1 Определение жизнь с позиций системного подхода. Фундаментальные свойства живого
 Скачать 1.01 Mb.
|
|
1 - Определение «жизнь» с позиций системного подхода. Фундаментальные свойства живого Жизнь есть способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей их внешней природой, с прекращением этого обмена веществ прекращается и жизнь, что приводит к разложению белка. (по Энгельсу) Ещё в 18 веке физики дали определение жизни с позиции энтропии: жизнь – мера необратимости природных процессов. Живой организм от неживого отличается высокой степенью структурированности и низкой степенью энтропии. Это достигается благодаря притоку извне, которая используется на поддержание внутренней структуры. С прекращением обмена прекращается жизнь. А.И. Опарин выделил жизнь, как особую форму движения материи. Наиболее полное определение жизни дал М. В. Волькенштейн: «Живые тела, существующие на Земле, представляют собой открытые, саморегулирующиеся и самовоспроизводящиеся системы, построенные из биополимеров — белков и нуклеиновых кислот». Действительно, с позиции системного подхода жизнь характеризуется как макромолекулярная открытая система, обладающая иерархической организацией, способностью к самовоспроизведению, обменом веществ, тонко регулируемым потоком энергии. Фундаментальные свойства живого К числу фундаментальных свойств, совокупность которых характеризует жизнь, относятся: самообновление, связанное с потоком вещества и энергии; самовоспроизведение, обеспечивающее преемственность между сменяющими друг друга генерациями биологических систем, связанное с потоком информации; саморегуляция, базирующаяся на потоке вещества, энергии и информации. Перечисленные фундаментальные свойства обусловливают основные атрибуты жизни: обмен веществ и энергии, раздражимость, гомеостаз, репродукцию, наследственность, изменчивость, индивидуальное и филогенетическое развитие, дискретность и целостность. Эти свойства в комплексе характеризуют любую живую систему и жизнь вообще: самообновление. Связано с потоком вещества и энергии. Основу обмена веществ составляют сбалансированные и четко взаимосвязанные процессы ассимиляции (анаболизм, синтез, образование новых веществ) и диссимиляции (катаболизм, распад). самовоспроизведение. Обеспечивает преемственность между сменяющимися генерациями биологических систем. Это свойство связано с потоками информации, заложенной в структуре нуклеиновых кислот. В связи с этим живые структуры постоянно воспроизводятся и обновляются, не теряя при этом сходства с предыдущими поколениями (несмотря на непрерывное обновление вещества). Нуклеиновые кислоты способны хранить, передавать и воспроизводить наследственную информацию, а также реализовывать ее через синтез белков. Информация, хранимая на ДНК, переносится на молекулу белка с помощью молекул РНК; саморегуляция. Базируется на совокупности потоков вещества, энергии и информации через живой организм; раздражимость. Связана с передачей информации извне в любую биологическую систему и отражает реакцию этой системы на внешний раздражитель. Благодаря раздражимости живые организмы способны избирательно реагировать на условия внешней среды и извлекать из нее только необходимое для своего существования. С раздражимостью связана саморегуляция живых систем по принципу обратной связи: продукты жизнедеятельности способны оказывать тормозящее или стимулирующее воздействие на те ферменты, которые стояли в начале длинной цепи химических реакций; поддержание гомеостаза(от гр. homoios — «подобный, одинаковый» и stasis — «неподвижность, состояние») — относительного динамического постоянства внутренней среды организма, физико-химических параметров существования системы; структурная организация — определенная упорядоченность, стройность живой системы. Обнаруживается при исследовании не только отдельных живых организмом, но и их совокупностей в связи с окружающей средой — биогеоценозов; адаптация— способность живого организма постоянно приспосабливаться к изменяющимся условиям существования в окружающей среде. В ее основе лежат раздражимость и характерные для нее адекватные ответные реакции; репродукция (воспроизведение). Так как жизнь существует в виде отдельных (дискретных) живых системы (например, клеток), а существование каждой такой системы строго ограничено во времени, поддержание жизни на Земле связано с репродукцией живых систем. На молекулярном уровне воспроизведение осуществляется благодаря матричному синтезу, новые молекулы образуются по программе, заложенной в структуре (матрице) ранее существовавших молекул; наследственность. Обеспечивает преемственность между поколениями организмов (на основе потоков информации). Тесно связана с ауторепродукцией жизни на молекулярном, субклеточном и клеточном уровнях. Благодаря наследственности из поколения в поколение передаются признаки, которые обеспечивают приспособление к среде обитания; изменчивость — свойство, противоположное наследственности. За счет изменчивости живая система приобретает признаки, ранее ей несвойственные. В первую очередь изменчивость связана с ошибками при репродукции: изменения в структуре нуклеиновых кислот приводят к появлению новой наследственной информации. Появляются новые признаки и свойства. Если они полезны для организма в данной среде обитания, то они подхватываются и закрепляются естественным отбором. Создаются новые формы и виды. Таким образом, изменчивость создает предпосылки для видообразования и эволюции; индивидуальное развитие (процесс онтогенеза) — воплощение исходной генетической информации, заложенной в структуре молекул ДНК (т. е. в генотипе), в рабочие структуры организма. В ходе этого процесса проявляется такое свойство, как способность к росту, что выражается в увеличении массы тела и его размеров. Этот процесс базируется на репродукции молекул, размножении, росте и дифференцировке клеток и других структур и др.; филогенетическое развитие (закономерности его установлены Ч. Р. Дарвином). Базируется на прогрессивном размножении, наследственности, борьбе за существование и отборе. 2 - Иерархические уровни организации жизни 1) молекулярно-генетический уровень. Элементарная единица представлена геном. Ген — это участок молекулы ДНК (а у некоторых вирусов - молекулы РНК), который ответствен за формирование какого — либо одного признака. Информация, заложенная в нуклеиновых кислотах, реализуется посредством матричного синтеза белков; 2) субклеточный уровень. Элементарная единица представлена какой-либо субклеточной структурой, т. е. органеллой, которая выполняет свойственные ей функции и вносит свой вклад в работу клетки в целом; 3) клеточный уровень. Элементарная единица — это клетка, которая является самостоятельно функционирующей элементарной биологической системой. Только на этом уровне возможны реализация генетической информации и процессы биосинтеза. Для одноклеточных организмов этот уровень совпадает с организменным. элементарные явления— это реакции клеточного метаболизма, составляющие основу потоков энергии, информации и вещества; 4) тканевый уровень. Совокупность клеток с одинаковым типом организации составляет ткань (Элементарная единица). Уровень возник с появлением многоклеточных организмов с более или менее дифференцированными тканями. Ткань функционирует как единое целое и обладает свойствами живого; 5) органный уровень. Образован совместно с функционирующими клетками, относящимися к разным тканям (Элементарная единица). Всего четыре основные ткани входят в состав органов многоклеточных организмов, шесть основных тканей образуют органы растений; 6) организменный(онтогенетический) уровень. Элементарная единица — это особь в ее развитии от момента рождения до прекращения ее существования в качестве живой системы. элементарные явления — это закономерные изменения организма в процессе индивидуального развития (онтогенеза). В процессе онтогенеза в определенных условиях среды происходит воплощение наследственной информации в биологические структуры, т. е. на основе генотипа особи формируется ее фенотип; 7) популяционно-видовой уровень. Элементарная единица — это популяция, т. е. совокупность особей (организмов) одного вида, населяющих одну территорию и свободно скрещивающихся между собой. Популяция обладает генофондом, т. е. совокупностью генотипов всех особей. Воздействие на генофонд элементарных эволюционных факторов (мутаций, колебаний численности особей, естественного отбора) приводит к эволюционно значимым изменениям (элементарные явления); 8) биоценотический(экосистемный) уровень. Элементарная единица — биоценоз, т. е. исторически сложившееся устойчивое сообщество популяций разных видов, связанных между собой и с окружающей неживой природой обменом веществ, энергии и информации (круговоротами), которые и представляют собой элементарные явления; 9) биосферный(глобальный) уровень. Элементарная единица — биосфера (область распространения жизни на Земле), т. е. единый планетарный комплекс биогеоценозов, различных по видовому составу и характеристике абиотической (неживой) части. Биогеоценозы обусловливают все процессы, протекающие в биосфере; 3 - Клеточная теория. Современное состояние клеточной теории, ее значение для биологии и медицины. Основные положения. Клеточная теория – одно из наиболее важных биологических обобщений, согласно которому все организмы имеют клеточное строение. Клеточная теория наряду с законом превращения энергии и эволюционной теории Чарльза Дарвина является одним из трех великих открытий естествознания XIX века. Клеточное строение впервые наблюдал Р. Гук (1665) у растений и впервые применил термины «клетка». ОСНОВЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ СОВРЕМЕННОЙ КЛЕТОЧНОЙ ТЕОРИИ Клетка – наименьшая структурно-функциональная единица живого; · Все клетки сходны по строению, химическому составу и обмену веществ · «каждая клетка из клетки», т.е. новая клетка образуется исключительно из исходной материнской путем деления; · Клетка – единица развития живых организмов, так как многие организмы развиваются из одной клетки – зиготы, споры; · В многоклеточных организмах клетки специализированы по выполняемой функции и образуют ткани: из тканей образуются органы, которые тесно связаны между собой и подчинены нервным и гуморальным системам регуляции. Клеточная теория позволила понять как зарождается, развивается и функционирует живой организм, то есть создала основу эволюционной теории развития жизни, а в медицине – понимания процессов жизнедеятельности и развития болезней на клеточном уровне – что открыло немыслимые ранее новые возможности диагностики, лечение заболеваний. Cтало ясно, что клетка — важнейшая составляющая часть живых организмов, их главный морфофизиологический компонент. 4 - Структурно-функциональная организация про- и эукариотических клеток. Общие черты организации и отличительные особенности Клетки прокариотического типа имеют особенно малые размеры ( не более 0,5-3,0мкм в диаметре). у них нет морфологически обособленного ядра, т.к. ядерный материал в виде ДНК не отграничен от цитоплазмы оболочкой. В клетке отсутствует развитая система мембран. Генетический аппарат образован единственной кольцевой хромосомой, которая лишена основных белков- гистонов. У прокариот отсутствует клеточный центр. Время необходимое для образования двух дочерних клеток ( время генерации), сравнительно мало и исчесляется десятками минут. Прокариотические клетки не делятся митозом. К этому типу клеток относятся бактерии и сине-зеленые водоросли. Эукариотический тип клеточной организации представлен двумя подтипами. Особенностью организмов простейших является то, что они (исключая колониальные формы) соответствуют в структурном отношении уровню одной клетки, а в физиологическом — полноценной особи. В связи с этим одной из черт клеток части простейших является наличие в цитоплазме миниатюрных образований, выполняющих на клеточном уровне функции жизненно важных органов многоклеточного организма. Таковы (например, у инфузорий) цитостом, цитофарингс и порошица, аналогичные пищеварительной системе, и сократительные вакуоли, аналогичные выделительной системе. Клетки многоклеточных организмов имеют оболочку. Плазмолемма ( клеточная оболочка) образована мембраной покрытой снаружи слоем гликокаликса. В клетке выделяют ядро и цитоплазму. В ядре есть оболочка, ядерный сок, ядрышко , хроматин. Цитоплазма представлена основным веществом( матрикс, гиалоплазма), в котором распределены включения и органеллы( шероховатая и гладкая эпс, пластинчатый комплекс, митохондрии, рибосомы, полисомы, лизосомы, периксисомы, микрофибриллы, микротрубочки, центриоли клеточного центра. В растительных клетках выделяют еще и хлоропласты. Отличительные признаки про- и эукариотических клеток
5 - Закономерности существования клетки во времени. Жизненный цикл клетки, его варианты. Основное содержание и значение периодов жизненного цикла клетки. Закономерные изменения структурно-функциональных характеристик клетки во времени составляют содержание ее жизненного цикла (клеточного цикла). Клеточный цикл — это период существования клетки от момента ее образования путем деления материнской клетки до собственного деления или смерти. Обязательным компонентом клеточного цикла является митотический (пролиферативный) цикл — комплекс взаимосвязанных и детерминированных хронологически событий, происходящих в процессе подготовки клетки к делению и на протяжении самого деления, Кроме того, в жизненный цикл включается период выполнения клеткой многоклеточного организма специальных функций, а также периоды покоя. В периоды покоя ближайшая судьба клетки неопределенна: она может либо начать подготовку к митозу, либо стать на путь специализации. Жизненный цикл клетки – это период существования клетки от момента её образования путём деления материнской клетки до её смерти. Важнейшим компонентом является митотический цикл. Митотический цикл – период времени, который длится от одного деления до другого Периоды: - Интерфаза – подготовка к делению клетки. - Митоз – деление клетки. 22. Интерфаза, её периоды, их характеристика. Интерфаза - подготовка к делению клетки. - Пресинтетический (G1) – идёт рост образовавшейся клетки, синтез различных РНК и белков. Синтез ДНК не происходит. (12-24 часа). 2n2c (хромосом и ДНК). - Синтетический (S) – синтез ДНК и редупликация хромосом. Синтез РНК и белка. (10 часов). - Постсинтетический (G2) – синтез ДНК останавливается. Происходит синтез РНК, белков и накопление энергии. Ядро увеличивается в размере. Происходит его деление. (3-4 часа). 23. Способы деления клеток и клеточных структур: амитоз, митоз, мейоз, эндомитоз, политения. Определение понятий. Способы деления клеток: - Амитоз – прямое, простое деление клетки (неполноценное). - Митоз – сложное, непрямое, полноценное деление клетки. Мейоз – сложное, непрямое, редукционное деление специализированных клеток репродуктивных органов. Способы деления клеточных структур: - Эндомитоз – увеличение числа хромосом кратное их набору. - Политения – образование многонитчатых хромосом за счёт многократной репликации хромосом. 24. Митоз, его фазы, их характеристика. Факторы, влияющие на интенсивность митоза. Биологическое значение митоза. Митоз – сложное, непрямое, полноценное деление клетки. Профаза – хромосомы спирализуются, укорачиваются. Ядрышко начинает разрушаться. Ядерная оболочка частично лизируется. В цитоплазме уменьшается количество структур шероховатой ЭПС. Центриоли клеточного центра расходятся к полюсам. Между ними микротрубочки образуют веретено деления, увеличивается вязкость цитоплазмы, её тургор и поверхностное натяжение внутренней мембраны. Прометафаза – исчезает ядерная оболочка и ядрышко. Хромосомы в виде толстых нитей располагаются по экватору. Метафаза – заканчивается образование веретена деления. Хроматиновые нити прикрепляются одним концом к центриолям, а другим к центромерам хромосом. Хроматиды начинают отталкиваться друг от друга. Хромосомы подразделяются на две хроматиды. Остаются сцепленными в центре. Хромосомы выстраиваются по экватору, образуя материнскую звезду. Анафаза – рвётся связь по центромере, сохраняются нити ахроматинового веретена и растягивают хроматиды к центриолям. Телофаза – происходят процессы обратные процессам профазы. Хромосомы десрирализуются, удлиняются, становятся тонкими. Формируется ядрышко, образуется ядерная мембрана, разрушается веретено деления, происходит цитокинез. Из материнской клетки образуются две дочерние. 6 - Химическая организация генетического материала. Структура ДНК. Свойства и функции наследственного материала. Генетический материал – ДНК – дезоксирибонуклеиновая кислота (“энциклопедия жизни”) – в химическом отношении представляет собой полинуклеотидную последовательность, состоящую из отдельных небольших молекул: нуклеотидов. Отдельный нуклеотид состоит из трех компонентов: сахара – пентозы (дезоксирибозы), остатка фосфорной кислоты и одного из четырех азотистых оснований (АО) (аденина, гуанина, тимина, цитозина). Азотистое основание присоединяется к 1-му атому углерода в молекуле сахара (дезоксирибозы), а остаток фосфорной кислоты с помощью эфирной связи (через кислород) присоединяется к его 5-му углеродному атому. Соединение между отдельными нуклеотидами происходит через остаток фосфорной кислоты. Он присоединяется через кислород к 3-му углероду в молекуле сахара.Таким образом, синтез ДНК идет в направлении присоединения нуклеотидов от пятого к третьему концу. В результате образуется длинная полимерная цепь из нуклеотидов четырех типов, различающихся азотистыми основаниями. Рост цепи происходит при участии фермента, называемого «полимераза» Молекула ДНК является двухцепочечной. Соединение двух полинуклеотидных цепей ДНК в двойную спираль осуществляется по принципу комплементарности (точного соответствия): между азотистыми основаниями: аденин с тимином (А-Т), а гуанин с цитозином (Г-Ц). Благодаря их пространственной конфигурации они создают между собой водородные связи. При этом между комплементарными основаниями двух цепей аденином и тимином образуются две водородные связи, а между гуанином и цитозином – три. Другой особенностью соединения двух полинуклеотидных цепей в молекуле ДНК является их антипараллельное расположение, при котором, цепь, имеющая в начале так называемый 5 конец, соединяется комплементарными связями с цепью, которая начинается 3 концом. Двухцепочечная молекула ДНК в пространстве образует спиральную структуру ДНК выполняет разнообразные функции: 1) хранит генетическую (наследственную) информацию, записанную в виде последователь-ности нуклеотидов; 2) передает наследственную информацию из ядра в цитоплазму. Для этого с ДНК снимает копию иРНК и переносит информацию к рибосомам – месту синтеза белка; 3) передает наследственную информацию от материнской клетки к дочерним, для чего перед делением клетки ДНК реплицируется, т.е. удваивается, создавая две точные копии. Благодаря свойству комплементарности на каждой отдельной нити молекулы ДНК в процессе ее удвоения происходит синтез второй нити Процесс самоудвоения ДНК называется репликацией, это две точные копии. Он предшест-вует делению клеток, во время которого генетический материал поровну распределяется между дочерними клетками, что позволяет сохранять наследственную информацию и передавать ее без изменений. Способность ДНК создавать свои точные копии обеспечивает живым организмам свойство наследственности. При делении клетки молекулы ДНК упаковываются в структурные образования, которые можно обнаружить в световой микроскоп. Они получили название хромосом. В клетках генетический материал распределен в нескольких хромосомах. Каждая хромосома содержит одну молекулу ДНК. В последовательности нуклеотидов в ДНК зашифрована информация строения белков, которые являются основными структурными и функциональными веществами всех живых организмов. 7 - Самовоспроизведение генетического материала. Принципы и этапы репликации ДНК. Репарация, ее виды Репарация ДНК Процесс коррекции повреждений в молекулах ДНК, который обеспечивает стабильность генома на протяжении многих поколений, носит название репарации. Механизм репарации характерен только для молекул ДНК, и обуслов- лен структурными особенностями этих молекул: наличие двух комплементарных и антипараллельных цепей. прямая репарация – встречается очень редко и состоит в возврате молекулы к исходному состоянию (путем ами- нирования U→C); - фотореактивация – широко распространена в природе и состоит в удалении пиримидиновых димеров при уча- стии ферментов, зависимых от света; - эксцизионная репарация – заключается в узнавании и вырезании поврежденного фрагмента одной цепи специ- альными ферментами. В дальнейшем восстановление удаленного участка происходит при участии ДНК- полимеразы с использованием в качестве матрицы непо- врежденной цепи. Наконец, ДНК-лигаза связывает вновь синтезированный фрагмент с остальной цепью, восста- навливая ее целостность рекомбинационная репарация осуществляется фермен- тами, которые используют фрагмент одной молекулы для восстановления другой молекулы (рис.7.11). Может происходить как во время репликации, так и после нее; - SOS-репарация индуцируется в результате влияния стрессовых факторов. Например, у E.coli под влиянием теплового шока или появления пиримидиновых димеров синтезируется избыточное количество белка RесА- протеазы. Другой белок LexA связан с последовательно- стью ДНК, названной SOS-блоком, который блокирует синтез ферментов репарации. RесА-протеаза в больших количествах гидролизует белок LexA, что приводит в результате к активации генов, кодирующих белки репа- рации (около 15 генов). SOS-ответ наступает быстро, в течение нескольких минут. На втором этапе синтезиру ется в большом количестве белок LexA, который блоки- рует синтез RесА-протеазы, и через 30-60 минут система SOS-репарации инактивируется Репликация— это процесс самоудвоения молекулы ДНК, осуществляемый под контролем ферментов. При репликации молекулы ДНК водородные связи между комплементарными азотистыми основаниями (аденином — тимином и гуанином — цитозином) рвутся при помощи специального фермента — хеликазы — и цепи расходятся. После разрыва водородных связей, при участии фермента ДНК-полимеразы на каждой из цепей синтезируется новая («дочерняя») цепь ДНК (к каждому нуклеотиду разошедшихся нитей ДНК фермент ДНК-полимераза подстраивает комплементарный ему нуклеотид). Материалом для синтеза служат свободные нуклеотиды, имеющиеся в цитоплазме клеток. В результате процесса репликации ДНК образуются две двуцепочечные молекулы ДНК, в состав каждой из которых входят одна цепь «материнской» молекулы и одна «дочерняя» цепь. Эти две молекулы абсолютно идентичны, и каждая дочерняя клетка в результате деления получает копию материнской ДНК. 1. Инициация. Репликация начинается в строго определенных участках ДНК – точках начала репликации – ori (от англ. origin - начало). Здесь находятся специфические последовательности нуклеотидов – ДНК-боксы, распознаваемые инициаторным белком, с которым связываются впоследствии другие ферменты репликации. Поскольку синтез ДНК происходит только на одноцепочечной матрице, ему должно предшествовать обязательное разделение двух цепей ДНК, т.е. подготовка матрицы, которая включает в себя следующие процессы: · ДНК-геликазы расплетают двойную спираль ДНК с использованием энергии АТФ. Участок начала расхождения цепей называется репликативной вилкой из-за характерной Y-образной формы. · ДНК-топоизомеразы снимают топологическое напряжение (суперспирализацию) при раскручивании ДНК. Для этого фермент сначала разрывает цепь ДНК, затем ковалентно присоединяется к разорванному концу. Эта связь обладает значительной энергией, поэтому реакция обратима и не требует дополнительных энергетических затрат. Обнаружено 2 типа топоизомераз: топоизомераза I (вносит однонитевые разрывы) и топоизомераза II (вносит двунитевые разрывы в ДНК). · SSB-белки (от англ. single-strand DNA-binding proteins) связываются с одноцепочечными участками и стабилизируют расплетенный дуплекс, препятствуя образованию шпилек. ДНК-матрица готова. Теперь необходимо к каждой из цепей материнской молекулы ДНК достроить из имеющихся в клетке дезоксирибонуклеозидтрифосфатов (dNTP) комплементарную цепь. Ферменты, катализирующие детерминируемую ДНК-матрицей реакцию присоединения дезоксирибонуклеотидов, называются ДНК-полимеразами (ДНКП). Первая ДНК-полимераза была обнаружена в 1957 г. А. Корнбергом, а в 1959 г. за открытие механизма биосинтеза ДНК ему была присуждена Нобелевская премия. Наиболее хорошо изучены ДНКП у прокариот: · ДНКП I. Функции: - полимераза (соединяет нуклеотиды фосфодиэфирными связями), - 3’-5’ – экзонуклеаза (может удалять 3’-концевой нуклеотид) - 5’-3’ – экзонуклеаза (может удалять 5’-концевой нуклеотид) · ДНКП II. Роль до конца неясна. В репликации не участвует. · ДНКП III. Основной фермент репликации. Функции: - полимераза (соединяет нуклеотиды фосфодиэфирными связями), - 3’-5’ – экзонуклеаза (может удалять 3’-концевой нуклеотид) ДНКП обладают двумя особенностями: Во-первых, ДНК-полимеразы не могут начинать синтез ДНК, а способны только добавлять новые дезоксирибонуклеотидные звенья к 3’-концу уже имеющейся полинуклеотидной цепи. Следовательно, ДНКП нуждается в затравке. Затравка (праймер), необходимая для работы ДНКП, состоит из РНК (примерно 15-17 нуклеотидов) и синтезируется ферментом праймазой. Праймаза связывается с геликазой и ДНК, формируя структуру, называемую праймосомой. Затем ДНКП III присоединяется к праймеру и удлиняет цепь. Во-вторых, синтез новой цепи полимеразы осуществляют только в направлении 5’-3’ вдоль матричной цепи, ориентированной антипараллельно, т.е. 3’-5’. Синтез цепей в обратном направлении не происходит никогда, поэтому синтезируемые цепи в репликативной вилке должны расти в противоположных направлениях. Синтез одной цепи (ведущей, лидирующей) происходит непрерывно, а другой (отстающей) – фрагментами. Ведущая цепь растет от 5’- к 3’ – концу в направлении движения репликативной вилки и нуждается только в одном акте инициации. Рост отстающей цепи также идет от 5’ - к 3’ –концу, но в направлении, противоположном движению репликативной вилки. Для синтеза отстающей цепи должно происходить несколько актов инициации, в результате чего образуется множество коротких цепей (фрагменты Оказаки), длина которых у прокариот составляет 1000-2000 нуклеотидов. В начале каждого фрагмента Оказаки находится РНК-праймер, который необходимо удалить, т.к. рибонуклеотиды не должны присутствовать в составе ДНК. ДНКП I за счет своей 5’-3’-экзонуклеазной активности удаляет праймер и замещает его дезоксирибонуклеотидами. Брешь между двумя соседними фрагментами Оказаки зашивается ферментом ДНК-лигазой с использованием энергии АТФ. 2. Элонгация (удлинение цепи). Комплекс ферментов репликации, называемый реплисомой, движется вдоль молекулы ДНК-матрицы, расплетая ее и наращивая комплементарные цепи ДНК. 3. Терминация (окончание репликации). В ДНК имеются сайты терминации репликации, содержащие специфические последовательности, с которыми связываются терминаторные белки, препятствующие дальнейшему продвижению репликативной вилки. Синтез ДНК заканчивается. Особенности репликации у эукариот 1. Репликация идет в S-период митотического цикла клетки. 2. В одной молекуле ДНК много репликонов, т.е. имеется несколько точек начала репликации. 3. ДНП-полимеразы: · α – ДНК-полимераза. Основной фермент репликации. Обладает также и активностью праймазы. Синтезирует фрагменты Оказаки. · β – ДНК-полимераза – фермент репарации (устраняет повреждения ДНК). · γ – ДНК-полимераза обеспечивает синтез митохондриальной ДНК · δ – ДНК-полимераза участвует в синтезе ведущей цепи. 4. Длина фрагментов Оказаки составляет 100-200 нуклеотидов. 5. Скорость репликации 50 нуклеотидов / сек. 6. Есть фермент теломераза, удлиняющий перед репликацией 3’-конец ДНК, т.к. каждый раз после репликации длина 3’-конца линейной молекулы ДНК уменьшается на размер праймера. Нарушения удлинения теломер связаны с канцерогенезом и старением 8 - Ген, его свойства. Ген как функциональная единица наследственности. Классификация генов. Особенности организации генов у про- и эукариот Ген – функциональная единица наслественности, по химической природе являющуюся полинуклеотидом и определяющую возможность синтеза полипептидной цепи. Свойства гена: 1.дискретность — несмешиваемость генов; 2.стабильность — способность сохранять структуру; 3.лабильность — способность многократно мутировать; 4.множественный аллелизм — многие гены существуют в популяции во множестве молекулярных форм; 5.аллельность — в генотипе диплоидных организмов только две формы гена; 6.специфичность — каждый ген кодирует свой признак; 7.плейотропия — множественный эффект гена; 8.экспрессивность — степень выраженности гена в признаке; 9.пенетрантность — частота проявления гена в фенотипе; 10.амплификация — увеличение количества копий гена. Особенности организации генов: 1. геном прокариотической клетки организован в виде нуклеоида — комплекса ДНК с негистоновыми белками. 2. в эукариотических клетках одновременно активно транскрибируется от 1 до 10% ДНК. Значительная часть нуклеотидных последовательностей у эукариот не транскибируется вообще – молчащая ДНК 3. У эукариот гены включают в себя интроны (не кодируют а\к) и экзоны 4. У прокариот активно транскибируется 95% в данный момент времени 5. Геном прокариот характеризуется небольшими размерами. 6. У эукариот объем наслественного материала значительно больше (у чел-ка 174 см) – помимо уникально есть умеренно и высоко повторяющиеся последовательности (у мыши около 20% умеренных повторов) 7. У эукариот часть ДНК расположена в цитоплазме в виде кольцевых фрагментов-плазмид (митохондрии и хлоропласты) Функциональная классификация генов Все гены делятся на три группы: · cтруктурные – контролируют развитие признаков путем синтеза соответствующих ферментов; · регуляторные– управляют деятельностью структурных генов; · модуляторные – смещают процесс проявления признаков в сторону его усиления или ослабления, вплоть до полной блокировки. Разновидности генов Наряду с приведенной ранее функциональной классификацией генов существуют и другие их разновидности: псевдогены, онкогены и мобильные гены. Псевдогены (ложные гены) – нуклеотидные последовательности в молекуле ДНК, сходные по строению с известными генами, но утратившие функциональную активность. Онкогены – нуклеотидные последовательности в молекуле ДНК, присутствующие в хромосомах нормальных клеток, способные активизироваться под влиянием факторов внешней среды и продуцировать белки, вызывающие рост опухолей. Мобильные(прыгающие) гены – гены, не имеющие постоянной локализации не только в хромосоме, но и в пределах хромосомного набора клетки. Понятно, что перемещения генов влияют на их экспрессию – ранее не активные гены могут активизироваться, и наоборот. Некоторые ученые считают, что эти гены играют важную роль в эволюции. Видимо, возникновение таким путем отдельных видов (в результате переноса информации от вида к виду) действительно возможно. Ген- это элементарный материальный наследственный фактор, определяющий строение белковой полипептидной цепи. Это участок ДНК, кодирующий развитие отдельного признака. В гаплоидном наборе хромосом имеется только один ген, ответственный за развитие данного признака. В диплоидном наборе хромосом содержатся 2 гомологичные хромосомы и значит 2 гена определяют развитие какого-либо признака. Гены, расположенные в одних и тех же локусах гомологичных хромосом и ответственные за развитие одного признака, называются аллельными. Доминантный ген — преобладающий, подавляет проявление других аллелей; обозначается большой буквой латинского алфавита. Рецессивный — подавляемый ген, проявляется только в гомозиготном состоянии, обозначают маленькой буквой Генотип — совокупность генов данного организма. Но часто под генотипом понимают одну или две пары аллелей гомозиготы или гетерозиготы. 9 - Генетический код как способ записи наследственной информации, его свойства. Цистрон, его структура Генетический код – единая система записи наследственной информации в молекулах нуклеиновых кислот в виде последовательности нуклеотидов. Генетический код основан на использовании алфавита, состоящего всего из четырех букв А, Т, Ц, Г, соответствующих нуклеотидам ДНК. Всего 20 видов аминокислот. Из 64 кодонов три – УАА, УАГ, УГА – не кодируют аминокислот, они были названы нонсенс-кодонами,выполняют функцию знаков- препинания. Кодо?н (кодирующий тринуклеотид) — единица генетического кода, тройка нуклеотидных остатков (триплет) в ДНК или РНК, кодирующих включение одной аминокислоты. Сами гены не принимают участие в синтезе белка. Посредником между геном и белком является иРНК. Структура генетического кода характеризуется тем, что он является триплетным, т. е. состоит из триплетов (троек) азотистых оснований ДНК, получивших название кодонов. Из 64 Свойства ген. кода 1) Триплетность: одна аминокислота кодируется тремя нуклеотидами. Эти 3 нуклеотида в ДНК называются триплет, в иРНК – кодон, в тРНК – антикодон. 2) Избыточность (вырожденность): аминокислот всего 20, а триплетов, кодирующих аминокислоты 61, поэтому каждая аминокислота кодируется несколькими триплетами. 3) Однозначность: каждый триплет (кодон) кодирует только одну аминокислоту. 4) Универсальность: генетический код одинаков для всех живых организмов на Земле. 5.) непрерывность и непререкаемость кодонов при считывании. Это означает, что последовательность нуклеотидов считывается триплет за триплетом без пропусков, при этом соседние триплеты не перекрывают друг друга. Цистрон, его структура - Ген как функциональную единицу предложено называть цистроном. Именно цистрон определяет последовательность аминокислот в каждом специфическом белке. Цистрон, в свою очередь, подразделяется на предельно малые в линейном измерении единицы - реконы, способные к рекомбинации при кроссинговере. Выделяют, кроме того, мутоны - наименьшие части гена, способные к изменению (мутированию). Размеры рекона и мутона могут равняться одной или нескольким парам нуклеотидов, цистрона - сотням и тысячам нуклеотидов 10 - Этапы реализации генетической информации. Транскрипция и посттранскрипционные процессы. Регуляция.  3. Трансляция- процесс сборки пептидной цепи, происходящей в цитоплазме на рибосомах на основании программы, содержащейся в иРНК. Основные фазы трансляции: 1) инициация; 2) элонгация; 3) терминация. Инициациятрансляции предполагает следующие события: • с помощью колпачка иРНК находит в цитоплазме малую субъединицу рибосомы; • с помощью лидерной последовательности устанавливается связь с комплементарным участком определенной фракции рРНК и иРНК прикрепляется к малой субъединице; • к стартовому кодону (АУГ) присоединяется тРНК, несущая формилметионин; • малая субъединица ассоциируется с большой субъединицей в аминоацильном центре (АЦ), которой располагается формилметионин. Таким образом, фаза инициации завершается формированием комплекса иРНК и рибосомы и подстановкой начальной для всех пептидных цепей аминокислоты - формилметионина. Фаза элонгации,т.е. наращивание пептидной цепи. Осуществляется путем постепенной подстановки аминокислоты в соответствии с очередным кодовом иРНК, который встает против аминоацильного центра. К этому кодону присоединяется соответствующая тРНК, имеющая комплементарный ему антикодон. Она несет определенную аминокислоту, которая располагается в аминоацильном центре (АЦ), тРНК, соединенная с предыдущим кодоном оказывается в пептидильном центре (ПЦ где располагает свою аминокислоту (цепочку АК).Между двумя аминокислотами, расположенными в пептидильном и аминоацильном центре, при участии имеющихся здесь ферментов возникает пептидная связь После установления пептидной связи предыдущая тРНК отделяется от своей аминокислоты и своего кодона и уходит в цитоплазму, а последняя тРНК, нагруженная цепочкой аминокислот, переходит в ПЦ, заставляя иРНК перемещаться вдоль рибосомы и устанавливать новый кодон против аминоацильного центра. После прохождения через рибосому всей кодирующей части иРНК на рибосоме собирается пептидная цепь с определенной последовательностью аминокислот. Фаза терминациинаступает, когда в контакт с рибосомой приходит концевой участок иРНК, который включает нонсенс-кодон, не кодирующий никакой аминокислоты. На этом сборка пептидной цепи заканчивается. По мере освобождения 5/конца иРНК колпачок может находить новые малые субъединицы рибосом и процесс трансляции может повторно осуществляться на новых рибосомах. Комплекс рибосом, находящихся в контакте с одной молекулой иРНК и синтезирующих одинаковые пептидные цепи, называется полирибосомой (полисомой). Посттранскрипционные процессы (процессинг). Это превращения, происходящие с первичным транскриптом, направленные на образование зрелой, стабилизированной иРНК, способной выполнять функцию матрицы при трансляции и защищенной от разрушающего действия специфических ферментов цитоплазмы. Основные стадии процессинга: 1. отщепление концевых участков первичного транскрипта (спейсеров); 2. формирование на 5/ конце колпачка, состоящего из особой последовательности нуклеотидов; 3. формирование на 3/конце полиадениловой последовательности нуклеотидов АААА: 4. метилирование некоторых внутренних азотистых оснований в транскрипте, стабилизирующее молекулу РНК; 5. вырезание неинформативных участков, соответствующих интронам ДНК, и сшивание (сплайсинг) участков, соответствующих экзонам Вырезание интронов происходит с участием сплайссом. Некодирующие последовательности - интроны превращаются в малую ядерную РНК (мяРНК). Выделено до 30мяРНК, они участвуют в сплейсинге и ядерноцитоплазматическом транспорте белков. 11 - Трансляция и посттрансляционные процессы. Структура и виды РНК, роль РНК в процессе реализации наследственной информации. Регуляция В прокариотических клетках процесс трансляции сопряжен с синтезом мРНК: они происходят практически одновременно. В значительной степени это связано с недолговечностью бактериальной мРНК, которая достаточно быстро подвергается распаду. Взаимосвязанность транскрипции и трансляции у бактерии проявляется в согласованности скоростей этих процессов. При 37°С транскрипция идет со скоростью 2500 нуклеотидов/мин (14 кодонов/с), а трансляция осуществляется со скоростью 15 аминокислот/с. Трансляция у прокариот начинается вскоре после образования 5'-конца мРНК, раньше, чем заканчивается ее синтез. В результате вслед за РНК-полимеразой по мРНК движутся рибосомы, осуществляющие сборку пептидных цепей (рис. 3.41). Через некоторое время после начала транскрипции (около 1 мин) и до завершения трансляции 3'-конца матрицы начинается деградация ее 5'-конца. Ввиду того что время жизни разных мРНК не одинаково, количество белка, синтезированного на разных матрицах, различно. |