Практическое занятие 1. Тема Введение в молекулярную биологию и генетику. Молекулярные основы наследственности. Актуальность темы (мотивация)
 Скачать 0.7 Mb.
|
|
Тема 1. Введение в молекулярную биологию и генетику. Молекулярные основы наследственности. Актуальность темы (мотивация): Современная биология характеризуется стремительным прогрессом в различных направлениях, особенно молекулярной биологии и генетики. В последние годы возникло новое направление в биологии - геномика, изучающая структуру и функционирование генетического материала на молекулярном (нуклеиновые кислоты) уровне. Достижение геномики, а именно расшифровка первичной структуры всего генетического материала (ДНК) человека позволяет подойти к решению проблем диагностики, лечения и профилактики заболеваний с молекулярно-генетических позиций, т.е. с позиций молекулярной медицины. Причем, не только наследственных болезней, но и целого рода широко распространенных мультифакториальных болезней, а также инфекционных и вирусных заболеваний. Цель занятия: 1. Изучить особенности строения и функционирования нуклеиновых кислот, механизмы реализации наследственной информации. - Студент должен знать: 1.Строение и функции нуклеиновых кислот (ДНК, РНК). 2. Современные представления о механизмах реализации наследственной информации. - Студент должен уметь: Составить нуклеотидную последовательность ДНК, построить комплементарную цепь иРНК и, соответствующую им, полипептидную цепь. Вопросы для самоподготовки: а) по базисным знаниям: 1. Строение, виды и функции нуклеиновых кислот б) по теме занятия: 1. Нуклеиновые кислоты, строение, классификация. 2. ДНК, свойства и функции. 3. РНК,свойства и функции. Виды РНК (иРНК, тРНК, рРНК). 4. Типы переноса генетической информации (общий, специализированный, запрещенный). Основной постулат Крика. Информационно-дидактический блок: Молекулярная биология — наука о структуре и функционировании живых форм на молекулярном уровне. Основной целью молекулярной биологии является изучение структуры и воспроизведения генов, а также синтеза РНК и белков на основе закодированной в них информации. Молекулярная биология изучает также структуру, взаимодействие и физиологические функции РНК и белков. Молекулярная биология является одной из самых передовых и стремительно развивающихся биологических наук. Становление и развитие молекулярной биологии тесно связано с успехами и достижениями генетики, биохимии, микробиологии и вирусологии. Молекулярная генетика — область биологии на стыке молекулярной биологии и генетики . По сути является одним из разделов молекулярной биологии . В области генетики молекулярная биология вскрыла химическую природу вещества наследственности, показала физико-химические предпосылки хранения в клетке информации и точного копирования её для передачи в ряду поколений. Материальными носителями генетической информации в клетках всех видов живых организмов являются нуклеиновые кислоты (НК). Это сложные биополимеры с очень большой молекулярной массой. Мономерами НК являются нуклеотиды, поэтому НК представляют собой полинуклеотидную цепь. В состав каждого нуклеотида входит: пятиуглеродный моносахарид (пентоза), остаток фосфорной кислоты и азотистое основание (аденин (А), тимин (Т), гуанин (Г), цитозин (Ц), урацил (У)). Два азотистых основания относятся к классу пуринов (А и Г), а три - пиримидинов - (Т,У и Ц). Остаток фосфорной кислоты связывается с 5'-углеродом пентозы, а азотистое основание с 1’-углеродом. Нуклеотиды соединяются друг с другом в цепочку путем образования ковалентных связей между фосфорной группой одного нуклеотида и дезоксирибозой другого. При этом каждый новый нуклеотид присоединяется к 3' концу предыдущего нуклеот ида. Рис 1. Строение нуклеотида Существует 2 типа нуклеиновых кислот - ДНК и РНК. Особенности их структурно- функциональных характеристик представлены в таблице. Таблица 1. Различия между ДНК и РНК Характерис тика ДНК РНК 1. Строение молекулы биспираль, которая состоит из двух полинуклеотидных цепей, соединенных друг с другом антипараллельно водородными связями между азотистыми основаниями по принципу комплементарности А с Т, Г с Ц (А=Т,Г=Ц) состоит из одной полинуклеотидной цепи 2. Состав нуклеотидо в 1. виды азотистых оснований -А, Т, Г, Ц 2. вид моносахарида – дезоксирибоза 1. виды азотистых оснований У(вместоТ),А,Г,Ц 2. вид моносахарида -рибоза 3. Свойства 1. способна к авторепродукции; каждая из цепей старой ДНК является матрицей для синтеза новой (репликация) 2. нуклеотидный состав видоспецифичен, но одинаков во всех клетках данного организма. Соотношение А+Т/Г+Ц у разных видов разное. 1. не способна к авторепродукции, матрицей для синтеза всех видов РНК является одна из цепей ДНК (транскрипция) * 2. нуклеотидный состав РНК не видоспецифичен, значительно варьирует даже в разных клетках одного организма (особенно иРНК) 4. Функции 1. ДНК - информационная матрица, на которой записана вся наследственная информация 2. ДНК обеспечивает точную передачу наследственной информации в ряду поколений (репликация) - Реализация наследственной информации. В зависимости от функции различают 3 вида РНК: 1. иРНК - переносит информацию с ДНК в цитоплазму к месту синтеза белка 2. тРНК - адаптор, обеспечивает специфическое узнавание кодонов при трансляции, транспортирует аминокислоты 3. рРНК - структурный компонент рибосом, обеспечивает узнавание и связывание рибосом с иРНК * - исключение составляют РНК-содержащие вирусы, у которых РНК может создавать себе копию. Рис 2. Строение молекулы ДНК Репликация, транскрипция и трансляция - основные пути передачи наследственной информации в клетках как прокариот, гак и эукариот. Основные принципы этих процессов были раскрыты Ф.Криком и сформулированы в виде "центральной догмы молекулярной биологии" (1958 г.). ДНК ДНК РНК белок репликация транскрипция трансляция Впоследствии были открыты и другие (дополнительные) пути передачи наследственной информации. В настоящее время эта схема выглядит так : ДНК ДНК Репликация трансляция иРНК белок Рис 3. Центральная догма молекулярной биологии В 1975 г. у РНК содержащих вирусов было открыто явление обратной транскрипции - передачи информации с РНК на ДНК (Дульбеко Р, Тимин Г., Балтимор Д.). При этом с помощью специального фермента ревертазы на РНК синтезируется одна цепь ДНК, а затем она удваивается как обычно с помощью фермента ДНК-полимеразы. В некоторых обычных клетках эукариот (особенно эмбриональных) тоже встречается ревертаза, что говорит о возможности передачи информации с РНК на ДНК. Явление передачи информации с ДНК на белок (прямая трансляция) было открыто в эксперименте и, пока, не обнаружено в живых клетках. Т.е. функция нуклеиновых кислот - обеспечение потока информации - возможна благодаря свойству НК служить матрицей для синтеза другой НК. Этот процесс происходит по принципу комплементарности нуклеотидов. Контроль: 1. Оценка компетенции - знание. 2. Устный опрос по основным вопросам темы. 3. Тестовый контроль – 2 варианта по 10 вопросов. 4. Решение задач: Задача № 1. Одна из цепочек ДНК имеет последовательность нуклеотидов: АГТ АЦЦ ГАТ АЦТ ЦГА ТТТ АЦГ ... Какую последовательность нуклеотидов имеет вторая цепочка ДНК той же молекулы. Задача № 2. Последовательность нуклеотидов в начале гена, хранящего информацию о белке инсулине, начинается так: ААА ЦАЦ ЦТГ ЦТТ ГТА ГАЦ. Напишите последовательности аминокислот, которой начинается цепь инсулина. Задача № 3. Большая из двух цепей белка инсулина имеет (так называемая цепь В) начинается со следующих аминокислот: фенилаланин-валин-аспарагин-глутаминовая кислота-гистидин-лейцин. Напишите последовательность нуклеотидов в начале участка молекулы ДНК, хранящего информацию об этом белке. Задача № 4. Молекула ДНК распалась на две цепочки. одна из них имеет строение: ТАГ АЦТ ГГТ АЦА ЦГТ ГГТ ГАТ ТЦА ... Какое строение будет иметь вторая молекула ДНК, когда указанная цепочка достроится до полной двухцепочечной молекулы? Задача № 5. Фрагмент гена ДНК имеет следующую последовательность нуклеотидов ГТЦ ЦТА АЦЦ ГГА ТТТ. Определите последовательность нуклеотидов и-РНК и аминокислот в полипептидной цепи белка. Задача № 6. Фрагмент гена ДНК имеет следующую последовательность нуклеотидов ТЦГ ГТЦ ААЦ ТТА ГЦТ. Определите последовательность нуклеотидов и-РНК и аминокислот в полипептидной цепи белка. Задача № 7. Фрагмент гена ДНК имеет следующую последовательность нуклеотидов ТГГ АЦА ГГТ ТТЦ ГТА. Определите последовательность нуклеотидов и-РНК и аминокислот в полипептидной цепи белка. Задача № 8. Определите порядок следования аминокислот в участке молекулы белка, если известно, что он кодируется такой последовательностью нуклеотидов ДНК: ТГА ТГЦ ГТТ ТАТ ГЦГ ЦЦЦ. Как изменится белок, если химическим путем будут удалены 9-й и 13-й нуклеотиды? Задача № 9. Кодирующая цепь ДНК имеет последовательность нуклеотидов: ТАГ ЦГТ ТТЦ ТЦГ ГТА. Как изменится структура молекулы белка, если произойдет удвоение шестого нуклеотида в цепи ДНК. Объясните результаты. Задача № 10. Кодирующая цепь ДНК имеет последовательность нуклеотидов: ТАГ ТТЦ ТЦГ АГА. Как изменится структура молекулы белка, если произойдет удвоение восьмого нуклеотида в цепи ДНК. Объясните результаты. Задача № 11. Фрагмент молекулы и-РНК имеет следующую последовательность нуклеотидов: ГЦА УГУ АГЦ ААГ ЦГЦ. Определите последовательность аминокислот в молекуле белка. Задача № 12. Фрагмент молекулы и-РНК имеет следующую последовательность нуклеотидов: ГАГ ЦЦА ААУ АЦУ УУА. Определите последовательность аминокислот в молекуле белка и её молекулярную массу. Контрольные вопросы: 1. Что такое молекулярная биология? 2. Что такое молекулярная генетика? 3. Значение генетики в современной медицине. 4. Строение ДНК 5. Строение РНК 6. Отличия ДНК и РНК 7. Роль нуклеиновых кислот в обеспечении наследственности. 8. Основные пути передачи наследственной информации |