вопросы к экзамену Медицинская биология. Пpинципы структуpнофункциональной организации клетки. Сравнительная характеристика про и эукариот
 Скачать 168.89 Kb.
|
|
Механизмы репликации ДНК. Азотистое основание одной нити ДНК связано «водородным» мостиком с основание другой, причем так, что аденин может быть связан, только с тимином, а цитозин, только с гуанином. Они комплиментарны друг другу. Отсюда следует, что порядок расположения оснований одной цепи определяет их порядок в другой. Отсюда следуют, что расположение оснований одной цепи определяет их порядок в другой. Именно на этом основано свойство ДНК, объясняющее ее важную биологическую роль: способность к самовоспроизведению, т.е. репликации. Репликация ДНК происходит под действием фермента полимеразы. При этом комплиментарные цепи молекул ДНК раскручиваются и расходятся. Затем каждая из них начинает синтезировать новую. Поскольку каждое из оснований в нуклеотидах может присоединить другой нуклеотид только строго определенного строения, происходит точное воспроизведение материнской молекулы. Образуются 2 идентичные биоспирали, в каждой из которых одна цепочка – прежняя, другая - новая. Такой способ синтеза получил названия полу консервативного. Подтверждение экспериментом с использованием меченых атомов. К инициаторному белку присоединяется ДНК- геликаза, которая разрывает водородные связи между комплементарными цепями ДНК и образует репликационную вилку. Поддерживают структуру репликационной вилки дестабилизирующие белки. Далее праймаза синтезирует короткие фрагменты РНК, которые ДНК- полимераза –использует как затравку (праймер) для синтеза дочерних цепей ДНК. Цепи ДНК антипарраллельны. Поэтому учитывая, что ДНК- полимераза может вести синтез ДНК только от 5 к 3 концу, синтез лидирующей цкпи осуществляется непрерывно (на ней образуется одна молекула РНК-завтрака), а синтез отстающей цепи идет короткими фрагментами назад( фрагментами Оказки). На отстающей цепи синтезируется множество РНК- затравок. В дальнейшем праймеры вырезаются ферментом ДНК- лигазой и на их место вшиваются дезоксирибонуклеотиды. При образовании репликационной вилки участок ДНК впереди вилки сильно закручивается и спутывается. Это напряжение ДНК нимается ферментом ДНК- топоизомеразой, который работает по принципу «ножниц и клея».
Процесс переписывания информации с молекулы ДНК на молекулу про-иРНК называется транскрипция. Синтез молекул про-иРНК осуществляется под действием специального фермента РНК-Полимеразы. Этот фермент передвигается вдоль молекулы ДНК от одного конца к другому, удерживая на себе нуклеотиды и растущую про-иРНК, Последовательность оснований в образующейся молекуле про-иРНК точно отражает порядок чередования оснований в ДНК. Однако молекула про-иРНК гораздо крупнее зрелой иРНК. В процессе созревания иРНК и бактерий происходит отщепление концов молекул, а у эукариот и некоторых вирусов, паразитирующих у животных, все сложней. иРНК содержит в себе ряд инертных участков (интронов). В процессе созревания иРНК специальные ферменты вырезают интроны и сшивают оставшиеся участки. В процессе созревания иРНК специальные ферменты вырезают интроны и сшивают оставшиеся участки. Поэтому последовательность нуклеотидов в созревшей иРНК не является полностью комплиментарной нуклеотидам ДНК. В иРНК рядом могут стоять нуклеотиды, комплиментарные которым нуклеотиды в ДНК находятся друг от друга на значительном расстоянии. Процессы связанные с созреванием иРНК, называются процессингом. Осуществляются в ядре во время перехода иРНК из ядра в цитоплазму.
Генетический код – это система записи наследственной информации в молекулах нуклеиновых кислот, основанная на определённом чередовании последовательностей нуклеотидов в ДНК или РНК, образующих кодоны, соответствующие аминокислотам в белке. Генетический код имеет несколько свойств.
а. Триплетность. Генетический код, как и многое сложно организованные система имеет наименьшую структурную и наименьшую функциональную единицу. Триплет – наименьшая структурная единица генетического кода. Состоит она из трёх нуклеотидов. Кодон – наименьшая функциональная единица генетического кода. Как правило, кодонами называют триплеты иРНК. б Код, при котором одна аминокислота кодируется несколькими триплетами, называется вырожденным или избыточным Свойство, которое связано с записью одной и той же информации разными символами носит название вырожденность. в Однозначность Каждый триплет (кроме бессмысленных) кодирует только одну аминокислоту. Таким образом, в направлении кодон – аминокислота генетический код однозначен, в направлении аминокислота – кодон – неоднозначен (вырожденный). г. Полярность Считывание информации с ДНК и с иРНК происходит только в одном направлении. Полярность имеет важное значение для определения структур высшего порядка (вторичной, третичной и т.д.). структуры низшего порядка определяют структуры более высшего порядка. Третичная структура и структуры более высокого порядка у белков, формируются сразу же как только синтезированная цепочка РНК отходит от молекулы ДНК или цепочка полипептида отходит от рибосомы. В то время когда свободный конец РНК или полипептида приобретает третичную структуру, другой конец цепочки ещё продолжает синтезироваться на ДНК (если транскрибируется РНК) или рибосоме (если транскрибируется полипептид).Поэтому однонаправленный процесс считывания информации (при синтезе РНК и белка) имеет существенное значение не только для определения последовательности нуклеотидов или аминокислот в синтезируемом веществе, но для жёсткой детерминации вторичной, третичной и т.д. структур. д. Неперекрываемость. Код может быть перекрывающимся и не перекрывающимся. У большинства организмов код не перекрывающийся. Перекрывающийся код найден у некоторых фагов. Сущность не перекрывающего кода заключается в том, что нуклеотид одного кодона не может быть одновременно нуклеотидом другого кодона. Если бы код был перекрывающим, то последовательность из семи нуклеотидов могла кодировать не две аминокислоты как в случае с не перекрывающимся кодом, а три (если общим является один нуклеотид) или пять (если общими являются два нуклеотида) В последних двух случаях мутация любого нуклеотида привела бы к нарушению в последовательности двух, трёх и т.д. аминокислот. Однако установлено, что мутация одного нуклеотида всегда нарушает включение в полипептид одной аминокислоты. Это существенный довод в пользу того, что код является не перекрывающимся. е. Компактность. Между кодонами нет знаков препинания. Иными словами триплеты не отделены друг от друга, например, одним ничего не значащим нуклеотидом. Отсутствие в генетической коде «знаков препинания» было доказано в экспериментах .ж.Универсальность.Код един для всех организмов живущих на Земле. Прямое доказательство универсальности генетического кода было получено при сравнении последовательностей ДНК с соответствующими белковыми последовательностями. Оказалось, что во всех бактериальных и эукариотических геномах используется одни и те же наборы кодовых значений. Есть и исключения, но их не много.
Биосинтез белка — сложный многостадийный процесс синтеза полипептидной цепи из аминокислотных остатков, происходящий на рибосомах клеток живых организмов с участием молекул мРНК и тРНК. ББ протекает в два этапа – транскрипция (от ДНК до синтеза зрелой мРНК), трансляция (с выхода зрелой мРНК в цитоплазму и синтеза полипептида.) Трансляция. В прокариотических клетках процесс трансляции сопряжен с синтезом мРНК: они происходят практически одновременно.Белки в рибосоме держатся на каркасе, состоящем из рибосомной РНК. Формирование рибосомы начинается с того, что рибосомная РНК сворачивается и на нее в определенном порядке начинают налипать белки. На рисунке представлена рибосомная РНК. В ней самокомплементарные участки нити РНК спариваются, образуя шпильки (вторичная структура), и затем РНК сворачивается (третичная структура РНК), образуя каркас субчастиц.Еще один вид РНК, участвующей в синтезе белка, это транспортная РНК (тРНК). Молекулы тРНК относительно небольшие (по сравнению с рибосомной или матричной РНК). Все тРНК имеют общую вторичную структуру. За счет спаривания комплементарных участков молекулы тРНК образуется три "стебля" с петлями на концах и один "стебель", образованный 5'- и 3'-концами молекулы тРНК (иногда образуется еще дополнительная пятая петля). Изображение этой структуры похоже на крест или клеверный лист. "Голова" на этом листе представлена антикодонной петлей, здесь находится антикодо – те три нуклеотида, которые комплементарно взаимодействуют с кодоном в мРНК. Противоположный антикодонной петле стебель, образованный концами молекулы, называется акцепторным стеблем – сюда присоединяется соответствующая аминокислота. Распознают подходящие друг другу тРНК и аминокислоты специальные ферменты, называемые аминоацил-тРНК синтетазами. Для каждой аминокислоты есть своя аминоацил-тРНК синтетаза.В рибосоме находится матричная РНК (мРНК). С кодоном (тремя нуклеотидами) мРНК комплементарно связан антикодон транспортной РНК, на которой висит остаток аминокислоты. Процесс трансляции, также как и процесс транскрипции, связан с перемещением вдоль молекулы нуклеиновой кислоты, разница в том, что рибосома шагает на три нуклеотида, в то время как РНК-полимераза - на один.Рибосомы про- и эукариот очень сходны по структуре и функциям. Они состоят из двух субчастиц: большой и малой. У эукариот малая субчастица образована одной молекулой рРНК и 33 молекулами разных белков. Большая субчастица объединяет три молекулы рРНК и около 40 белков. Прокариотические рибосомы и рибосомы митохондрий и пластид содержат меньше компонентов.
Под действием различных химических и физических агентов, а так же при нормальном биосинтезе ДНК в клетке могут возникнуть повреждения. Клетки обладают механизмами исправления повреждений в нитях ДНК. Способность клеток к исправлению повреждений в молекулах ДНК получила название репарации. Первоначально способность к репарации была обнаружена у бактерий, подвергшихся воздействию ультрафиолетовых лучей. В результате обучения целостность молекул ДНК нарушается, так как в ней возникают димеры, т.е. сцепленные между собой соседние пиримидиновые основания.Однако облученные клетки на свету выживают гораздо лучше, чем в темноте. После тщательного анализа причин этого установлено, что в облученных клетках на свету происходит репарация (световая репарация). Она осуществляется специальным ферментом , активирующимся квантами видимого света. Фермент соединяется с поврежденной ДНК, разъединяет возникшие в димерах связи и восстанавливает целостность нити ДНК. Фотореактивирующий фермент не является видоспецифичным, в качестве фермента в нем имеется цианокобаламин (В12), поглощающий кванты видимого сета и передающий энергию молекуле фермента. Фермент фотореактивации соединяется с ДНК, поврежденной ультрафиолетовыми лучами, образуя стабильный комплекс. Позднее была обнаружена темновая репарация, т.е. свойство клеток ликвидировать повреждения в ДНК без участия видимого света. При световой репарации исправляются повреждения, возникшие только под действием ультрафиолетовых лучей, при темновой - повреждения, появившиеся под влиянием ионизирующей радиации химических веществ и других факторов. Темновая репарация обнаружена как у прокариот так и в клетках эукариот.Механизм темновой репарации ДНК отличается тем, что не только разрезаются димеры (как при световой), но и вырезаются большие участки молекулы ДНК (до несколько сотен нуклеотидов); видимо, могут удаляться целые гены, после чего происходит комплиментарный матичный синтез с помощью фермента ДНК – полимеразы. Установлено пять последовательных этапов темновой репарации: 1. «узнавание» повреждения ДНК эндонуклеазой. 2. Действие эндонуклеазы по разрезанию одной цепи молекулы ДНК вблизи повреждения. 3. «вырезание»поврежденного участка и расширение бреши эндонуклеазой. 4. Матричный синтез новой цепи (репаративная репликация). 5.соединение новообразованного участка с нитью ДНК под действием фермента полинуклеотидлигазы.Открытие процесса репарации показало, что на молекулярном уровне имеется предмутационный период, во время которого может произойти восстановление исходной нормальной структуры молекулы ДНК. Если бы не этот выработавшийся в ходе эволюции процесс, количество мутаций так бы возросло, что препятствовало бы поддержанию гомеостаза и наследственности живых организмов. Не все виды ДНК репарируются, часть их проявляется в виде мутаций. Если репарация не возникает, появляется мутация, что может повлечь гибель клетки. Способность клеток осуществлять эффективную репарацию генетического материала может иметь в клеточных механизмах старения.
Клеточным циклом называют последовательность событий от образования клетки до ее деления или гибели. Клеточный цикл любой клетки состоит из 2 непрерывных по продолжительности периодов: митоза (или собственно деления) и интерфазы. Во время митоза (М-фаза) наследственный материал клетки делится строго пополам между двумя образующимися молодыми клетками. Интерфаза неоднородна по своим событиям и вне выделяют фазы G1, S, G2. Многие клетки сразу после образования подвергаются специализации и «выпадают» из клеточного цикла в фазу G0. Часть таких клеток (например эритроциты человека) до самой гибли остаются в этой фаз, а некоторые (гепатоциты) могут возвращаться в клеточный цикл. а) пресинтетический период:1.накапление РНК и белков, необходимых для образования клеточных структур.2.Активация синтеза белка3.Усиленный рост клетки.4. Восстановление интерфазной ультраструктуры клетки. Б)синтетический период:1.репликация ДНК2. генетический материал удвоен-2n4c 3.удваивается количество гистонов, образуется РНК. В)постсинтетический период:1. Активизируется синтез РНК, тубулинов - белков микротрубочек2.Интенсифицируются процессы образования АТФ.К концу периода G1 в цитоплазме клеток нарабатывается ASФ, который активируют начало репликации ДНК и исчезает к началу G2 периода. МСФ появляется в цитоплазме к началу митоза и его выработка контролируется белком циклином. Митоз -сложное деление ядра клетки, биологическое значение которого заключается в точном идентичном распределении дочерних хромосом содержащейся в них генетической информации между ядрами дочерних клеток.Профаза: 1.конденсация хроматина 2.образование хромосом, состоящих из 2-х хроматид 3.деструктурирование ядрышка 4. расхождение центриолей к полюсам 5.образование веретена деления. Прометафаза: 1. Дефрагментация ядерной оболочки 2.рост микротрубочек веретена и их прикрепление к кинетохорам хромосом Метафаза: 1. Образование метафазной пластинки Анафаза: 1.движение сестринских хроматид к противоположным полюсам клетки Телофаза: 1. Деконденсация хромосом 2. Образование ядер и ядерных оболочек 3. Разрушение веретена деления , завершение цитокинеза. Биологическое значение: поддержание генетической стабильности, механизм моноцитогенного бесполого размножения
В основе полового размножения лежит слияние генетической информации мужской и женской гамет. Гаметы (половые клетки) вырабатываются в семенниках и яичниках в ходе гаметогенеза. Цитологической основой гаметогенеза является мейотическое деление или просто мейоз. Мейоз состоит из 2-х последовательных делений, которые обозначают как мейоз 1 и мейоз 2. Перед первым делением клетки вступающей в мейоз в S-период интерфазы происходит репликация ДНК (хромосомно - хроматидный набор клетки после этого соответствует формуле 2n4c), перед вторым деление интерфаза выпадает. Оба деления мейоза состоят из профазы, метафазы, анафазы, телофазы и заканчивается цитокинезом.Профаза 1 :1.Лептотена: а) хромосомы, изменив свою интерфазную конфирмацию, переходят в конденсированную форму. б) каждая хромосома прикрепляется к ядерной мембране с помощью прикрепительного диска. в) сестринские хроматиды очень тесно сближены и не различимы до поздней профазы. г) в цитоплазме начинается формирование веретена деления.2. Зиготена: а) Синапсис – тесная конъюгация двух гомологов (начинается со сближения концов двух гомологичных хромосом на ядерной мембране) б) При конъюгации каждый ген одной хромосомы входит в соприкосновение с гомологичным ему геном другой хромосомы. Каждая пара хромосом - бивалент. 3. Пахитена: а) В продольной щели между гомологичными хромосомами появляются круглые рекомбинативные узелки, которые участвуют в обмене участками хромосом б) Перекрест между двумя не сестринскими хроматидами (проявляются в виде хиазм) в) В обмене по одной хроматиде из 2-х спаренных хромосом. 4. Диплотена: а) разделение конъюгировавших хромосом. Б) гомологичные хромосомы бивалента несколько отодвигаются друг от друга, но они все еще связаны хиазмами, т.е. местами, где произошел кроссинговер, происходит частичная Деконденсация хромосом, синтез РНК 5. Диакинез: А)прекращается синтез РНк и хромосомы конденсируются, утолщаются и отделяются от ядерной мембраны. Б) каждая пара сестринских хроматид соединена центромерой, несестринские хроматиды связаны хиазмами. В) ядерная оболочка разрушается. Метафаза 1: Нити веретена деления проникают в ядерное пространство и прикрепляются к центромерам хроматид . Биваленты выстраиваются в экваториальной плоскости, образую метафазную пластинку. Анафаза 1: Центромеры каждого бивалента еще не делятся, но сестринские хроматиды уже не примыкают одна к другой. Нити веретена тянут гомологичные хромосомы к противоположным полюсам клетки.Телофаза 1: расхождение гомологов к противополодным полюсам означает завершение первого деления мейоза. Число хромосом в одном наборе стало вдвое меньше, но находящиеся на каждом полюсе хромосомы состоят из 2=х хроматид. Вследствие кроссинговера эти хроматиды генетически неиндентичны. Нити веретена обычно исчезают . параллельно происходит цитокинез. Профаза 2: Происходит разрушение ядерной мембраны и исчезновение ядрышка, спирализация хромосом, перемещение центриолей к противоположным полюсам клетки и появление нитей веретена. Метафаза 2: Формируется метафазная пластинка. Анафаза 2: Нити веретена тянут за собой к противоположным полюсам клетки отделившиеся друг от друга сестринские хроматиды. Телофаза2: Хромосомы деспирализуются. Нити веретена исчезают. Вокруг каждого ядра, которое содержит теперь гаплоидное число и хромосом и хроматид, вновь образуется ядерная мембрана. В результате последующего цитокинеза формируются 4 дочерние клетки.Биологическое значение мейоза: с его помощью формируются гаметы, он создает основу для генетической изменчивости. |