1. Предмет медицинской биологии, его содержание, связь с другими науками. Биология и медицина. Человек в Системе природы. Соотношение биологического и социального в человеке
 Скачать 0.58 Mb.
|
|
1. Предмет медицинской биологии, его содержание, связь с другими науками. Биология и медицина. Человек в Системе природы. Соотношение биологического и социального в человеке. Биология - наука о живой природе. 1882 Ламарк – наука о жизни, как особом явлении природы. Биология изучает жизнь во всех ее проявлениях, т.е. морфологию, физиологию, эволюцию живых организмов, их взаимоотношения друг с другом и средой обитания. Биология – это теоретическая основа медицины. Медицинская биология – это наука о людях, их происхождении, эволюции и географическом распространении, об изменении численности человеческих популяций и их структуры во времени и пространстве. Изучает наследственность человека, сущность и значение врожденных различий между индивидуумами, экологию человека, а также адаптивные механизмы и средства, которые человек использует в борьбе с враждебным окружением, в том числе и возбудителями болезней. Объектом изучения является человек. Врач должен связывать здоровье пациентов с сочетанным действием трех факторов: наследственности, среды жизни и образа жизни. Человек в системе природы. Человек – часть природы, поэтому структура и функции человеческого организма, а также его генетическая программа – это результат длительных эволюционных преобразований предшествующих форм. Становление социального человека происходит через преобразование психики животных в сознание человека под влиянием социальных факторов (труда, речи, общественной жизни, воспитания и образования). В сочетании этих двух черт заключается качественное своеобразие человека как биологического вида, т.е. человек – существо биосоциальное. Основная задача медицинской биологии – изучение законов жизнедеятельности человека, т.е. биологического начала, а социальное – предмет изучения философов и социологов. 2. Современные представления о сущности жизни. Определение понятия "живое". Качественные отличия и характеристики живых систем. Уровни организации живой материи. Ф. Энгельс: «Жизнь есть способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей внешней средой…». М.В. Волькенштейн (1965): «Живые тела – открытые, саморегулирующиеся и самовоспроизводящиеся системы, построенные из биополимеров – белков и нуклеиновых кислот». Живые системы – открытые системы, они постоянно обмениваются веществами и энергией со средой. Для них характерна отрицательная энтропия (увеличение упорядоченности). В живых системах очень ярко проявляется способность к самоорганизации материи. Отличия живой системы от неживой: 1. Способность к самовоспроизведению на основе нонвариантной редупликации ДНК (происходит с ошибками - мутации) 2. Способность к саморегуляции на основе принципа обратной связи. 3. Способность к самосохранению на основе внутренней саморегуляции, то есть упорядочность во времени и пространстве всех метаболических процессов и обеспечивающие биологический гомеостаз системы(постоянство) Главные характеристики живой системы: Единство элементарного химического состава. Единство биохимического состава. Единство структурной организации. Обмен веществ и энергии (метаболизм). Открытость. Саморегуляция. Самовоспроизведение. Наследственность. Изменчивость. Способность к росту и развитию (индивидуальному и историческому). Раздражимость. Дискретность и целостность. 5 компонентов живых систем. Управляющие компоненты. Структурный компонент. Преобразователи энергии. Механизмы саморегуляции. Механизмы самовоспроизведения. Уровни организации живой системы сложившиеся в ходе эволюции: 1 молекулярно-генетический (Элементарная единица – ген; Элементарное явление – конвариантная редупликация или самовоспроизведение с изменением генов в силу относительной стабильности ДНК.) 2. клеточный – (Элементарная единица – клетка; Элементарное явление – реакции клеточного метаболизма.) 3. онтогенетический - Элементарная единица – особь, закономерные изменения которой в индивидуальном развитии составляют элементарное явление. 4 популяционно-видовой - Элементарная единица – популяция; Элементарное явление – эволюционно значимые изменения генофонда популяции под влиянием элементарных эволюционных факторов 5. биоценотический - Элементарная единица – биогеоценоз; Элементарное явление – круговорот веществ и энергии. 3.Клетка как элементарная форма организации живой материи. Клеточная теория, ее сущность и значение. Типы клеточной организации. Специализация и интеграция клеток многоклеточного организма. Клетка – открытая живая система, которая обменивается с окружающей средой тремя потоками: вещества, энергии и информации. Клетка – элементарная единица строения и жизнедеятельности всех живых организмов (кроме вирусов), обладающая собственным обменом веществ, способная к самостоятельному существованию, самовоспроизведению и развитию. (Наука – цитология.) Клетки могут существовать как одноклеточные организмы, так и в составе многоклеточных организмов. Клеточная теория – одно из общепризнанных биологических обобщений, утверждающих единство принципа строения и развития мира растений и животных и остальных живых организмов с клеточным строением, в которой клетка рассматривается в качестве общего структурного элемента живых организмов. Немецкий ученый Т. Шванн, опираясь на работу М. Шлейдена, в 1838-1839 гг сформулировал следующие положения:
Позднее Р. Вирхов (1858) внес уточнение:
Современная клеточная теория содержит следующие положения: 1. Клеточная организация возникла на заре жизни и прошла долгий путь эволюции от безъядерных (прокариот) к ядерным (эукариотам), от предклеточных организмов к одно- и многоклеточным. 2. Новые клетки образуются путем деления ранее существующих. 3. Клетка является микроскопической живой системой, состоящей из цитоплазмы и ядра, окруженных мембраной (за исключением прокариот). 4. В клетке осуществляется: А) метаболизм Б) обратимые физиологические процессы – дыхание, раздражимость, движение В) необратимые процессы – рост и развитие. 5. Клетка может быть самостоятельным организмом (прокариоты и простейшие, одноклеточные водоросли и грибы). Все многоклеточные организмы также состоят из клеток и их производных. Рост, развитие и размножение многоклеточного организма – следствие жизнедеятельности одной (зигота) или нескольких клеток (культура тканей). Эти положения доказывают единство происхождения всех живых организмов, единство всего органического мира. Благодаря клеточной теории стало понятно, что клетка - это важнейшая составляющая часть всех живых организмов. Типы клеточной организации: Выделяют два типа клеточной организации: 1) прокариотический, 2) эукариотический. Общим для клеток обоих типов является то, что клетки ограничены оболочкой, внутреннее содержимое представлено цитоплазмой. В цитоплазме находятся органоиды и включения. Органоиды — постоянные, обязательно присутствующие, компоненты клетки, выполняющие специфические функции. Органоиды могут быть ограничены одной или двумя мембранами (мембранные органоиды) или не ограничены мембранами (немембранные органоиды). Включения — непостоянные компоненты клетки, представляющие собой отложения веществ, временно выведенных из обмена или конечных его продуктов. Эукариотические клетки по определению и в отличие от прокариотических имеют ядро. Ообычный линейный размер клеток прокариот 1-10 мкм, эукариот –10-100 мкм. Метаболизм прокариот как анаэробный, так и аэробный, эукариот – аэробный. Органоиды у прокариот немногочисленны или отсутствуют, мембранных органоидов - нет. ДНК прокариот кольцевая, располагается в цитоплазме, ДНК эукариот – линейная, организована в хромосомы, расположена в ядре. Цитоплазма прокариот не имеет цитоскелета, движения цитоплазмы, экзо- и эндоцитоза. Деление прокариотической клетки – бинарное, пополам, эукариотической – митоз или мейоз. Наконец, прокариотические организмы - одноклеточные, а эукариотические - преимущественно многоклеточные, с клеточной дифференциацией. Специализация клеток многоклеточного организма - это клетки которые объединены в различные органы и ткани, специализирующиеся на выполнении определённых функций. Интеграция клеток - это образование клеточных комплексов, в пределах которых клетки специализируются на выполнении узко ограниченной работы и действуют как единое целое, как единая система.   Поток энергии в клетке4.Клетка как открытая живая система: потоки вещества, энергии и информации в клетке, их связь с различными клеточными структурами. Клетка – открытая живая система, которая обменивается с окружающей средой тремя потоками: вещества, энергии и информации. Обмен веществ клетки нужен для постоянного самообновления ее белков и структурных компонентов, клетка получает из окружающей среды пластический материал, из которого строится тело или производится определенная работа. Для процесса самообновления и совершения работы нужна энергия, универсальным источником энергии является АТФ. Поток веществ и энергии тесно связаны между собой в единый процесс внутриклеточного метаболизма. Метаболизм представлен 2 каскадами: анаболизм и катаболизм. Ассимиляция (анаболизм) или пластический обмен – усвоение необходимых для организма веществ и превращение их в соединения, аналогичные компонентам этого организма и необходимые для его жизнедеятельности. Диссимиляция (катаболизм) или энергетический обмен – при котором образованные и накопленные при ассимиляции сложные органические соединения разлагаются до более простых соединений или конечных продуктов с постепенным высвобождением энергии, без которых невозможен биосинтез. Поток энергии у представителей разных групп организмов обеспечивается механизмами энергоснабжения —брожением, фото- или хемосинтезом, дыханием. Центральная роль в биоэнергетике клеток животных принадлежит дыхательному обмену. Он включает реакции расщепления глюкозы, жирных кислот, аминокислот, а также использование выделяемой энергии для образования АТФ. Энергия АТФ, непосредственно или будучи перенесена на другие макроэргические соединения (например, креатинфосфат), в разнообразных процессах преобразуется в тот или иной вид работы — химическую (синтезы), осмотическую (поддержание перепадов концентрации веществ), электрическую, механическую, ре-гуляторную. Среди органелл животной клетки особое место в дыхательном обмене принадлежит митохондриям, выполняющим функцию окислительного фосфорилирования, а также матриксу цитоплазмы, в котором протекает процесс бескислородного расщепления глюкозы — анаэробный гликолиз Обмен энергии в клетке Метаболизм – совокупность взаимосвязанных ферментативных и неферментативных реакций синтеза (ассимиляция, анаболизм) и распада (диссимиляция, катаболизм). 1. Катаболизм (энергетический обмен). Этапы: 1) Подготовительный. Проходит в пищеварительной системе; на наружной поверхности мембраны и клеток (пример: в тонком кишечнике). Расщепление: -углеводы -> моносахариды, -белки -> аминокислоты, -жиры -> глицерин и высшие жирные кислоты -нуклеиновые кислоты -> нуклеотиды Энергетический выход – рассеивается в виде тепла. 2) Бескислородный (гликолиз). В цитоплазме клеток глюкоза расщепляется до двух молекул пировиноградной кислоты. С6Н12О6 + 2АДФ + 2Н3PO4 = 2СН3СООН + 2АТФ + 2Н2О Энергетический выход – 2 АТФ 3) Кислородный (клеточное дыхание). На внутренней мембране митохондрий. ПВК расщепляется до СО2 и Н2О -образуется ацетил-коэнзим А -цикл Кребса (1937 г.) -перенос ее по цепи дыхательных ферментов и окислительноефосфорилирование. 2C3Н4О3 + 6О2 + 36Н3РО4 + 36АДФ = 36АТФ + 6СО2 + 42Н2О Энергетический выход – 36 АТФ (около 600 кДж). 2. Анаболизм (пластический обмен). Для гетеротрофов реакции синтеза органических веществ заключается в перестройке молекул, существующих в клетке. Для автотрофов органические вещества синтезируются в ходе фото- и хемосинтеза. Фотосинтез – механизм преобразования энергии солнца в энергию химических связей органических веществ. Строение биологической мембраны – бислой липидов головками внутрь клетки, а концами обращены друг другу. Пронизывают белки на различной глубине. Функции клеточной мембраны 1) защитная, барьерная - защита от повреждения и проницаемости вредных веществ 2) адгезивная – межклеточные контакты 3) антигенная – клетки иммунной системы могут различать чужие белки. 4) рецепторная - сигналы опознавания 5) ферментативная 6) биоэлектрическая – на свойствах билипидного слоя нести различные заряды при действие раздражителя. 7) транспортная. Мембранный транспорт – лежит в основе потока веществ и энергии. Виды транспорта- пассивный и активный, экзо- и эндо- цитоз. Пассивный транспорт без затраты энергии по градиенту концентрации. (м-на пронизана порами) Способы 1) простая диффузия через поры (через поры мембран; вещества, растворимые в жидкости, газы); 2) облегченная диффузия - белки переносчики 3) осмос (вода поступает в клетку) 2) Активный транспорт Проходит с затратой энергии, вещества поступают против градиента концентраций, против электрохимического градиента. Механизмы: 1) Первично-активный транспорт (работа ионных насосов, источник энергии – АТФ) Ионные насосы: - водородные (митохондрии); - кальциевые - Na, К-АТФаза 2) Вторично-активный транспорт (источник энергии – одновременный перенос другого вещества с помощью белков-переносчиков) - экзо- и эндоцитоз Эндоцитоз – поглощение веществ клеткой. Процесс открыт Мечниковым (1882 г.). В клетку поступают крупные макромолекулы. Мембрана образует впячивания или выросты, которые превращаются в пузырьки. 1) Фагоцитоз (клетки печени, лейкоциты, простейшие Осуществляют клетки-фагоциты; фагосомы-пузырьки. 2) Пиноцитоз – поглощение жидкостей в виде истинных и коллоидных растворов (пример: всасывание веществ в кишечнике). Экзоцитоз – выведение веществ из клетки связан с образованием транспортных пузырьков в комплексе Гольджи или ЭПР, которые затем направляются к клеточной мембране. Бывает: - основной (конститутивный) – протекает непрерывно во всех клетках организма, обеспечивает выведение из клеток продуктов метаболизма и постоянное восстановление и обновление клеточной мембраны. - регуляторный (регулируемый) – осущетвляется секреторными клетками, которые для работы требуют поступление в них соответствующего сигнала извне (пример: выделение гормонов поджелудочной железы при поступлении глюкозы). Благодаря потоку информации клетки сохраняют и передают потомкам многовековой опыт своих предшественниц, а именно сохраняют индивидуальную и видовую специфичность, воссоздают свою структурную организацию и сохраняют способность к выполнению своих функций в организме. Белковые молекулы не способны к самовоспроизведению, необходима матрица т.е носитель информации – молекула нуклеиновых кислот (ДНК). В потоке информации участвует ядро (ДНК, хромосомы), макромолекулы, переносящие информацию в цитоплазму (иРНК), цитоплазматический аппарат транскрипции (рибосомы и полисомы, тРНК, ферменты активации аминокислот). Кроме ядерного генома (основного) функционируют также геномы митохондрий, а в зеленых пластидах – и хлоропласты 1) У Прокариот: ДНК → транскрипция → и-РНК → транцляция → белок 2) У Эукариот: ДНК → транскрипция → про-иРНК → процессинг → сплайсинг → → «зрелая» и-РНК → трансляция → белок. 5. Клеточный цикл, его периодизация и характеристика. Значение интерфазы и митоза. Проблема клеточной пролиферации в медицине. Понятие о митотической активности ткани. Ингибиторы и стимуляторы митоза. Роль кейлонов. Клеточный цикл – период существования клетки от момента ее образования путем деления материнской клетки до собственного ее деления или смерти. Фазы клеточного цикла у эукариот. 2 периода:
G1 фаза – синтез мРНК, белков, других клеточных компонентов. (2n2c) S фаза – репликация ДНК клеточного ядра, увеличение в два раза центриолей.(2n4c) G2 фаза – подготовка к делению: синтез РНК, АТФ, белков, увеличение массы цитоплазмы и объема ядра. (2n4c)
Митоз, или непрямое деление – деление ядра соматических клеток эукариот с сохранением числа хромосом. Протекает без осложнений в клетках любой плоидности, поскольку не включает как необходимый этап конъюгацию гомологичных хромосом в профазе; это лишь одна из частей клеточного цикла. П  рофазаУвеличение размеров ядра, появление хромосомных нитей; спирализация и дегидратация хромосом; хромосомы становятся видимыми в световой микроскоп, удвоенные центриоли начинают отходить друг от друга к противоположным полюсам клетки, между ними образуется ахроматиновое веретено деления. (2n4c) Прометафаза Разрушение ядерной оболочки, ядрышки исчезают, заканчивается формирование веретена деления. Метафаза Движения хромосом почти полностью замирают, кинетохоры хромосом располагаются на экваторе, плечи хромосом располагаются перпендикулярно к веретену деления. Спирализация хромосом достигает максимум. (2n4c) Анафаза Центриоли расходятся и хроматиды отделяются друг от друга. Деления происходят одновременно во всех хромосомах. С этого момента сестринские хроматиды называются сестринскими хромосомами и начинают расходиться к полюсам клетки. (4n4c) Телофаза Хромосомы располагаются у полюсов клетки. Хромосомы деспирализуются, образуются новые ядрышки. Идет образование двух дочерних клеток, которые генетически идентичны друг другу и материнской. (2n2c) Значение митоза: - обеспечивает точное распределение генетического материала между дочерними клетками. - основа роста и развития многоклеточного организма, регенерации тканей. - основа бесполого размножения. В животной клетке митоз длится 30-60 минут; в растительной – 2-3 часа. Амитоз – прямое деление клетки, при котором не образуется веретено деления, не происходит спирализация хромосом, может заключаться только в делении ядра, что приводит к образованию многоядерных клеток. Пример: в клетках поперечнополосатых мышц при патологии. Пролиферация – разрастание ткани организма путем размножения клеток. Механизм пролиферации отличается от других механизмов изменения объема клетки, например апоптоза. Термин в медицине впервые ввел Р. Вирхов. Регулировать интенсивность пролиферации можно стимуляторами и ингибиторами, которые могут вырабатываться и вдали от реагирующих клеток (например гормонами), и внутри них. С помощью пролиферации ликвидируется образовавшиеся при повреждении тканей дефекты и нормализуется нарушенная функция. Пролиферация может возникать вследствие нарушения гормональных влияний, приводя, например, к акромегалии. Одни органы и ткани обладают очень высокой способностью к профилерации клеток: соединительная, костная, печень, эпидермис, эпителий слизистых оболочек. Другие – более умеренной: скелетные мышцы, поджелудочная железа, слюнные железы. Третьи – совсем или почти лишены этой способности: центральная нервная система, миокард. Митотический индекс – процент делящихся клеток от общего числа проанализированных клеток. Данный индекс можно вычислить, используя световой микроскоп, просчитав в поле зрения клетки с видимыми хромосомами иразделив его на общее число клеток в поле зрения. Клеточный цикл можно остановить с помощью колхицина, он нарушает образование микротрубочек. Кейлоны – гормоны – представлены белками или пептидами различной молекулярной массы; это вещества, тормозящие пролиферацию клеток.  6. Строение и свойства нуклеиновых кислот, их роль в передаче, хранении и воспроизведении наследственной информации (правила Чаргаффа, работы Ф. Крика и Д. Уотсона). Нуклеиновые кислоты – высокомолекулярные органические соединения, биополимеры, образованные остатками нуклеотидов. Нуклеиновые кислоты ДНК и РНК присутствуют в клетках всех живых организмов и выполняют важнейшие функции по хранению, передаче и реализации наследственной информации. В 1953 г. - Уотсон и Крик установили вторичную структуру ДНК – двойную спираль. В 1949-51 гг. Эрвин Чаргафф сформулировал правила, осмысливающее количественные соотношения между азотистыми основаниями.
Вместе с тем, соотношение (А+Т)/(Г+Ц) может быть различным. У ДНК разных видов – коэффициент специфичности ДНК. ДНК – линейный биополимер в виде спирали (2 нм). Длина шага 3,4 нм, ширина спирали 0,34 нм. Цепи ДНК коллинеарны и параллельны. Мономер – нуклеотид, углевод – дезоксирибоза, азотистый остатки: пуриновые А,Г – пяти-и шестичленный цикл, пиримидиновые Т,Ц – шестичленный цикл. Связи между нуклеотидами в цепи образуются за счет дезоксирибозы и фосфатной группы. ДНК открыта Мишером в 1869 г. Локализация ДНК – ядро, митохондрии, пластиды, у прокариот в цитоплазме. Функции ДНК – 1) хранение генетической информации; 2) передача генетической информации в процессе деления клетки на основе редупликации; 3) матрица для синтеза всех РНК клетки. РНК – одиночная полинуклеотидная цепочка. Мономер – рибонуклеотид, углевод – рибоза, азотистые основания – пуриновые А,Г, пиримидиновые Ц,У. Локализация РНК – ядрышко, рибосомы, цитоплазма, митохондрии, хлоропласты. Виды РНК: 1) иРНК (1%) – матрица для синтеза белков; 2) тРНК (>10%) – перенос аминокислот из цитоплазмы к рибосомам; 3) рРНК (90%) – формирует структуру рибосом, участвует в инициации и терминации белкового синтеза. Свойства ДНК – репликация, репарация. (см лекцию!) Редупликация ДНК Полуконсервативный метод – каждая материнская цепочка материнской молекулы ДНК является матрицей для синтеза дочерней. - синтез на материнских цепочках идет параллельно. - проходит от начала и до конца матрицы. Суть репликации днк заключается в том, что специальный фермент разрывает слабые водородные связи, которые соединяют между собой нуклеотиды двух цепей. В результате цепи ДНК разъединяются, и из каждой цепи «торчат» свободные азотистые основания (возникновение так называемой вилки репликации). Особый фермент ДНК-полимераза начинает двигаться вдоль свободной цепи ДНК от 5'- к З'-концу (лидирующая цепь), помогая присоединиться свободным нуклеотидам, постоянно синтезируемым в клетке, к З'-концу вновь синтезируемой цепи ДНК. На второй нити ДНК (отстающая нить) новая ДНК образуется в виде небольших сегментов, состоящих из 1000—2000 нуклеотидов (фрагменты Оказаки). Для начала репликации днк фрагментов этой нити требуется синтез коротких фрагментов РНК (о характерных особенностях РНК будет сказано ниже) как затравок, для чего используется особый фермент — РНК-полимераза (праймаза). Впоследствии праймеры РНК удаляются, в образовавшиеся бреши встраивается ДНК с помощью ДНК полимеразы I. Таким образом, каждая цепь ДНК используется как матрица или шаблон для построения комплементарной цепи и репликация ДНК является полуконсервативной (т.е. одна нить в новой молекуле ДНК — «старая», а вторая — новая). Для репликации лидирующей и отстающей цепей клеткой используют разные ферменты. В результате репликации образуются две новые абсолютно идентичные молекулы ДНК, идентичные также исходной молекуле ДНК до начала ее редупликации (более подробно процесс репликации ДНК показан на рис. 3.5). ДНК-полимераза, как и любой другой фермент, существенно ускоряет процесс присоединения комплементарных нуклеотидов к свободной цепи ДНК, однако химическое сродство аденина к тимину, а цитозина к гуанину столь велико, что они соединяются друг с другом и в отсутствие ДНК-полимеразы в простой реакционной смеси1. Можно сказать, несколько упрощая, что феномен точного удвоения молекулы ДНК, в основе которого лежит компле-ментарность оснований этой молекулы, составляет молекулярную основу наследственности. Скорость репликации ДНК у человека относительно низкая и для того, чтобы обеспечить репликацию ДНК любой хромосомы человека, требовались бы недели, если бы репликация начиналась из одной точки. На самом деле в молекуле ДНК любой хромосомы, а-каждая хромосома человека содержит только одну молекулу ДНК, имеется множество мест инициации репликации (репликонов). От каждого репликона репликация идет в обоих направлениях до тех пор, пока соседние репликоны не сливаются. Поэтому репликация ДНК в каждой хромосоме протекает относительно быстро. А  . Вилка репликации. Новая нить ДНК синтезируется только в направлении от 5'- к З'-концу. Каждая из двух нитей ДНК служит матрицей для синтеза новой нити. Так как родительские нити антипараллельны, то непрерывная репликация ДНК происходит в направлении 5' -> 3' только на одной нити, которая называется ведущей (лидирующей). Б. Синтез новой цепи на отстающей нити требует постоянного образования новых затравок для начала репликации и осуществляется небольшими сегментами по 1000—2000 нуклеотидов в каждом (фрагменты Оказаки). Заправки представляют собой короткие последовательности РНК, которые синтезируются при участии РНК-полимеразы (праймазы). Затравки деградируют после завершения синтеза следующего фрагмента Оказаки. Образованные соседние фрагменты ДНК соединяются ДНК-лигазой. В. Показано, как происходит движение репликативной вилки. Топоизоме-раза удаляет супервитки спирали, хеликаза обеспечивает раскручивание двойной спирали, белок SSB обеспечивает стабильность одноцепочечной ДНКР  епликон – единица репликации цепи.Репарация (см лекцию) 7. Принцип кодирования и реализации генетической информации в клетке. Свойства генетического кода, их биологический смысл. Этапы реализации информации, их характеристика. Понятие о прямой и обратной транскрипции. Роль ревертаз. Ген – структурная и функциональная единица наследственности, контролирующая развитие определенного признака или свойства. Совокупность генов родители передают потомкам во время размножения. В настоящее время в молекулярной биологии установлено, что гены – участки ДНК, несущие какую-либо целостную информацию – о строении одной молекулы белка или одной молекулы РНК. Эти и другие функциональные молекулы определяют рост, развитие и функционирование организма. У прокариот гены имеют цистронное строение. Цистрон – участок ДНК, кодирующий одну полипептидную цепь. У эукариот – мозаичное строение, кодирующие участки – экзоны, некодирующие – интроны; (интронов больше.) Принцип генетического кодирования: Ген несет информацию или о ДНК, или о РНК. Последовательность аминокислот закодирована с помощью генетического кода (расшифрован Гамовым). Генетический код – система записей информации в молекулах нуклеиновых кислот в виде последовательности нуклеотидов, определяющих порядок расположения аминокислот в молекулах белка. Принцип: одна аминокислота кодируется 3 нуклеотидами (триплет). Кодовая группа – кодон (триплет). Всего в генетическом коде 64 кодона: 61 смысловой, 3 нонсенса (стоп-кодоны, кодоны – терминаторы). Свойства генетического кода:
Реализация генетической информации в клетке. Этапы (см тетрадь) Центральная догма молекулярной биологии. (Уотсон - ДНК - хранилище информации о структуре белка. Посредником между ними является РНК. Предполагавшийся механизм полуконсервативной репликации ДНК был к этому времени подтвержден экспериментом.)
Ревертаза - фермент, катализирующий синтез ДНК на матрице РНК в процессе, называемом обратной транскрипцией. Обратная транскрипция — это процесс образования двуцепочечной ДНК на матрице одноцепочечной РНК. Данный процесс называется обратной транскрипцией, так как передача генетической информации при этом происходит в «обратном», относительно транскрипции, направлении. Реакция обратной транскрипции характерна для ретровирусов, она представляет собой многостадийный процесс, включающий так называемые «прыжки» - ревертазы. После попадания вирусной РНК (н-р ВИЧ) в клетку обратная транскриптаза (ревертаза), содержащаяся в вирусных частицах, синтезирует комплементарную ей ДНК, а затем на этой цепи ДНК, как на матрице, достраивает вторую цепь. 8. Особенности молекулярного строения генов и потока информации у про- и эукариотических организмов. Процессинг, его этапы и значение. Строение генов прокариот: - цистронное. Цистрон – участок ДНК, кодирующий одну полипептидную цепь. - наследственный материал содержится в единственной кольцевой молекуле ДНК, который располагается в цитоплазме клеток. Экспрессия генов: ДНК иРНК Белок Транскрипция Трансляция Строение генов эукариот: - наследственный материл больше по объему, чем у прокариот, он расположен в хромосомах. - мозаичное строение: кодирующие участки – экзоны, некодирующие – интроны. Экспрессия генов: ДНК про-иРНК зрелая иРНК Белок Транскрипция Процессинг Трансляция Транскрипция: - матрицей служит одна из цепочек ДНК (3’…5’) - копируется небольшой участок матрицы – оперон, ограниченный промотором и терминатором. - синтез ведет РНК – полимераза. Этапы:
Процессинг: - проходит в ядре клеток. - пре-иРНК содержит участки, комплементарные экзонам и интронам. - зрелая иРНК содержит участки, комплементарные только экзонам. Этапы:
Трансляция:
Сборка активной рибосомы малой и большой субъединицами. Имеют два активных центра – пептидный и аминоацильный. Считывание начинается с АУГ, к которой (5’ стартовый конец) присоединяется малая субъединица рибосомы, после чего ее положение на матрице уточняется. Далее - поступает в пептидильный центр, устанавливается рамка считывания. Присоединяется большая субъединица, при этом в рибосоме пептидильный центр занят метианином, а аминоацильный центр пустой.
В свободный аминоацильный центр поступает новая аминокислота, комплементарная кодону матрицы. Фермент пептидилтрансфераза переносит аминокислоту метионин из пептидного центра в в аминоацильной образуется дипептил тРНК, рибосома сдвигается вдоль матрицы ровно на один триплет пептидильный центр занят тРНК, а аминоацильный центр снова пустой.
9. Геном, особенности его молекулярной организации у про- и эукариот. Понятие о нестабильности генома (мобильные генетические элементы). Геном – генетический материал ядра в гаплоидном наборе хромосом; с точки зрения молекулярной генетики – суммарная длина молекулы ДНК в гаплоидном наборе хромосом, функциональная единица – ген. Основная функция – обеспечить жизнедеятельность клеток, тканей и органов и передать информацию о наследственных свойствах организма следующему поколению. Геномы прокариот и эукариот имеют некоторое сходство, но есть между ними и принципиальные различия.
- объем генома = 1 мм (у кишечной палочки) - классы генов: А) структурные Б) регуляторные В) гены тРНК Г) гены рРНК - кольцевая молекула в цитоплазме – нуклеоид - информативная емкость генома = 2000 – 4000 генов - нет избыточности ДНК. 2) Геном эукариота - объем генома = 187 см. (у человека) - классы генов: А) структурные Б) регуляторные В) гены тРНК Г) гены рРНК Д) гистоновые - линейная молекула в ядре - информативная емкость генома = 4000 – 30000 генов (≈2% от всей ДНК) - избыточность ДНК наличие повторяющихся генов. Различия в молекулярном строении гена. У прокариот ген на всем протяжении является функциональным, т.е. имеет цистронную структуру, а у эукариот гены имеют мозаичное или прерывистое строение, т.е. состоит из кодирующих участков – экзонов и некодирующих – интронов. Дуплицирующиеся (повторяющиеся) гены эукариот.
Гены:
По генному составу: У эукариот - 5, а у прокариот – 4 класса генов. У эукариот присутствуют: псевдогены (гены – испорченные копии нормально функционирующих генов), мобильные генетические элементы (транспозоны, прыгающие гены- 3 % в человеке) – могут встраиваться в структурные гены и оказывать воздействие на их структуру. (5% генома и произошло от транспозиции.) Нестабильность генома – постоянное изменение стр-ры хромосомы, ееотдельного локуса или группы локусов, возникающие по действием некоторых мутагенов: признаком нестабильности является сохранение потенциальной возможности изменений в ояду клеточных поколений. Феномен НГ развивается при различных состояниях организма, например при облучении радиацией, при различных клеточных событиях – перемещении транспозонов, некоторых модификациях ДНК, теломер, в клетках злокачественных опухолей и др. 10. Регуляция экспрессии генов в процессе биосинтеза белка у прокариот. Строение оперона, схема Жакоба и Моно. Экспрессия генов — это процесс, в котором наследственная информация от гена преобразуется в функциональный продукт — РНК или белок. Экспрессия генов может регулироваться на всех стадиях процесса: и во время транскрипции, и во время трансляции, и на стадии пост-трансляционных модификаций белков. Регуляция генов дает клеткам контроль над структурой и функцией и является основой дифференцировки клеток, морфогенеза и адаптации. Регуляция генов также является субстратом для эволюционных изменений, так как контроль за временем, местом и количественным фактором экспрессии гена может иметь эффект на функции генов в целом организме. Механизм регуляции экспрессии генов у прокариот рассматривается на уровне оперона, а у эукариот – транскриптона. Оперон включает в себя следующие гены:
 Ген-оператор. Он управляет функционированием структурных генов оперона, т.е. включает или выключает их. Если этот ген свободен, то транскрипция структурных генов разрешена, если он связывается с регуляторным белком, то работа этих генов прекращается. К оператору непосредственно примыкает промотор. Теория генетической регуляции белкового синтеза была разработана французскими генетиками Жакобо и Моно в 1961 году. Объектом изучения служил лактозный оперон кишечной палочки. Лактозный оперон состоит из промотора, оператора и 3 структурных генов, располагающихся друг за другом. Структурные гены детерминируют (кодируют, контролируют) синтез ферментов, которые необходимы для одного метаболического цикла расщепления лактозы до глюкозы. При этом каждый ген определяет синтез одного белка фермента. Все гены оперона функционируют совместно, поэтому одновременно синтезируются все 3 фермента, или не синтезируется ни одного. Может быть 2 состояния оперона: А) оперон включен.
Б) оперон выключен.
Схема в тетради |