А.Н. СОЛОПЕНКО,
учитель химии и биологии МОУ СОШ № 4,
г. Дальнереченск, Приморский край

Решение задач по общей и молекулярной генетике

Предлагаемый задачник включает задачи по следующим темам: молекулярная генетика (роль нуклеиновых кислот в пластическом обмене), наследование признаков при моногибридном скрещивании (I и II законы Менделя), наследование признаков при дигибридном скрещивании (III закон Менделя), наследование признаков сцепленных с полом. Задачи расположены по сложности, звездочками (*) отмечены задачи повышенной сложности.

Задачник содержит методические рекомендации, цель которых – помочь в самостоятельном освоении способов решения задач. В пособии приводятся примеры типовых задач с подробным объяснением оформления, условных обозначений и решения. Каждый тип задач предваряется кратким теоретическим материалом. Для закрепления полученных знаний предлагаются контрольные задания (Приложение 5), которые можно решать как в классе, так и дома (с последующим зачетом этой контрольной работы).

Пособие может быть использовано как при углубленном изучении биологии в школе, так и при подготовке к поступлению в вузы.

Решение задач по молекулярной генетике

Ген – это участок ДНК, кодирующий определенный белок. Малейшее изменение структуры ДНК ведет к изменениям белка, что в свою очередь изменяет цепь биохимических реакций с его участием, определяющих тот или иной признак или серию признаков.

Первичная структура белка, т.е. последовательность амнокислотных остатков, зашифрована в ДНК в виде последовательности азотистых оснований аденина (А), тимина (Т), гуанина (Г) и цитозина (Ц). Каждая аминокислота кодируется одной или несколькими последовательностями из трех нуклеотидов – триплетами. Синтезу белка предшествует перенос его кода с ДНК на информационную РНК (иРНК) – транскрипция. При транскрипции выполняется принцип дополнения, или комплементарности: А, Т, Г и Ц в ДНК соответствуют У (урацил), А, Ц и Г в иРНК. Непосредственно синтез белка, или трансляция, происходит на рибосоме: аминокислоты, подносимые к рибосоме своими транспортными РНК (тРНК), соединяются в полипептидную цепь белка соответственно триплетам оснований иРНК.

Однозначная связь между последовательностями нуклеотидов в ДНК и аминокислот в полипептидной цепи белка позволяет по одной из них определить другую. Зная изменения в ДНК, можно сказать, как изменится первичная структура белка.

Задача 1. Фрагмент молекулы ДНК состоит из нуклеотидов, расположенных в следующей последовательности: ТАААТГГЦААЦЦ. Определите состав и последовательность аминокислот в полипептидной цепи, закодированной в этом участке гена.

Решение

Выписываем нуклеотиды ДНК и, разбивая их на триплеты, получаем кодоны цепи молекулы ДНК:
ТАА–АТГ–ГЦА–АЦЦ.
Составляем триплеты иРНК, комплементарные кодонам ДНК, и записываем их строчкой ниже:
ДНК: ТАА–АТГ–ГЦА–АЦЦ
иРНК: АУУ–УАЦ–ЦГУ–УТТ.
По таблице кодонов (Приложение 6) определяем, какая аминокислота закодирована каждым триплетом иРНК:
Иле–Тир–Арг–Трп.

Задача 2. Фрагмент молекулы содержит аминокислоты: аспарагиновая кислота–аланин–метионин–валин. Определите:

а) какова структура участка молекулы ДНК, кодирующего эту последовательность аминокислот;
б) количество (в %) различных видов нуклеотидов в этом участке гена (в двух цепях);
в) длину этого участка гена.

Решение

а) По таблице кодонов (Приложение 6) находим триплеты иРНК, кодирующие каждую из указанных аминокислот.
Белок: Асп–Ала–Мет–Вал
иРНК: ГАЦ–ГЦА–АУГ–ГУУ
Если аминокислоте соответствуют несколькими кодонов, то можно выбрать любой из них.
Определяем строение той цепочки ДНК, которая кодировала строение иРНК. Для этого под каждым кодоном молекулы иРНК записываем комплементарный ему кодон молекулы ДНК.
1-я цепь ДНК: ЦТГ–ЦГТ–ТАЦ–ЦАА.

б) Чтобы определить количество (%) нуклеотидов в этом гене, необходимо, используя принцип комплементарности (А–Т, Г–Ц), достроить вторую цепь ДНК:
2-я цепь ДНК: ГАЦ–ГЦА–АТГ–ГТТ
Находим количество нуклеотидов (нтд): в двух цепях – 24 нтд, из них А = 6. Составляем пропорцию:
24 нтд – 100%
6 нтд – х%
х = (6x100) : 24 = 25%

По правилу Чаргаффа количество аденина в молекуле ДНК равно количеству тимина, а количество гуанина равно количеству цитозина. Поэтому:

Т = А = 25%
Т + А = 50%, следовательно
Ц + Г = 100% – 50% = 50%.
Ц = Г = 25%.

в) Молекула ДНК всегда двухцепочечная, ее длина равна длине одной цепи. Длина каждого нуклеотида составляет 0,34 нм, следовательно:
12 нтд x 0,34 = 4,08 нм.

Задача 3. Молекулярная масса белка Х равна 50 тыс. дальтонов (50 кДа). Определите длину соответствующего гена.

Примечание. Среднюю молекулярную массу одной аминокислоты можно принять равной 100 Да, а одного нуклеотида – 345 Да.

Решение

Белок Х состоит из 50 000 : 100 = 500 аминокислот.
Одна из цепей гена, кодирующего белок X, должна состоять из 500 триплетов, или 500 x 3 = 1500 нтд.
Длина такой цепи ДНК равна 1500 x 0,34 нм = 510 нм. Такова же длина гена (двухцепочечного участка ДНК).

Решение задач по общей генетике

Основные понятия и символы

• Ген – участок молекулы ДНК в хромосоме, содержащий информацию о первичной структуре одного белка; гены всегда парные.

• Генотип – совокупность всех генов организма.

• Фенотип – совокупность всех внешних признаков организма.

• Гибрид – организм, сформировавшийся в результате скрещивания особей, различающихся по ряду признаков.

• Альтернативные признаки – контрастные признаки (белый – черный, желтый – зеленый).

• Локус – местоположение гена в хромосоме.

• Аллельные гены – два гена, занимающие одинаковые локусы в гомологичных хромосомах и определяющие альтернативные признаки.

• Неаллельные гены – гены, занимающие разные локусы в хромосомах.

• Признаки, наследуемые по Менделю, – наиболее часто встречающиеся в решении задач (Приложение 7).

Аллельные гены могут находиться в двух состояниях: доминантном, обозначаемом прописной буквой латинского алфавита (А, В, С и т.д.), или рецессивном, обозначаемом строчной буквой (а, b, с и т.д.).

Организмы, имеющие одинаковые аллели одного гена, например доминантные (АА) или рецессивные (аа), называются гомозиготными. Они дают один сорт гамет (А) или (а).

Организмы, имеющие разные аллели одного гена (Аа), называются гетерозиготными. Они дают два сорта гамет (А и а).

Символы:

х – скрещивание организмов;
Р – родители;
F – дети; индекс означает номер поколения: F₁, F₂, F_n и т.д.;
Г – гаметы родителей или половые клетки;
– «щит и копье Марса», мужской пол;
– «зеркало Венеры», женский пол.

Этапы решения задач

1. Запись генотипов и фенотипов родителей.
2. Запись возможных типов гамет у каждого родителя.
3. Запись возможных типов зигот.
4. Подсчет соотношения генотипов и фенотипов потомства.

1. Графический способ:

2. Алгебраический способ:

F₁ (В + b) (В + b)
F₂ = BB + 2Bb + bb

3. Решетка Пеннета:

Моногибридное скрещивание

Решение задач на моногибридное скрещивание включает анализ наследования признаков, определяемых лишь одной парой аллельных генов. Мендель определил, что при скрещивании гомозиготных особей, отличающихся одной парой признаков, все потомство фенотипически единообразно (I закон Менделя).

При полном доминировании гибриды I поколения обладают признаками только одного из родителей, поскольку в этом случае проявление гена А в аллельной паре не зависит от присутствия другого гена а (аллель а не проявляется, поэтому ее называют рецессивной), и гетерозиготы (Аа) фенотипически не отличаются от гомозигот (АА).

При скрещивании моногибридов во втором поколении происходит расщепление признаков на исходные родительские в отношении 3 : 1 по фенотипу и 1 : 2 : 1 по генотипу (II закон Менделя): 3/4 потомков имеют признаки, обусловленные доминантным геном, 1/4 – признак рецессивного гена.

Задача 1. Определите генотипы и фенотипы потомства кареглазых гетерозиготных родителей.

Дано:

А – карие глаза
а – голубые глаза
Определить: F₁

Решение

Гетерозиготные кареглазые родители Аа

Происходит расщепление признаков, согласно II закону Менделя:

по фенотипу 3 : 1
по генотипу 1 : 2 : 1

Задача 2. Найти соотношение гладких и морщинистых семян у гороха в первом поколении, полученном при опылении растений с морщинистыми семенами пыльцой гомозиготных растений с гладкими семенами.

Дано:

А – гладкие семена
a – морщинистые семена
Определить: F₁

Решение

Согласно I закону Менделя все семена гладкие.
Возможна и другая запись.

Гомозиготы по данной паре признаков образуют один сорт гамет:

При неполном доминировании функционируют оба гена, поэтому фенотип гибридов отличается от гомозигот по обоим аллелям (АА и аа) промежуточным проявлением признака, и во втором поколении происходит расщепление на три класса в отношении 1:2:1 как по генотипу, так и по фенотипу.

Задача 3. Растения красноплодного крыжовника при скрещивании между собой дают потомство с красными ягодами, а растения белоплодного крыжовника – белыми. В результате скрещивания обоих сортов друг с другом получаются розовые плоды.

1. Какое потомство получится при скрещивании между собой гетерозиготных растений крыжовника с розовыми плодамиx

2. Какое потомство получится, если опылить красноплодный крыжовник пыльцой гибридного крыжовника с розовыми плодамиx

Дано:

А – красная окраска плодов
а – белая окраска плодов
F₁ – x

Решение

Ответ: при скрещивании гибридных растений с розовыми плодами в потомстве происходит расщепление в соотношении по фенотипу и генотипу 1:2:1.

При скрещивании красноплодного крыжовника с розовоплодным в потомстве получится расщепление по фенотипу и генотипу в соотношении 1:1.

В генетике часто используют анализирующее скрещивание. Это скрещивание гибрида, генотип которого неясен, с гомозиготной особью по рецессивным генам аллеля. Расщепление в потомстве по признаку происходит в соотношении 1:1.

Дигибридное скрещивание

Дигибридное скрещивание – это скрещивание, при котором организмы отличаются двумя парами альтернативных признаков. Гибриды, полученные от такого скрещивания, называются дигетерозиготами. При скрещивании двух гомозиготных особей, отличающихся друг от друга по двум и более парам признаков, гены и соответствующие им признаки наследуются независимо друг от друга и комбинируются во всех возможных сочетаниях. При дигибридном скрещивании двух дигетерозигот (особей F₁) между собой во втором поколении гибридов (F₂) будет наблюдаться расщепление признаков по фенотипу в соотношении 9:3:3:1 (III закон Менделя). Это соотношение фенотипов – результат наложения двух моногибридных расщеплений:
, где «n» – число пар признаков.
Число возможных вариантов гамет равно 2ⁿ, где n – число гетерозиготных пар генов в геноме, а 2 – возможное число гамет у моногибридов.

Примеры

Образование четырех сортов гамет возможно, т.к. в мейозе (профаза I) происходит конъюгация и кроссинговер хромосом.

Задача 4. Какими признаками будут обладать гибридные абрикосы, полученные в результате опыления дигомозиготных красноплодных растений нормального роста, пыльцой желтоплодных карликовых растенийx Какой результат даст дальнейшее скрещивание таких гибридовx

Дано:

А – красная окраска плодов
а – желтая окраска плодов
В – нормальный рост
b – карликовый рост

Определить: F₁ и F₂

Решение

Ответ: при скрещивании гибридов в F₂ произойдет расщепление в соотношении:

9/16 – красноплодные, нормальный рост;
3/16 – красноплодные, карликовый рост;
3/16 – желтоплодные, нормальный рост;
1/16 – желтоплодные, карликовый рост.

Продолжение следует