии. В андрологии и репродуктологии применяют следующие типы тестов:

• TUNEL. Устаревший метод, который по-прежнему практикует большинство лабораторий. Для выявления пробелов в цепочке ДНК используется светооптический эффект. Отдельные нуклеотиды маркируются и помещаются в образец спермы. Там они находят сперматозоиды с поврежденными сегментами цепочек и встраиваются в них. Половые клетки с вклинившимися в ДНК нуклеотидами будут светиться, лаборантам остается вычислить их процент в общей массе. Результат будет готов через 2 недели (в некоторых лабораториях срок продлевается до трех).
• HALO (HALOSPERM-тест, SCD). В отличие от предыдущего метода подсвечиваются не битые, а целые ДНК. Сперму смешивают с реактивом, в результате чего вокруг нормальных сперматозоидов образуется хорошо заметный ореол (на фото ниже). Метод считается наиболее чувствительным. Результат будет готов через 1-3 дня.
• SCSA. Сперматозоиды просвечивают лазерным лучом, под воздействием которого они окрашиваются в зависимости от степени повреждений ДНК: зеленый – норма, желтый – несущественные повреждения, красный – серьезные дефекты. Референсное (среднее для здорового мужчины) значение – 20% (меньше – норма, больше – высокий уровень фрагментации).

Анализ ДНК методом HALO

Тест проводится только совместно со спермограммой. Некоторые лаборатории позволяют предоставить предыдущий результат анализа, выполненного не более двух дней назад. Подготовка к сдаче теста на фрагментацию такая же, как и перед обычной спермограммой.

Цены в популярных медучреждениях (по умолчанию указана стоимость методом TUNEL без учета цены спермограммы):

• «ДНКом»: 8340 руб.;
• «Инвитро»: 8620 руб.;
• «Сперматест»: 6900 руб. за HALO, 7900 руб. за TUNEL.

По завершении исследования формируется протокол, где указывается индекс фрагментации – процентное соотношение между здоровыми и дефектными сперматозоидами (DNA Fragmentation Index (DFI)). Пример заключения и референсные значения:

Заключение теста ДНК-фрагментации, выполненного методом TUNEL

Интерпретация результатов исследования, выполненного методом HALO:

1. <20%: норма, вероятность наступления естественной беременности высокая.
2. 20-30%: естественное оплодотворение возможно, но есть риск замирания беременности и выкидыша.
3. 30-50%: рекомендовано ЭКО (сперматозоиды оплодотворяют яйцеклетку самостоятельно в условиях пробирки).
4. > 50%: потребуется отбор и искусственное введение сперматозоида в яйцеклетку (ИКСИ).
5. > 60%: вероятность успешного протокола ИКСИ крайне низка, рекомендуется донорская сперма.

Решение задач пятого типа

Основная информация:

• Молекула т-РНК синтезируется на ДНК по правилу комплементарности.
• Не забудьте, что в состав РНК вместо тимина входит урацил.
• Антикодон — это последовательность из трех нуклеотидов, комплементарных нуклеотидам кодона в и-РНК. В состав т-РНК и и-РНК входят одни те же нуклеотиды.

Задача: фрагмент ДНК имеет следующую последовательность нуклеотидов ТТАГЦЦГАТЦЦГ. Установите нуклеотидную последовательность т-РНК, которая синтезируется на данном фрагменте, и аминокислоту, которую будет переносить эта т-РНК, если третий триплет соответствует антикодону т-РНК. Для решения задания используйте таблицу генетического кода.

Решение: определяем состав молекулы т-РНК: ААУЦГГЦУАГГЦ и находим третий триплет — это ЦУА. Это антикодону комплементарен триплет и-РНК — ГАУ. Он кодирует аминокислоту асп, которую и переносит данная т-РНК.

Генетическая информация в клетке

Раздел в кодификаторе “ Организм как биологическая система”.

Задание относится к базовому уровню, при правильном выполнении можно получить за него 1 балл.

Темы, приведенные в кодификаторе:

3.1 Разнообразие организмов: одноклеточные и многоклеточные; автотрофы, гетеротрофы, аэробы, анаэробы.

3.2 Воспроизведение организмов, его значение. Способы размножения, сходство и различие полового и бесполого размножения. Оплодотворение у цветковых растений и позвоночных животных. Внешнее и внутреннее оплодотворение.

3.3 Онтогенез и присущие ему закономерности. Эмбриональное и постэмбриональное развитие организмов. Причины нарушения развития организмов.

3.4 Генетика, ее задачи. Наследственность и изменчивость – свойства организмов. Методы генетики. Основные генетические понятия и символика. Хромосомная теория наследственности. Современные представления о гене и геноме.

3.5 Закономерности наследственности, их цитологические основы. Закономерности наследования, установленные Г. Менделем, их цитологические основы (моно- и дигибридное скрещивание). Законы Т. Моргана: сцепленное наследование признаков, нарушение сцепления генов. Генетика пола. Наследование признаков, сцепленных с полом. Взаимодействие генов. Генотип как целостная система. Генетика человека. Методы изучения генетики человека. Решение генетических задач. Составление схем скрещивания.

3.6 Закономерности изменчивости. Ненаследственная (модификационная) изменчивость. Норма реакции. Наследственная изменчивость: мутационная, комбинативная. Виды мутаций и их причины. Значение изменчивости в жизни организмов и в эволюции.

3.7 Значение генетики для медицины. Наследственные болезни человека, их причины, профилактика. Вредное влияние мутагенов, алкоголя, наркотиков, никотина на генетический аппарат клетки. Защита среды от загрязнения мутагенами. Выявление источников мутагенов в окружающей среде (косвенно) и оценка возможных последствий их влияния на собственный организм.

3.8 Селекция, ее задачи и практическое значение. Вклад Н.И. Вавилова в развитие селекции: учение о центрах многообразия и происхождения культурных растений; закон гомологических рядов в наследственной изменчивости. Методы селекции и их генетические основы. Методы выведения новых сортов растений, пород животных, штаммов микроорганизмов. Значение генетики для селекции. Биологические основы выращивания культурных растений и домашних животных.

3.9 Биотехнология, ее направления. Клеточная и генная инженерия, клонирование. Роль клеточной теории в становлении и развитии биотехнологии. Значение биотехнологии для развития селекции, сельского хозяйства, микробиологической промышленности, сохранения генофонда планеты. Этические аспекты развития некоторых исследований в биотехнологии (клонирование человека, направленные изменения генома).

Тем действительно много, однако, задание далеко не самое сложное. Это одно из немногих заданий, на которое можно наловчиться, как решать пример по математике. Естественно, для этого нужно определенное количество знаний, но Вы сами убедитесь, что в отличие от других заданий, их не так много.

Задания приведены либо на вычисления, либо нужно указать количество чего-либо.