№1.

Человек – биосоциальное существо.

• Происхождение (антропология);

• Соотношение естественного и гуманитарного в человеке (социобиология);

• Изучение особенностей человека методами естественнонаучного познания.

1838 – клеточная теория Шлейдана и Шванна явилась доказательством единства происхождения и развития всего живого на Земле.

Все живые системы состоят из клеток и продуктов их жизнедеятельности.

1858 – Карл Бэр – открыл яйцеклетку млекопитающих, доказал, что все многоклеточные организмы развиваются из зиготы.

Все клетки имеют общие свойства: осуществляют обмен веществ, способны к передаче наследственной информации; клетки чрезвычайно разнообразны и высоко специализированы. Специализированные клетки способны к интеграции. Клетки могут существовать так же в составе многоклеточных организмов.

Основные положения клеточной теории.

• Жизнь, какие бы сложные или простые формы она ни принимала, обеспечивается только клеткой.

• Клетка – единица размножения всего живого.

• Структурно-функциональными единицами являются клетки. Клетки многоклеточных организмов специализируются и объединяются в системы тканей и органов, связаны с различными формами регуляции.

• Клетки сходны по строению, составу и жизненным процессам.

Биологическая мембрана.

1885 – Карл Вильгельм Кисли – клетки при изменении осмотического давления изменяют свой объем.

1902 – Овертон – мембрана имеет липидную природу.

1912 – Даниелли – с мембраной связаны белки.

1972 – Сишер и Николсон – жидкостно-мозаичная модель.

Мембрана:

• Наружная плазматическая

• Внутриклеточная

Химический состав.

• Липиды – 25-60%

• Углеводы – 2-10%

• Белки – 40-75%

• Вода – 20%

• Липиды мембраны.

• Фосфолипиды – основа мембраны

• Гликолипиды – рецепторная функция

• Стероиды (холестерин) – придают липидному слою прочность.

Белки мембраны.

• Периферические (цитохром)

• Полуинтегральные (транспорт АТФ-азы)

• Интегральные (гликофорин).

Функции:

1. Каталитические

2. Рецепторная

3. Структурная

4. Транспортная

Углеводы.

• Гликопротеиды

• Гликолипиды

Функции: контроль за межклеточным взаимодействием, стабильность белковых молекул в мембране.

Свойства мембраны.

• Избирательная проницаемость

• Текучесть

• Вязкость

• Полярность (асимметричность)

Функции:

• Барьерная

• Метаболическая

• Транспортная

• Биоэлектрическая

• Межклеточное взаимодействие

Синтез всех клеточных мембран, кроме мембран митохондрий и пластид. Проходит в ЭПС. Мембранные везикулы, продуцируемые комплексом Гольджи, идут на построение плазматической мембраны и др.

Транспорт веществ.

Пассивный (без затрат энергии, вещества поступают по градиенту концентрации).

• Простая диффузия (газы, вода, лекарственные препараты)

• Облегченная диффузия

• Осмос (воды)

Активный (с затратой энергии, вещества поступают против градиента концентрации).

1. Первично-активный – связан с работой ионных насосов, источник – АТФ.

2. Вторично-активный (с помощью белков-переносчиков). Источник – перенос другого вещества.

3. Экзо- и эндо-цитоз.

Выведение (гормоны, жировые капли, белки) – 2 типа:

Основной (конститутивный): выведение продуктов метаболизма и постоянное восстановление клеточной мембраны.

Регулируемый: осуществляется секреторными клетками при поступлении сигнала извне.

Обмен энергии в клетке.

Метаболизм – совокупность взаимосвязанных ферментов и не ферментируемых реакций синтеза и распада веществ, протекающих в клетке.

1. Подготовительная – проходит на наружной поверхности мембраны клетки. Энергия рассеивается в виде тепла.

2. Бескислородный – происходит в цитоплазме. Глюкоза расщепляется до пировиноградной кислоты.

3. Кислородный (клеточное дыхание) – на внутренней мембране митохондрий.

Пировиноградная кислота расщепляется до углекислого газа и воды.

Образование ацетил-КоА

Цикл Кребса (1937)

Перенос электронов по цепи и окислительное фосфориллирование.

Энергетический выход: 36 молекул АТФ. При распаде одной молекулы глюкозы образуется 38 АТФ.

Воспроизведение клеток.

Жизненный цикл – время существования клетки от момента её образования путем деления материнской клетки до собственного деления или смерти.

В жизненном цикле:

• Митотический цикл

• Период покоя

Митотический цикл – упорядоченная во времени последовательность биохимических, морфологических, физиологических событий и процессов, происходящих между двумя митозами.

- интерфаза

- митоз

Интерфаза.

1. G1 – пресинтетический период – рост клеток, синтез белков, РНК, АТФ, накопление продуктов для репликации ДНК, хромосомы однохроматидны, генетический материал – 2n2c

2. Р-синтетический, репликация ДНК, синтез РНК, белков гистонов, удвоение центриолей, хромосома из двух хроматид, генетический материал 2n4c.

3. G2 – постсинтетический период – подготовка к делению клеток, синтез РНК, АТФ, белков, генетический материал 2n4c.

Митоз обеспечивает преемственность хромосом в ряду клеточных поколений и точную передачу генетической информации от клетки к клетке.

Значение митоза.

• Точное распределение генетической информации между дочерними клетками;

• Основа роста и развития многоклеточного организма, регенерации тканей;

• Основа бесполого размножения.

Значение клеточной пролиферации.

• Количество клеточных элементов определенного типа.

• Клеточная пролиферация регулирует постоянство клеточного гомеостаза либо направлена на восстановление органов вследствие нарушения его целостности.

• Лежит в основе регенерации тканей.

Регенерация: физиологическая, патологическая, репаративная.

Восстановление тканей при повреждении. По способности клетки к делению клетки взрослого организма делятся на 3 типа:

1. Постоянно делящиеся

2. Постмитотические (не делятся)

3. Условно постмитотические.

№2.

Кодирование и реализация генетической информации в клетке.

Нуклеиновые кислоты:

1868 год – Иоганн Фридрих – выделил из гноя вещество нуклеин.Вещество небелковой природы.

1884 – Гертвиг Оскар – «нуклеин это вещество, которое отвечает не только за оплодотворение, но и за передачу наследственных свойств»

1928 – Фредерик Гриффит – трансформация – изменение наследственных свойств клетки в результате проникновения в неё чужеродной ДНК.

1944 – Освальд Эвери установил что трансформирующим агентом является ДНК.

1952 – Джошуа Ледерберг: трансдукция – перенос генетической информации от одной бактериальной клетки в другую с помощью фага.

1952 – Херми и Марта Нейз на бактериофагах с помощью радиоактивных изотопов показали, что в зараженную клетку передается только нуклеиновая кислота фага, но все поколения фага содержат такие же белки и кислоту, как и исходный фаг.

Правила Эрвина Чаргаффа.

• Количество аденина равно количеству тимина, а гуанина=цитозина. А=Т, Г=Ц.

• Количество пуринов = количеству пиримидинов (А+Г=Т+Ц)

• Соотношение суммы комплексных оснований может быть разным – коэффициент специфичности ДНК.

1953 год, американский биохимик ДжейМс Уотсон и английский физик Френсис Крик расшифровали модель структуры ДНК.

Строение ДНК:

• Линейный биополимер, диаметр 2 нм,

• Цепи антипараллельны,

• Мономер – нуклеотид:

1. остаток фосфорной кислоты,

2. Углевод дезоксирибоза

3. Азотистые основания: пуриновые, А, Г, пиримидиновые, Т, Ц.

5’ – 3’ – кодогенная (смысловая) цепочка.

3’ – 5’ – матричная цепочка.

Свойства ДНК:

• Репликация (самоудвоение): обеспечивает точную передачу генетической информации.

• Репарация: способность восстанавливать свою структури при повреждениях.

• Поддержание стабильности структуры.

Функции ДНК:

• Хранение генетической информации (функция обеспечена стабильностью ДНК за счет репарации)

• Передача генетической информации в процессе деления клетки (на основе редупликации и реализации генетической информации в ходе матричных синтезов: транскрипции и трансляции)

• Матрица для синтеза всех видов РНК в клетке.

Строение РНК:

• Одна полинуклеотидная цепь.

• Мономер – нуклеотид:

1. Остаток фосфорной кислоты.

2. Углевод – рибоза.

3. Азотистые основания: пурины А и Г, пиримидины У и Ц.

Виды РНК:

1. Информационная – матрица для синтеза белка (1%)

2. Транспортная – перенос аминокислот из цитоплазмы к рибосомам (10-15%)

3. Рибосомальная - формирует структуру рибосом, участвует в инициации и терминации белкового синтеза (большая)

4. Малые ядерные РНК – регуляторная роль в ходе реализации генетической информации.

Молеклярная структура генов.

• Ген – участок молекулы ДНК или РНК, характеризующийся определенной последовательностью нуклеотидов, составляющий единицу функции других генов и способный меняться путем мутирования.

• Первичный продукт гена – белок, или полипептидная цепь, или РНК.

Строение гена.

1. Прокариоты: цистронное строение (характерна непрерывная последовательность нуклотидов, обеспечивающая кодирование коллинеарных (количество триплетов, соответствующее количеству аминокислот) последовательностей аминокислот в белке)

2. Эукариоты: мозаичное строение (содержат кодирующие участки – экзоны, некодирующие – интроны)

Реализация генетической информации в клетке.

Ц ентральная догма молекулярной биологии:

Генетический код.

• Принцип генетического кодирования: одну аминокислоту кодирует три нуклеотида (триплет или кодон)

• Кодовая группа – кодон (триплет).

• 64 кодона: 61 – смысловые, 3 – нонсенс (стоп-кодоны, кодоны – терминаторы).

Репликация ДНК.

Самоудвоение молекулы ДНК.

• Полуконсервативный способ (матрицами для синтеза дочерней молекулы ДНК являются обе цепочки).

• Синтез на материальных цепочках идет антипараллельно. Новая цепь синтезатора всегда от 5’ к 3’ концу.

• Проходит от начала и до конца матрицы.

Этапы репликации.

• Фермент ДНК – геликаза, раскручивает материнскую спираль ДНК на две цепочки, образуется репликативная вилка (репликон).

• Цепочки ДНК фиксируются ДНК-связывающими белками.

• Белок праймаза синтезирует короткие полинуклеотидные послед. (затравки, краймеры)

• ДНК – полимераза синтезирует новые цепочки ДНК от 5' к 3’. Одна цепочка – лидирующая (синтез идет непрерывно), на другой (запаздывающая) синтез идет фрагментами.

• ДНК – полимераза удлиняет фрагменты, достаивая целую цепочку ДНК.

• ДНК – лигаза сшивает соседние участки.

Транскрипция.

Считывание генетической информации с ДНК на иРНК.

• В качестве матрицы выступает матричная цепочка материнской молекулы ДНК (3’ – 5’)

• Копируется небольшой участок матрицы – оперон (прокариоты); транскриптон (эукариоты), ограниченный промотором и терминатором.

• Синтез ведет фермент РНК - полимераза.

Этапы транскрипции:

1. РНК-полимераза соединяется с промотором.

2. РНК-полимераза разделяет цепочки ДНК, образуется транскрипционный глазок. Первым в строящуюся цепь включается пуриновый нуклеотид.

3. Удлинение цепи (синтез нуклеотидов) примерно 30 нуклотидов в секунду.

4. Терминация (с участием белковых факторов, которые способствуют отщеплению ДНК-полимеразы от матрицы).

После транскрипции у прокариот сразу проходит трансляция, у эукариот в ходе транскрипции образуются предшественники РНК.

Трансляция.

Синтез белка на рибосомах.

1. Активация аминокислот (свободные аминокислоты связываются с молекулами тРНК с образованием комплекса аминоацил – тРНК. На это затрачивается энергия АТФ).

2. Инициация (стартовым кодоном является кодон (-АУГ- : метионин) сборка активной рибосомы. К стартовому кодону матрицы иРНК присоединяется малая субъединица рибосомы. Затем положение малой субъединицы уточняется путем присоединения 1 аминоацил тРНК. К образовавшемуся комплексу инициации присоединяется большая субъединица рибосомы. Рибосома имеет два центра: пептидный и аминоацильный. 1 аминокислота окажется в пептидном центре, а аминоацильный центр будет пустой. В один момент в рибосоме может быть 2 кодона.

3. Элонгация (удлинение пептидной цепи). Процесс имеет циклический характер. В свободный аминоацильный центр поступает новая аминокислота. Потом оттуда она переносится в пептидный центр и образуется дипептид. После образования пептидной связи между аминокислотой рибосома сдвигается по матрице ровно на один триплет. Пептидный центр будет занят дипептидил-тРНК; а аминоацильный снова будет пустым.

4. Терминация белкового синтеза (об окончании синтеза белка свидетельствует наличие нонсенс-кодонов в аминоацильном центре). Кодоны терминаторы распознают белковыми фактор терминации, что способствует отщеплению белковой молекулы от последней тРНК и дифференциации рибосомы на отдельные субъединицы. Синтезированная молекула белка, имеющая первичную структуру, далее поступает в комплекс Гольджи и ЭПС, где происходит формирование структуры белка (фоидинг). В комплексе Гольджи формируется комплекс белков.

№3.

• Ген – участок молекулы ДНК или РНК, характеризующийся определенной последовательностью нуклеотидов, составляющий единицу функции других генов и способный меняться путем мутирования.

Функциональная организация геномов про- и эукариот.

Геном – генетический материал ядра в гаплоидном наборе хромосом.

Геном – суммарная длина молекулы ДНК в гаплоидном наборе хромосом.

Диплоидные организмы содержат 2 генома. Отцовский и матреинский получаются из половых клеток.

Функциональной единицей генома является ген.

1 – конститутивные.

2 – тканеспецифичные гены – работают только на определенных этапах онтогенеза.

3 – отвечают за синтез белков – регуляторов транскрипции.

Геном прокариот.

1. длина молекулы ДНК 1 мм.

2. Классы генов по их генопродуктам:

• Структурные (белки)

• Регуляторные (белки-репрессоры)

• Гены тРНК (молекулы тРНК)

• Гены ррНК (молекулы рРНК)

3. Информативная ёмкость генома от 2 до 4 тысяч генов.

Геном эукариот.

1. Суммарная длина молекулы ДНК человека – 187 см

2. Классы генов:

• Структурные

• Регуляторные

• Гены тРНК

• Гены рРНК

• Гистоновые гены (гистоновые белки)

Регуляторная, роль пространственная, организация ДНК в ядре.

3. Информативная ёмкость – около 30 тысяч генов

4. Избыточность ДНК в геноме – наличие дуплицирующихся генов.

Дуплицирующиеся гены эукариот.

• Уникальные – до 10 копий на геном (структурные гены)

• Умеренно повторяющиеся – 10²-10⁵ на геном (регул., гист., тРНК, рРНК)

• Многократно повторяющиеся – более 10⁵ на геном.

1. Обращенные повторы ((перевертыши, канендромы) вид крестов, выполняют регулирующую роль транскрипции и трансляции).

2. Тандемные повторы (короткие нуклеотиды, последовательно идущие рядом друг с другом, регуляторная роль).

3. Диспиргированные повторы (транспазоны (прыгающие гены), короткие, длинные; регуляция генной активности).

4. Псевдогены (молчащие гены; до 20 тысяч генов в геноме; гены обоняния).

Экспрессия генов у про- и эукариот. (работа генов)

Экспрессия генетической информации в клетке обуславливает все процессы её жизнедеятельности, экспрессируется не вся генетическая информация, а только её часть.

У прокариот экспрессия генов включает 2 этапа: транскрипцию и трансляцию. Эти процессы сопряжены во времени и пространстве. (в цитоплазме)

У эукариот экспрессия генетической информации проходит в три этапа:

1. транскрипция (образуется первичный транскрипт, преинформационная РНК или пре-и-РНК),

2. процессинг (созревание первичного транскрипта и образование зрелой и-РНК),

3. трансляция (синтез белков);

1 и 2 этап – в ядре, 3 – в цитоплазме.

Процессинг (созревание)

• Пре-и-РНК содержит участки, комплементарные экзонам и антронам.

• Зрелая иРНК содержит участки, принадлежащие только экзонам.

Процессинг у эукариот осуществляется специальными ферментами экзо- и эндонуклеазами.

Этапы процессинга:

1. Фермент рестриктаза расщепляет пре-и-РНК на фрагменты. Точность разрезания цепочки пре-и-РНК осуществляется двумя механизмами.

А. в начале и в конце каждого интрона стоят нуклеотидные последовательности: в начале ГУ, в конце АГ;

За узнавание этих участков отвечают малые я дерные РНК, то есть 2 молекулы связываются в начале и конце

С нарушением механизма сплачинга (сшивания, вырезания) связано заболевание бета-талассимия.

В. Интроны удаляются, экзоны сшиваются ферментами

2. Образование Кэп – структуры в области 5’ конца матрицы (колпачок; рибосома узнает место на матрице в обл. кодона).

3. Образование Poly-H фрагмента (хвост) в области 3’-конца (регулирует число циклов трансляции)

4. Роли модификации концов иРНК образование информосомы и выход зрелой иРНК из ядра через поры.

Важным эволюционным приобретением в организации генома человека и большинства эукариот явилась возможность альтернативного сплансинга.

Зрелая иРНК содержит только кодирующие участки генов. На базе 1го гена может синтезироваться несколько белков. 1 ген может кодировать 3 белка.

Регуляция генов активности: общую теорию регуляции работы генов разрабатывают французские ученые Жакоб и Моно.

Сущность теории сводится к выключениям или включениям генов, как функциональных единиц генома и возможности или невозможности проявления их способности передавать генетическую информацию о структуре белка.

Регуляция у прокариот.

Гены, контролирующие синтез белков-ферментов, катализирующих ход последовательных биохимических реакций первой метаболической цепи объединяются в структурно-функциональную единицу траскрипции: оперон. В состав оперона входят промотер (участок ДНК, к которому присоединяется фермент ДНК – полимераза, осуществляющий транскрипцию), оператор (участок ДНК, к которому присоединяется белок-репрессор), структурные гены.

Лактозный оперон кишечной палочки.

Принцип регуляции активности оперона.

Индуцибельные опероны (регуляция происходит по типу индукции по прямой связи; катализируют. Регулятором выступает исходный продукт – субстрат.

Репрессибельные опероны (регуляция по типу репрессии посредством отрицательной обратной связи и метаболит. тормозит. реакции, ведущей к его образованию. Регулируют процессы синтеза (анаболизма), поступающих в клетку веществ).

1. При отсутствии в клетке лактозы белок репрессор связывается с оператором блокируя работу структурных генов.

2. При поступлении в клетку лактозы белок репрессор связывается с ней и уже не может блокировать оператор. РНК-полимераза свободно проходит по матрице и считывает информацию со структурных генов.

Регуляция генной активности у эукариот.

Регуляция экспрессии генов у эукариот проходит на всех этапах реализации генной информации. На процессы включения и выключения генов влияют различные хромосомные перестройки, мобильные генетические элементы, изменяющие эффект положения гена.

1. На уровне транскрипции в основе регуляции на этапе положено взаимодействующее определение участков ДНК с белками (транскрипционными факторами), единицей транскрипции является транскриптон. Основная направленность регул. Тканеспецифическая регуляция связана с наличием регуляторных белков, контролирующих работу структурных генов.

• Наличие на матрице ДНК боксов: ТАТА, ГЦ, ЦААТ. (для того, чтобы РНК-полимераза присоединилась к промотеру необходимо связь с боксами определенных белков)

• Наличие энхансеров (усиливают) и сайленсеров (замедляют)

• Белки-гормоны (гормоны выполняют роль индукторов)

• Белки-гистоны

2. Регуляция на уровне процессинга (малые ядерные РНК)

3. На уровне траспортировки и стабильности и-РНК

4. На уровне трансляции включаются механизмы отбраковывания поврежденных иРНК

• Дифференциальная активность А – А – тРНК – синтетаз.

• Гормональная регуляция

5. На уровне посттрансляционной модификации белка (фолдинг!)

№4.

Генетический аппарат клеток эукариот.

Генетический аппарат клетки.

• геном – генетический материал ядра в гаплоидном наборе хромосом;

Функциональная единица – ген.

• Плазмон – генетический материал цитоплазмы;

Функциональная единица – плазмоген.

1962 год – Д. Гердон – лягушки, опыт, стоял у истоков клонирования животных.

Роль хромосом в наследственности:

• 1882 – Флемин описал поведение хромосом во время митоза;

• 1902 – Теодор Бовери, Вальтер Сеттон предположили, что гены находятся в хромосомах;

• 1909 – Томас Морган, Карл Бриджес, Альфред Стертевант экспериментально доказали связь наследственного материала с хромосомами.

Хромосомная теория наследственности.

1. Каждая хромосома представляет уникальную группу сцепления генов. Число групп сцепления равно гаплоидному набору хромосом.

2. Гены в хромосоме располагаются в линейном порядке и занимают определенное место – локус.

3. М-ду гомологичными хромосомами возможен обмен аллельными генами – кроссинговер, который нарушает сцепление генов и обеспечивает перекомбинацию генов

4. Частота кроссинговера является функцией расстояния между генами:

чем больше расстояние между генами, тем больше вероятность кроссинговера.

5. Частота кроссинговера зависит от силы сцепления м-ду генами:

чем сильнее сцеплены гены, тем меньше вероятность кроссинговера (полное и неполное сцепление).

Карл Эрих Корренс (1908) – опыты с «ночной красавицей», у которой описано явление пестролистности. Неравномерность окраски листьев объясняется неравномерным распределением хлоропластов во время деления.

Борис Эфрусси открыл метохондриальную наследственность у млекопитающих в 1949.

В 1981 была секвенирована митахондриальная ДНК человека (определена точная нуклеотидная последовательность)

ДНК митохондрий.

• Кольцевая двуспиральная;

• Содержит 37 генов:

кодируют 13 белков, 22 молекулы т-РНК, 2 молекулы р-РНК;

• Гены не содержат интронов;

• Признаки наследуются по материнской линии и не являются менделирующими.

Объем митохондриального генома в 200 тысяч раз меньше ядерного.

• Реплицируется независимо от ядерной ДНК.

• Постоянство присутствия в клетке,

• способность к самоудвоению,

• равномерное распределение генетической информации м-ду дочерними клетками во время деления.

Химический состав хромосом.

• ДНК

• Гистоновые белки – Н1, Н2а, Н2в, Н3, Н4 обладают основными свойствами

• Негистоновые белки обладают кислыми свойствами

• Рнк

• Липиды (фосфолипиды, свободные жк, хс и тг)

• Полисахариды

• Ионы металлов

Деспирализованная форма существования хромосом в неделящемся ядре называется хроматина.

Дезоксирибонуклепротеиновый комплекс (ДНП).

Степень компактизации хроматина изменяется в течении метотического цикла клетки и определяет генетическую активность или неактивность хромосом.

Чем выше степень компактизации, тем меньше генетическая активность.

Уровни компактизации:

1. Нуклеосомный:

Может быть получен только искусственным путем.

Хроматиновая фибрилла выглядит в виде ниточки бус.

Гистоновые белки 4х классов (H2a, H2b, H3 и Н4) образуют гистоновые актамеры.

На гистоновые актамеры накручивается молекула ДНК, делая 1,75 оборота.

Есть свободный линкерный участок.

В таком состоянии молекула ДНК укорачивается в 6-7 раз.

Диаметр фибриллы 10 нм.

Характерен для G1 периода интерфазы.

2. Нуклеомерный.

Хроматиновая фибрилла приобретает структуру соленоида за счет соединения соседних нуклеусов за счет встраивания белка Н1 в линкерную область.

Диаметр фибриллы 30 нм.

Коэффициент компактизации – 40 раз.

Характерен для G2 периода интерфазы.

3. Хромомерный.

Компактизация происходит при участии негистоновых белков с образованием петель. Характерен для начала профазы митоза.

Диаметр фибриллы 300 нм.

Коэффициент компактизации 200-400 раз.

4. Хромонемный.

Петли укладываются в стопки.

Коэффициент компактизации – 1000 раз.

Диаметр фибриллы 700 нм.

Характерен для конца профазы митоза.

5. Хромосомный.

Достигается максимальная степень спирализации хроматина.

диаметр фибриллы 1400 нм.

Коэффициент компактизации 10⁴-10⁵.

Характерен для метафазы митоза.