Биология. Методы изучения эукариотической клетки
 Скачать 2.57 Mb.
|
|
Тема занятия: Обмен веществ и энергии в живых организмах. Поток информации в клетке. Нуклеиновые кислоты. Хранение и реализация наследственной информации Цель: - углубить знания о клетке как открытой биологической системе, способной к саморегуляции, самообновлению и самовоспроизведению. Задачи: - разобрать процессы ассимиляции и диссимиляции как взаимосвязанную ос- нову самообновления биологических систем; - изучить строение и свойства нуклеиновых кислот, их роль в организации генетического аппарата и в биосинтетических процессах клетки; - изучить процессы, поддерживающие генетическую стабильность на кле- точном и организменном уровне; - разобрать роль нуклеиновых кислот в биосинтетических процессах клетки; - ознакомиться с механизмами регуляции активности генов. В результате изучения данной темы студент должен знать: - сущность и взаимосвязь процессов ассимиляции и диссимиляции как осно- вы самообновления биологических систем; - классификацию живых организмов по способам питания и источникам по- лучения энергии; - химическое строение и функции биологических макромолекул; - принципы, механизмы и биологическое значение репликации ДНК; - основные этапы реализации наследственной информации; - свойства генетического кода; уметь: - объяснить биологические и медицинские последствия нарушений энергети- ческого и пластического обмена в клетках человека; - смоделировать процесс транскрипции генетического кода с ДНК и РНК; - осуществить построение белковой молекулы в соответствии с генетичес- ким кодом. Вопросы для устного собеседования: 1. Клетка как открытая высокоупорядоченная система. Поток информации в эукариотической клетке. Принцип обратной связи. 2. Обмен веществ в живых организмах. Ассимиляция и диссимиляция. Классификация организмов по способу питания и пути получения энер- гии. 21 3. Химическая организация наследственного материала. Строение и функ- ции нуклеиновых кислот. Генетический код. 4. Ген – функциональная единица наследственности. Структурная органи- зация гена. Свойства и функции генов. 5. Репликация ДНК: принципы, ферменты. Репликон. Биологическое зна- чение репликации ДНК. 6. Реализация наследственной информации. Этапы биосинтеза белка (транскрипция, посттранскрипционные процессы, трансляция, пост- трансляционные процессы). 7. Регуляция активности генов у прокариот. Понятие об опероне. Основные принципы регуляции активности генов у эукариот. Актуальность и мотивация к изучению темы. Жизнь в любых ее проявлениях возможна лишь при наличии основных составляющих – потоков веществ, энергии и информации. Вещества, необходимые для жизне- деятельности любого организма, разнообразны по химическому строению (белки, углеводы, липиды, нуклеиновые кислоты, минеральные вещества, витамины) и способны вступать в клетке в различные биохимические реакции обмена веществ – ассимиляции и диссимиляции. В ходе метаболи- зма органические вещества распадаются на «строительные блоки», из которых происходит синтез веществ, необходимых для функционирования самой клетки. Каждая клетка, независимо от структурной организации (бактерии, грибы, специализированные клетки растений или животных), сохраняет свою индивидуальность и способность функционировать только в том случае, если обладает механизмами получения энергии и преобразования ее в различные виды деятельности клетки. Для гетеротрофных организмов источником энер- гии являются органические вещества. Однако следует помнить, что ни сами углеводы, липиды или белки, ни продукты их расщепления не могут служить 22 «топливом» для клеточных процессов. Непосредственным источником энергии, которую клетка использует для выполнения различных работ, слу- жит энергия, заключенная в структуре аденозинтрифостата (АТФ) и других макроэргических соединений. Особенности метаболизма различных типов клеток (как и другие их признаки и свойства) определяются наследственной информацией, материа- льными носителями которой являются нуклеиновые кислоты. Нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК) – важнейшие биополимеры, обеспечивающие хране- ние наследственной информации и передачу ее как в пределах одного орга- низма, так и потомкам при размножении организмов. Самостоятельная аудиторная работа Работа 1. Структурно-функциональная организация ДНК прокариот и эукариот Изучите таблицы и перепишите их в рабочую тетрадь. Таблица 3 Особенности строения ДНК прокариот и эукариот Признак Прокариоты Эукариоты Количество генов 4 тыс. (E.coli) Около 30 тыс. (человек) Укладка ДНК Кольцевая Линейная Связь ДНК с гистонами Отсутствует Формируются нуклеосомы Кодирующие последовательности ДНК Более 90% Менее 10% Регуляция транскрипции Оперонная Сложная каскадная Структура гена Непрерывная Прерывистая (чередование экзонов и интронов) Активность генов В единицу времени активны до 95% генов В единицу времени актив- ны только 5-10% генов 23 Таблица 4 Функциональная характеристика ДНК Ген Функция Структурные гены Имеются у прокариот и эукариот - кодируют первичную структуру белков, выполня- ющих ферментативную или общеклеточную фун- кцию (белки мембранных и немембранных орга- ноидов клетки); - кодируют ферменты, участвующие в реакциях матричного синтеза (репликации, транскрипции, трансляции); - кодируют строение рибосомных и транспортных РНК. Гены- модификаторы имеются только у эукариот - энхансеры - сайленсеры После взаимодействия с биологически активными веществами (например, гормонами) активизируют проявление основного гена. Фрагмент ДНК, способный связываться с факто- рами транскрипции, стимулируя тем самым транскрипцию данного гена. Энхансер может находится как в одной хромосоме с регулируемым геном, так и в негомологичной. Фрагмент ДНК, с которым связываются белки- репрессоры транскрипции. Связывание белков- репрессоров с сайленсерами приводит к пони- жению или к полному подавлению синтеза РНК ферментом ДНК-зависимой РНК-полимеразой. Сайленсеры тормозят экспрессию основного гена. Ген-регулятор У прокариот кодирует структуру белка-репрессора, регулирующего активность структурных генов Гомейозисные гены Имеются только у эукариот Функция генов определяет выбор пути развития эмбриональных зачатков в направлении образо- вания дифференцированных клеток. Действие генов разделяет тело эмбриона по переднезадней оси на клеточные поля, которые диффе- ренцируются в конечности и другие структуры организма. Протоонкогены Контролируют пролиферацию и дифференцировку клеток, функционирование клеточных рецепторов, репарацию ДНК. 24 Антионкогены (гены-супрессоры опухолевого роста) Тормозят митотическую активность клеток, останавливает клеточный цикл для репарации ДНК, а при значительных нарушениях наслед- ственного аппарата запускает механизм апоптоза. Участок ДНК Функция Промотор Имеется у прокариот и эукариот Место присоединения фермента ДНК-зависимой РНК-полимеразы. Спейсеры Некодирующие последовательности ДНК, разде- ляющие структурные гены. Сателлитная ДНК Содержит повторяющиеся последовательности нуклеотидов. Располагается в области гетеро- хроматина и участвует в конъюгации хромосом во время мейоза. Работа 2. Регуляция активности генов у прокариот Перенесите в альбом схему оперона, знаки вопроса замените названиями. Объясните механизм действия оперона на примере лактозозависимой бактерии Escherichia coli. Рис. 4. Схема строения оперона 25 Работа 3. Основные принципы регуляции активности генов эукариот Изучите и перепишите учебный материал. 1. У многоклеточных организмов имеет место этапность активизации генов на разных стадиях индивидуального развития. В определенные времен- ные интервалы активность одних генов тормозится, но начинают проявлять свою функцию другие гены, деятельность которых значима в данный момент существования клетки или организма в целом. 2. Внешним сигналом для изменения экспрессии генов является взаи- модействие с мембранными рецепторами клетки различных биологически активных веществ – гормонов, нейромедиаторов, факторов роста клеток, интерлейкинов и др. 3. Регуляция экспрессии гена происходит на всех этапах реализации наследственной информации – активизация гена, транскрипция, процессинг, сплайсинг, трансляция, формирование пространственной структуры белка. 4. В регуляции активности структурного гена принимает участие большое количество регуляторных генов. Структурные и регуляторные гены (энхансеры и сайленсеры) могут располагаться в ДНК на значительном расстоянии. Различные ядерные белки (гистоны, факторы активизации транскрипции) способствуют изменению пространственной конфигурации ДНК, сближая тем самым область промотора и кодирующий участок гена. 5. Образование белками-гистонами нуклеосом и связывание последних с фрагментами ДНК является одним из механизмов торможения экспрессии гена. 6. Благодаря явлению альтернативного сплайсинга конечными продук- тами деятельности гена могут оказаться различные полипептиды, отличаю- щиеся аминокислотной последовательностью, и, следовательно, функциями. 26 Схема реализации наследственной информации у эукариот Основные процессы ГЕН Р Активизация гена, транскрипция Е Г пре-информационная РНК У Г процессинг, сплайсинг Л Я Е зрелая информационная РНК Т транспорт в ЭПС О Н Р полипептид Н Ы посттрансляционные изменения, Ы формирование пространственной Е структуры, включение небелковых компонентов зрелый белок (фермент) биохимические реакции признак Работа 4. Генетический код в процессах матричного биосинтеза 1. Фрагмент молекулы белка миоглобина содержит аминокислоты, расположенные в следующем порядке: валин – аланин – глутаминовая кислота – тирозин – серин – глутамин. Напишите структуру участка ДНК, кодирующую эту последовательность аминокислот. Состав кодонов, кодиру- ющих аминокислоты, представлен в таблице 7. 2.В результате мутации на участке гена, содержащем 6 триплетов: ААЦ – ТАТ – ГАЦ – АЦЦ – ГАА – ААА, произошло замещение в третьем триплете: вместо гуанина обнаружен цитозин. Напишите состав аминокислот в полипептиде до мутации и после нее. 27 Таблица 5 Генетический код Аминокислота Кодоны и-РНК Аминокислота Кодоны и-РНК Аланин ГЦА, ГЦЦ, ГЦГ, ГЦУ Пролин ЦЦА, ЦЦЦ, ЦЦГ, ЦЦУ Цистеин УГЦ, УГУ Аспарагин ААЦ, ААУ Аспарагиновая кислота ГАЦ, ГАУ Метионин АУГ Глутаминовая кислота ГАА, ГАГ Глутамин ЦАА, ЦАГ Фенилаланин УУЦ, УУУ Аргинин АГА, АГГ, ЦГА, ЦГЦ, ЦГГ, ЦГУ Глицин ГГА, ГГЦ, ГГГ, ГГУ Серин АГЦ, АГУ, УЦА УЦГ, УЦЦ, УЦУ Гистидин ЦАЦ, ЦАУ Треонин АЦА, АЦЦ, АЦГ, АЦУ Изолейцин АУА, АУЦ, АУУ Валин ГУА, ГУЦ, ГУГ, ГУУ Лизин ААА, ААГ Триптофан УГГ Лейцин УУА, УУГ, ЦУА, ЦУЦ, ЦУГ, ЦУУ Тирозин УАЦ, УАУ 3. Четвертый пептид в нормальном гемоглобине состоит из следующих аминокислот: валин – гистидин – лейцин – треонин – пролин – глутаминовая кислота – глутаминовая кислота – лизин. У больного серповидноклеточной анемией состав пептида гемоглобина следующий: валин – гистидин – лейцин – треонин – пролин – валин – глутаминовая кислота – лизин. Определите изменения в участке ДНК, кодирующем четвертый пептид гемоглобина, приведшие к заболеванию. 4. Информация о каких аминокислотах может появиться в результате точковой мутации триплета ААА? 28 Работа 5. Энергетический обмен эукариотической клетки Основной биологический смысл энергетического обмена заключается в синтезе клеткой химических соединений, обладающих макроэргическими связями – молекул АТФ и креатинфосфата. Субстратами для клеточного окисления являются углеводы, белки, липиды, которые с пищей поступают в организм гетеротрофов. Наличие в клетке АТФ является необходимым усло- вием для осуществления всех процессов жизнедеятельности клетки: транспо- рта веществ через мембраны клеток, синтеза разнообразных органических соединений, поддержания мембранного потенциала, митоза и т.д. Кроме образования макроэргических соединений важное значение для организмов имеют и другие функции клеточного дыхания – образование тепловой энергии, синтез химических соединений с участием кислорода, расщепление токсичных веществ. Изучите приведенные рисунки. Используя учебные материалы, дайте характеристику основным этапам энергетического обмена. Рис.5. Этапы энергетического Рис. 6. Цепь переноса обмена электронов (дыхательная цепь) 29 Таблица 6 Этапы энергетического обмена Этап Основные процессы Гликолиз (гиалоплазма клетки) Цикл Кребса (матрикс митохондрий) Окислительное фосфорилирование (внутренняя мембрана митохондрий) * * * * * Самостоятельная внеаудиторная работа Задание 1. Решение задач 1. В молекуле ДНК обнаружено 120 тиминовых нуклеотидов, которые составляют 30% от общего числа нуклеотидов этой ДНК. Определите коли- чество других нуклеотидов в молекуле ДНК? 2. Укажите, какие из перечисленных ниже утверждений являются правильными: А. А + Т = Г + Ц Б. А = Г; Ц = Т В. А/T = Ц/Г Г. А + Г = Ц + Т Д. Т/Ц = 1 Е. А = Т в каждой цепи Ж. Водородные связи обеспечивают стабильность двойной спирали ДНК З. Ковалентные связи обеспечивают стабильность двойной спирали ДНК И. Каждая из нитей двойной спирали ДНК идентична друг другу 3. Верно ли уравнение: А + У А + Т (в РНК) = (в ДНК) Г + Ц Г + Ц А. Да Б. Нет В. Нет, верными будут только две отдельные формулы А + У А + Т = 1 (в РНК) и = 1 (в ДНК) Г + Ц Г + Ц 30 Г. Нет, верными будут только формулы А + У и Г = Ц (в РНК), а также А + Т и Г + Ц ( в ДНК) Вопросы для самоконтроля знаний 1. В чем заключается взаимосвязь потоков вещества, энергии и информации в клетке? 2. Какие можно выделить основные этапы эволюции обмена веществ биоло- гических систем? 3. Молекула ДНК, в отличие от рибонуклеиновых кислот, состоит из двух цепей нуклеотидов. Какой биологический смысл заложен в этом явлении? 4. Какие причины могут привести к нарушению энергетического обмена в клетке? Какие последствия при этом могут возникнуть? 5. Каким образом можно искусственно снизить интенсивность энергетичес- кого обмена в организме? В каких случаях это используется в медицине? Темы учебно-исследовательской работы студентов: 1. Эволюция типов метаболизма у живых организмов. 2. Генетический гомеостаз и механизмы его поддержания. 3. Современное представление о регуляции биосинтеза белка у высших организмов. 4. Исследования в области изучения нуклеиновых кислот и биосинтеза белка, отмеченные Нобелевскими премиями. 5. Кислород в живой клетке: добро и зло. * * * * * Словарь терминов Автотрофы – организмы, способные синтезировать органические вещества из неорганических, используя при этом энергию света или энергию окис- лительно-восстановительных реакций неорганических соединений. Аминоацил тр-РНК-синтетаза – фермент, осуществляющий присоедине- ние соответствующей аминокислоты к транспортной РНК. Амплификация – образование дополнительных копий нуклеотидных последовательностей, обнаруживаемых в ядерной или внеядерной ДНК. 31 Антикодон – триплет, занимающий определенное и постоянное положение в структуре транспортной РНК; комплементарно взаимодействует с кодоном информационной РНК. Антипараллельность – принцип построения молекулы ДНК, согласно кото- рому одна параллельная цепочка нуклеотидов начинается с 3’-конца, а другая – с 5’-конца, т.е. нити ДНК расположены в противоположных направлениях. Ассимиляция (анаболизм, пластический обмен) – совокупность биохими- ческих реакций, в ходе которых клетки синтезируют собственные сложные органические вещества из более простых, используя при этом энергию АТФ. АТФ (аденозинтрифосфорная кислота) – мононуклеотид, состоящий из азотистого основания аденина, 5-углеродного сахара рибозы и трех остатков фосфорной кислоты; универсальный источник и основной аккумулятор энергии в клетках прокариот и эукариот. Биополимер – полимер биологического происхождения, содержащий боль- шое количество повторяющихся структурных звеньев – мономеров. Примеры: полисахариды, белки, нуклеиновые кислоты. Вилка репликативная – область расхождения нуклеотидных цепей ДНК зоне репликации. Ген – функционально активная единица ДНК, предназначенная для регулируемого синтеза той или иной молекулы РНК, в том числе, коди- рующей полипептид. Ген-регулятор – ген, кодирующий регуляторный белок, который активирует или подавляет транскрипцию других генов. Генетический код – принцип записи информации о последовательности аминокислот в полипептиде в виде последовательности нуклеотидов информационной РНК, образованной непрерывной цепью триплетов (кодонов). Гликолиз – процесс анаэробного расщепления глюкозы, происходящий при участии ферментов гиалоплазмы клетки; в ходе последовательных реакций молекула глюкозы расщепляется на две молекулы пировиноградной кислоты, при этом образуется две молекулы АТФ (чистый выход). Диссимиляция (катаболизм, энергетический обмен) – совокупность био- химических реакций, в ходе которых сложные органические вещества распадаются на более простые, при этом выделяется энергия. Часть энергии переходит в тепловую, а часть накапливается в макроэргических соедине- ниях. ДНК-лигаза – фермент, осуществляющий сшивание фрагментов цепочек ДНК (фрагментов Оказаки) в процессе репликации; принимает также участие в реакциях репарации ДНК. ДНК-полимераза – фермент, обладающий ДНК-синтезирующей актив- ностью, способен удлинять цепь ДНК последовательно наращивая по одному нуклеотиду к 3´-ОН-концу цепи в процессе полуконсервативной репликации; ДНК-полимераза выполняет также репаративную функцию – удаляет нуклеотиды, ошибочно вставленные в синтезируемую нить ДНК. 32 ДНК-топоизомераза – фермент, осуществляющий раскручивание матер- инской спирали ДНК; разрывает фосфодиэфирные связи между нуклео- тидами, одна цепочка вращается вокруг другой, затем фосфодиэфирные связи восстанавливаются. Инициация (транскрипции или трансляции) – сложные биохимические процессы, предшествующие собственно синтезу (элонгации) инфор- мационной РНК или полипептидной цепочки. Интрон – транскрибируемый участок ДНК, который удаляется из состава зрелой информационной РНК при сплайсинге; состоит из цепи нуклеотидов, которые не кодируют аминокислоты. Кодогенная нить ДНК – одна из двух цепочек нуклеотидов ДНК, на которой в ходе транскрипции синтезируется и-РНК. Кодон – последовательность из трех нуклеотидов информационной РНК; смысловых (кодирующих аминокислоты) кодонов – 61; три кодона (УАГ, УАА, УГА), вызывающих терминацию синтеза белка, называются стоп- кодонами (нонсенс-кодонами, бессмысленными кодонами). Комплементарность – один из принципов построения нуклеиновых кислот, в соответствии с которым напротив одного нуклеотида может располагаться только комплементарный нуклеотид (в молекуле ДНК: А - Т, Г - Ц); в реакциях транскрипции аденину комплементарен урацил. Макроэргические соединения – биологические молекулы, содержащие богатые энергией, или макроэргические, связи; способны аккумулировать, сохранять и отдавать энергию в ходе реакций обмена. К ним относятся АТФ и креатинфосфат (особенно много образуется в клетках мышечной ткани). Метаболизм — совокупность ферментативных процессов, обеспечивающих существование и воспроизведение клетки. НАД (никотинадениндинуклеотид, NAD) – кофермент, присутствующий во всех живых клетках, входит в состав ферментов группы дегидрогеназ, катализирующих окислительно-восстановительные реакции; выполняет функцию переносчика водорода, которого принимает от окисляемых веществ. Восстановленная форма (NADH) способна переносить водород на другие органические вещества. Обратная связь – обратное воздействие результатов процесса на его проте- кание или управляемого процесса на управляющий орган или структуру. Оперон – генетическая единица, включающая в себя группу регуляторных и структурных генов. Последние кодируют ферменты, участвующие в одной цепи химических реакций. Полуконсервативность – один из принципов репликации ДНК; осущес- твляется за счет разделения исходной двухцепочечной молекулы ДНК и последующего использования каждой из цепей в качестве матрицы для синтеза комплементарной цепи. Псевдогены – неактивные, но стабильные элементы генома, возникшие в результате мутации в ранее функционирующем гене. 33 Прерывистость – один из принципов репликации ДНК, согласно которому самоудвоение начинается не с одного конца спирали материнской ДНК, а одновременно в нескольких местах молекулы; участок между двумя точками репликации нитей ДНК называют репликоном. Промотор – участок ДНК, к которому присоединяется РНК-полимераза с тем, чтобы начать транскрипцию с соответствующих структурных генов. Процессинг – совокупность реакций, происходящих после транскрипции, в ходе которых из молекулы пре-информационной РНК удаляются участки, соответствующие интронам, а участки, соответствующие экзонам, соединяются друг с другом (сплайсинг). Репарация ДНК – особая функция клеток, заключающаяся в способности исправлять нарушения химического строения нуклеотидов и разрывы в молекулах ДНК, возникшие в результате воздействия различных мутагенных факторов или в процессе репликации ДНК. Осуществляется специальными ферментными системами клетки. Репликация – процесс самовоспроизведения макромолекул нуклеиновых кислот, обеспечивающий точное копирование генетической информации и передачу ее из поколения в поколение. В основе механизма репликации лежит принцип матричного синтеза ДНК на ДНК или РНК на РНК. Репрессия — подавление активности гена, чаще всего путем блокирования его транскрипции. РНК-полимераза – фермент, осуществляющий матричный синтез РНК из рибонуклеотидов. В зависимости от используемой матрицы – ДНК или РНК – различают ДНК-зависимую РНК-полимеразу и РНК-зависимую РНК- полимеразу. Сплайсинг – процесс удаления интронов и объединения экзонов с образо- ванием зрелой информационной РНК, при участии которой в последующем происходят процесс трансляции. Терминация (транскрипции или трансляции) – заключительный этап синтеза информационной РНК или полипептидной цепочки; совокупность биохимических процессов, приводящих к освобождению синтезированных веществ. Транскрипция – процесс синтеза РНК с использованием в качестве матрицы ДНК, происходящий в клетках прокариот и эукариот; перенос генетической информации с ДНК на РНК (информационную, транспортную или рибосо- мную); в реакциях участвуют различные типы РНК-полимераз: РНК- полимераза I ответственна за транскрипцию генов рибосомных РНК; РНК- полимераза II – участвует с синтезе молекул пре-информационных РНК, РНК-полимераза III – осуществляет синтез транспортных РНК. Транскрипция обратная – синтез ДНК на матрице РНК, осуществляется ферментом обратной транскриптазой; происходит при размножении в клетках прокариот или эукариот РНК-содержащих вирусов. 34 Трансляция – перевод последовательности нуклеотидов информационной РНК в последовательность аминокислот полипептидной цепи; происходит при участии рибосом клетки. Экзон – любой отдельный фрагмент прерывистого гена, который сохраняется в зрелой информационной РНК; состоит из цепи нуклеотидов, кодирующих аминокислоты. Элонгация (транскрипции или трансляции) – собственно синтез РНК или полипептидной цепи при участии специфических ферментов. Экспрессия гена — процесс реализации информации, закодированной в гене; состоит из двух основных стадий – транскрипции и трансляции. * * * * * Рекомендуемая литература: 1. Лекционный материал. 2. Биология. Под ред. В.Н.Ярыгина. В 2-х книгах. М., Высшая школа, 2006. – Книга 1, с. 51-54, 65-115. 3. Биология. Под ред. В.Н.Ярыгина. М., Медицина, 1984. – с. 26-32, 35-39, 93-94, 111-116, 132-134. 4. Н.Грин, У.Стаут, Д.Тэйлор. Биология. В 3-х т. М., Мир, 1992. – Том 1 с. 170-188, 284-311, том 2 с. 43-58, том 3. с. 214-223, 204-206. 5. Р.Марри, Д.Греннер, П.Мейес, В.Родуэлл. Биохимия человека. В 2-х т.т. М., Мир, 1993. – Том 2 с. 5-14, 53-126. |