Методичка - биология в рисунках и схемах

Ярко выраженные наследственные синдромы, обусловленные мутациями генов, ответственных за митохондриальные белки (синдром Барта, синдром Кернса-Сейра, синдром Пирсона, синдром MELAS, синдром

MERRF и другие).

«Вторичные митохондриальные заболевания», включающие нарушение клеточного энергообмена как важное звено формирования патогенеза (болезни соединительной ткани, синдром хронической усталости, гликогеноз, кардиомиопатия, мигрень, печеночная недостаточность, панцитопения, а также гипопаратиреоз, диабет, рахит и другие).

Митохондрии содержат собственную ДНК, причем в каждой митохондрии человека обычно содержится от

5 до 10 копий кольцевой молекулы ДНК, и все они наследуются от матери.

Когда митохондрия делится, копии ДНК случайным образом распределяются между ее потомками, а затем происходит удвоение ДНК.

Если только одна из исходных молекул ДНК содержит мутацию, в результате случайного распределения такие мутантные молекулы могут накопиться в некоторых митохондриях.

Митохондриальная болезнь начинает проявляться в тот момент, когда заметное число митохондрий во многих клетках данной ткани приобретают мутантные копии ДНК (пороговая экспрессия).

Мутации в митохондриальной ДНК происходят по разным причинам намного чаще, чем в ядерной.

Это означает, что митохондриальные болезни достаточно часто проявляются из-за спонтанных вновь возникающих мутаций.

Иногда темп мутирования увеличивается из-за мутаций в ядерных генах, кодирующих ферменты, которые контролируют репликацию ДНК митохондрий.

52.(24) Организация генома человека

Ядро - 95%ДНК. Общая протяжённость ДНК ядра 1,5-2 м, разделена на 23 фрагмента. Митохондрии – 5% ДНК. Около 1000 МТХ в одной клетке, МТХ ДНК не содержит интронов.

Физический размер генома человека 3*10^9 нуклеотидных пар.

Только 3-5% ДНК кодируют белки, 95-97% ДНК «отдыхает» («мусорная» или «эгоистическая» ДНК).

Кариограмма человека.

Хромосома состоит из хроматид, сцепленных перетяжкой, деля её на 4 плеча.

Y-хромосома содержит 78 генов (из них 60 контролируют сперматогенез, остальные определяют др. ф- ции).

В Х-хромосоме 2 тыс. генов.

Y-хромосома в процессе эволюции получилась случайно. Вероятно, в результате мутации Х-хромосома утратила большую часть генов и приобрела новые гены («перестановка блоков генов»).

Со сменой поколений гены подвергаются мутациям, и в генотип закрадываются ошибки.

Y-хромосома накопила больше вредных мутаций. В Y-хромосоме обнаружены блоки генов-палидромы.

53.(18) Организация генома эукариот. Проиллюстрируйте ответ

По химической организации материала наследственности

и изменчивости эукариоты и прокариоты принципиально не отличаются друг от друга.

Генетический материал у них представлен ДНК.

Общим для них является и принцип записи генетической информации, а также генетический код.

Одни и те же аминокислоты шифруются у про- и эукариот

одинаковыми кодонами.

Принципиально одинаковым образом у названных типов клеток осуществляется и использование наследственной информации, хранящейся в ДНК.

1.Сначала она транскрибируется в нуклеотидную последовательность молекулы мРНК

2.Затем транслируется в ак последовательность пептида на рибосомах с участием тРНК.

Особенности:

гены прерывистые (информативные участки-экзоны и неинформативные участки-интроны);

экспрессию генов обеспечивает три вида рнк-полимераза 1,2,3.

регуляторные участки обычно расположены левее сайта инициации.

Два вида:

промоторный (для связи с рнк-полимеразой 100 н.п левее сайта инициации могут быть за сотни и даже тысячи н.п левее сайта инициации);

энхансеры (от 100 до 20 000 н.п левее стимулир. Транскр-цию при связ).

принцип построения генома эукариот

три уровня:-генный, хромосомный, геномный.

регуляция экспрессии генов происходит на всех этапах экспрессии генов.

Механизмы регуляции многообразны и невероятно сложны.

54.Организация генома эукариот. Расшифруйте схему

На схеме мы видим синтез м-РНК на матрице ДНК, который сопровождается 2-мя процессами: транскрипцией (синтез пре-РНК) и процессингом (создание зрелой м-РНК)

1 - Кэп

2 - Связывание с малой субъединицей рибосомы

3 - процесс трансляции 4 - сайт терминации трансляции (в этом же участке находится трейлер - отсоединение рибосомы от и-

РНК)

5 - Поли-А конец

Строение ГЕНОМА

Энхансеры - участок ДНК, который, после связывания с ним факторов транскрипции стимулирует транскрипцию с основных промоторов гена или группы генов.

Промотор - последовательность нуклеотидов, которая узнается РНК-полимеразой, является началом транскрипции.

Экзон - часть гена, который кодирует часть окончательной зрелой РНК, полученной с помощью этого гена после того, как интроны были удалены путем сплайсинга РНК

Интрон - участки ДНК, копии которых удаляются из пре-РНК и отсутствуют в зрелой РНК. Терминатор - нуклеотидная последовательность ДНК, на которой завершается транскрипция гена

Этап транскрипции

Матрица – одна из цепей ДНК (3’ 5’)

Рибонуклеотиды: УТФ, ГТФ, ЦТФ, АТФ (субстрат для синтеза, источник энергии),

Ферменты РНК-полимеразы и белковые факторы транскрипции

Этапы:

•Инициация («узнавание», присоединение РНК - полимеразы и факторов транскрипции к ДНК)

•Элонгация (рост цепи РНК)

•Терминация (окончание синтеза молекулы РНК)

В результате:

Синтезируется пре-РНК, которая претерпевает дальнейшие посттранскрипционные изменения в ядре

(процессинг)

Процессинг:

Значение кэпирования:

участие в сплайсинге;

участие в процессинге 3'-конца мРНК;

экспорт мРНК из ядра;

защита 5'-конца РНК от экзонуклеаз;

участие в инициации трансляции.

Полиаденилирование:

поли(А) - полимераза присоединяет 3'-концу РНК 100 - 200 адениловых нуклеотидов – защита от ферментов цитоплазмы

Сплайсинг:

удаление интронов и сшивание экзонов с помощью ферментных комплексов - сплайсосом

55. (63) Основные положения хромосомной теории наследственности. Принципы составления карт хромосом

Объект исследования: плодовая мушка дрозофиле Исследователи во главе с Т.Морганом доказали:

если гены локализованы в одной хромосоме, то признаки, определяемые этими генами, наследуются сцеплено.

Основные положения хромосомной теории наследственности:

1.Гены находятся в хромосомах.

Каждая хромосома-группа сцепления генов.

Число групп сцепления у каждого вида равно гаплоидному числу хромосом.

2.Каждый ген в хромосоме занимает определенное место (локус).

В одинаковых локусах гомологичных хромосом находятся аллельные гены. Гены в хромосомах расположены линейно.

3.Между гомологичными хромосомами может происходить обмен аллельными генами.

4.Расстояние между генами в хромосоме пропорционально проценту кроссинговера между ними.

5.Закон Т.Моргана: “гены, расположенные в одной хромосоме, наследуются совместно (сцеплено), но сцепление генов не абсолютно и может нарушаться при кроссинговере”.

Расстояние между генами в хромосоме решено было измерять в процентах особей, у которых произошел кроссинговер от общего числа исследованных особей.

1% кроссинговера при анализирующем скрещивании принят за единицу расстояния между генами - одну

морганиду.

Генетические карты хромосом — это схема взаимного расположения и относительных расстояний между генами определенных хромосом, находящихся в одной группе сцепления, позволяющие предсказывать характер наследования изучаемых признаков организмов.

составляют для каждой пары гомологичных хромосом.

Группы сцепления нумеруют последовательно, по мере их обнаружения.

Кроме номера группы сцепления, указывают полные или сокращенные названия мутантных генов, их расстояния в морганидах от одного из концов хромосомы, принятого за нулевую точку, а также место центромеры.

У человека из ожидаемых 23 групп сцепления (23 пары хромосом) идентифицировано только 10, причём в каждой группе известно небольшое число генов;

наиболее подробные карты составлены для половых хромосом.

Используются в медицине при диагностике ряда тяжелых наследственных заболеваний человека.

56. (23) Основные этапы программы «Геном человека». Значимость проекта для современной медицины. Важнейшие геномные проекты XX и XXI веков

Проект по расшифровке генома человека (англ. The Human Genome Project, HGP) — международный научно-исследовательский проект.

Цель: определить последовательность нуклеотидов, которые составляют ДНК и идентифицировать 20–25 тыс. генов в человеческом геноме.

Стартовал: в 1990 году, под руководством Джеймса Уотсона.

Завершение расшифровки генома ч-ка: В 2003 (50 л. С открытия двойной спирали ДНК).

Частная компания «Celera Genomics» запустили аналогичный параллельный проект, завершенный несколько ранее международного.

Основной объём секвенирования (определение нуклеотидной или аминокислотной последовательности)

был выполнен в университетах и исследовательских центрах США, Канады и Великобритании.

Цель проекта по расшифровке генома человека является: понимание строения генома человеческого вида.

Проект также фокусировался и на нескольких других организмах, среди которых бактерии (Escherichia coli),

насекомые (мушка дрозофила), и млекопитающие (мышь).

Геном любого отдельно взятого организма (исключая однояйцевых близнецов и клонированных животных) уникален, поэтому определение последовательности человеческого генома в принципе должно включать в себя и секвенирование многочисленных вариаций каждого гена.

Однако, в задачи проекта «Геном человека» НЕ входило определение последовательности всей ДНК, находящейся в человеческих клетках; а у некоторых гетерохроматиновых областей (в общей сложности около 8 %) до сих пор не определены нуклеотидная/амк-тная последовательности.

57.(17) Особенности генома прокариот. Проиллюстрируйте ответ

Ген – экспрессируемая единица генома, включающая единицу транскрипции и регуляторные участки

Гены прокариот непрерывны

В процессе транскрипции участвует только один фермент РНКполимераза

У прокариот 3 вида регуляторных участков ДНК:

промоторный для связи с РНКполимеразой, 1035 н.п. левее сайта инициации терминаторный отвечает за завершение транскрипции и высвобождение транскрипта

операторный сцеплен с промотором (или перекрывается с ним)

Принцип построения генома единый для всех прокариот

Регуляция экспрессии генов происходит на этапе начала транскрипции, но может быть и на других этапах экспрессии генов

59. (9) Особенности образования информационной РНК в клетках эу- и прокариот. Ответ проиллюстрируйте схемой

1.У прокариот новосинтезированные мол-лы иРНК на 5' конце имеется неинформативный участок

2.За ним следует инициирующий ко-

дон АУГ (обозначающий начало трансляции).

3.Далее находится информативный участок, на котором записана информация о структуре белка.

4.За ним следует стоп-кодон (УАА//УАГ//УГА), определ конец трансляции.

5.На 3' конце находится концевая неинформативная последовательность.

1. У эукариот новосинтезиров иРНК претерпевает посттранскрипционные измен-я - процессинг.

2. К 5' концу пре-иРНК присоединяется КЭП - ме-

тилированный гуанозинтрифосфат. (в ядре)

3. К 3' концу присоедин фрагмент, состоящий из 100-300 адениловых нуклеотидов – поли-А после-

доват-ть. (в ядре)

Кэпирование (присоед-е кэп) и полиаденилиро-

вание (присоед-е поли-А последоват-ти) происхо-

дит в ядре в момент оконч-я синтеза иРНК.

4. В рез-те образ-ся пре-иРНК, которая имеет следующее строение:

1) на 5' конце наход кэп

2) за ним неинформативная последоват-ть

3) инициирующий кодон АУГ 4) далее – отрезок, где информативные уч-ки – эк-

зоны – черед-ся с неинформативными – интронами.

5) Этот отрезок заканчивается стоп-кодоном, 6) за стоп-кодоном идет неинформативная последоват-ть и поли-А последоват-ть.

Уэукариот в ядре происходит сплайсинг – вырез-е интронов и сшивание экзонов.

60.(39) Периоды онтогенеза человека (пренатальное развитие). Понятие о критических

периодах

Выделяют пренатальный и постнатальный периоды.

1.Пренатальный период:

Внутриутробное развитие человека 265-270 дней.

-0 часов - яйцеклетка в 100 тыс. раз больше сперматозоида, они двигаются навстречу несколько мин.

-24 часа - акросомальная реакция (48 ч. – время жизни)

-30 часов - 2 бластомера

-40 часов - 4 бластомера

-65 часов – 8 бластомеров

-80 часов - морула16 клеток. Завершается дробление.

-5 сутки – бластула попадает в матку

-6 сутки - начало имплантации. Начало формирование плаценты.

3.Форма 2n - 2 — асомик (нуллисомик), так как отсутствует пара гомологичных хромосом.

Добавление и утрата одной хромосомы могут быть одновременно в двух и более парах:

1.2n+1 + 1 — двойной трисомик,

2.2n- 1 - 1 — двойной моносомик и т. д.

Гетероплоидные клетки могут появляться в результате нарушений мейоза или митоза.

Например, нерасхождение пары хромосом (АН) в мейозе приводит к образованию.

При участии таких гамет в оплодотворении появятся гетероплоидные формы 2п-А.

Добавление или утрата одной хромосомы вызывает значительные изменения фенотипа, благодаря которым можно установить влияние отдельных хромосом и генов, в них локализованных, на проявление определенных свойств и признаков организма.

Анеуплоиды встречаются как у растений и животных, так и у человека.

У человека также встречаются случаи гетероплоидии, которые вызывают хромосомные болезни.

Причина анеуплоидии:

нерасхождение хромосом одной или нескольких пар в анафазе I мейоза.

В норме гомологичные хромосомы должны направиться к разным полюсам клетки, но под воздействие негативных факторов они присоединяются к одному и тому же полюсу.

В итоге образуются гаметы (репродуктивные клетки), которые содержат на одну или несколько хромосом больше (меньше), чем должно быть.

При слиянии такой репродуктивной клетки с нормальной (гаплоидной) гаметой формируется зигота с аномальным (нечетным) количеством хромосом.

Как правило, если количество аутосом в зиготе меньше ординарного, то она погибает. При превышении их числа плод способен к развитию.

Беременность заканчивается спонтанным прерыванием либо рождением ребенка с выраженными аномалиями.

В зависимости от того, число каких хромосом нарушено, анеуплоидия делится на два типа:

1.по половым хромосомам

Пороки развития проявляются минимально.

В отношении X-хромосомы срабатывает механизм компенсации

При добавлении лишней Y-хромосомы баланс практически не нарушается, так как она несет немного генов.

2.по аутосомам.

65.(53) Проблемы старения организма. Факторы старения. Долгожители. Преждевре-

менное старение

Максимальную продолжительность жизни нельзя увеличить, т.к. это признак вида (90-100 лет)

Теоретически (библия) 500-600 лет.

По данным специалистов, последующее поколение - 125 – 126 лет Средняя продолжительность жизни в благополучных популяциях (США) более 79 лет Острова в Японии около 100 лет В СПб у ♂ около 56 лет.

Синдром преждевременного старения - прогерия (мутация 1 гена, синдром преждевременного старения

– прогерия)

Мутации редки за 200 лет описано 100 случаев (в 24 г. – как у 70-летней, симптомы появились в 6 лет. Старение в 10 раз быстрее, остановить пока невозможно).

Теории о механизме старения:

Свободно-радикальная теория (С возрастом увеличивается кол-во свободных радикалов с возрастом (атеросклероз, б-нь Альцгеймера),

снижается антирадикальная защита.

Своб радикалы вызывают:

окислит-е поврежд-е макромолекул, в том числе ДНК →Поврежденные ДНК могут играть роль в мутагенезе в старости.

Молодой орг-м защищён от токсического воздействия свободных радикалов многоуровневой системой

антиоксидантов:

Антиоксиданты первичной защиты (мочевая к-та, витамин Е) ослабевают реакцию образования свободных радикалов.

Антиоксиданты вторичной защиты улавливают, т.е. нейтрализуют уже образовавшиеся свободные радикалы.

Укорачивание теломер при делении клеток. Теломеразная теория

Всреднем кл-ки человека могут делиться 50-59 раз «лимит Хейфлика». Затем резко нарушаются процессы воспроизводства ДНК, кл-ки «дряхлеют» и погибают.

Теломеразные уч-ки хр-м представлены высококонсервативными множественными повторами.

У человека кол-во этих блоков нуклеотидов от 2 до 20000, при каждом делении кол-во этих блоков со-

кращается.

Есть предел, за границей которого дальнейшее укорочение теломерных участков нарушает их функцию. Это приводит к резкому старению и гибели клетки.

При каждом делении под действием фермента теломеразы происходит восстановл-е недосинтезированного участка.

Максим акт-ть теломеразы – в половых клетках в соматических – отсутствует.

Вопухолевых клетках вторично появляется теломеразная активность.

С одной стороны, увелич-е теломеразной активности замедлило бы старение, но, с другой, увеличило бы риск онкозаболеваний.

Ключевой механизм старения – сокращение теломеразных участков хромосом.

Холестериновая теория (накопление холестерина с возрастом) накопление холестерина в плазмолемме

–ее микровязкость

При обогащении мембран холестерином с помощью липосом понижается спос-ть к делению, т.е. «старит» клетку.

Воздействие на «состарившиеся клетки» липосомными препаратами, извлекающими холестерин из клеточной мембраны, приводило к омоложению этих клеток.

Теория Гормезиса (антистарения)

Маленькие дозы физического стресса могут оказать на организм защитное воздействие – БТШ (Белки Теплового Шока), шапероны (восстановление правильной нативной третичной или четвертичной структуры белка).

Виды стресса: голодание, темпер-ра, яды. Любой стресс полезен, если его доза не более 0,1 летальной дозы.

Теория постепенного накопления мутаций на протяжении жизни

Митохондрии в огромном количестве во всех клетках организма. В митохондрии отсутствуют ферменты репарации ДНК, поэтому в ней очень часто возникают самопроизвольные мутации.

66.(52) Развитие пола в онтогенезе. Роль половых хромосом. Нарушение развития пола

вонтогенезе человека

Формирование половых признаков осуществляется под генетическим контролем.

Генетический пол зародыша человека определяется набором половых хромосом при слиянии гамет: ХХ и ХY.

Зачатки гонад (органы животных, продуцирующие половые клетки) у ранних эмбрионов до 5-й или 6-й недели не различаются у разных полов и называются бисексуальными.

Они состоят из внешнего слоя - кортекса (cortex) и внутреннего слоя – медула (medulla).

Дифференцировка мужской гонады наблюдается на 7-й неделе.

На 36 день семенник начинает выделять андрогены (тестостерон), определяющий развитие мужского пола. Развитие женской гонады наблюдается на 8-й неделе.

Результатом этого является образование женских гормонов – эстрогенов.

Существует теория действия гормонов в качестве регуляторных факторов на гены.

Они действуют только на специфические клетки-мишени.

В клетке вырабатывается особый белок - рецептор, связывающийся с гормоном по заданному типу развития. После чего гормон приобретает свойства индуцировать работу одного или нескольких генов в хромосомах. Клетки-мишени женского организма воспринимают гормоны по женскому типу в большей степени, а клеткимишени мужского организма – мужской гормон.

Соответственно в норме формируется женский или мужской фенотип.

Таким образом существует следующая схема: (ЭТО ЗАПИСАТЬ (ТО ЧТО ВЫШЕ РАССКАЗЫВАТЬ))

1.В клетках мишенях вырабатывается белок-рецептор.

2.Белок-рецептор связывается с гормоном.

3.Инициируется работа нескольких генов в хромосомах.

Образование белков-рецепторов и гормонов контролируется в свою очередь генами. В случае мутаций возникает нарушение контроля, вызывающие аномалии.

Примером служит синдром Мориса - тестикулярной феминизации. У лиц с этим заболеванием отсут-

ствуют белки-рецепторы к тестостерону, и гормон не воспринимается.

В силу этого развитие по мужскому типу прекращается, и появляются женские фенотипические признаки. В