1. Молекулярная биология и медицинская генетика. Определение. Предмет и задачи

Молекулярная биология - это наука о познании природы, о явлении жизнедеятельности, путем изучения биообъектов на молекулярном уровне.

Отличительной чертой МБ является изучение явлений жизни на неживых или примитивных организмах, изучает клеточные мембраны, вирусы, бактериофаги, структуру и функции биополимеров (белки, жиры, нуклеиновые кислоты). Молекулярной биологии около 50 лет, основана на границе биохимии, биофизики и физиологии. МБ основана в 1953 году в апреле, когда Крик и Уотсон написали статью в журнале «Nature» с предложением пространственной молекулы ДНК. Основанием построения для этой модели, послужили работы по рентгеноструктурному анализу, в которых участвовали Уилкинсон и Франклин.

Медицинская генетика - изучает роль наследственности и возникновения заболеваний.

Наследственные болезни- болезни, причиной которых являются вредные мутации в наследственном аппартае клеток (в гаметах и зиготе).

2. История развития молекулярной биологии. Основные достижения.

Впервые термин «МБ» ввел У. Астбери, который выяснил зависимость между молекулярной структурой и свойствами волокнистых белков. Далее ученые применили его в 1945 году, но как наука начала развиваться в 1953 году с момента открытия модели молекулы ДНК Уотсоном и Криком в клетках живых организмов.

Основные этапы развития молекулярной биологии

 

1.        Первый период 1935-1944 гг.

Макс Дельбрюк и Сальвадор Лурия занимались изучением бактерий и вирусов

В 1940 г. Джордж Бидл и Эдуард Татум сформулировали гипотезу - "Один ген -один фермент". Но что такое ген в физико-химическом плане тогда еще не знали. Здесь происходит стык физики, химии и биологии.

2.        Второй период 1944-1953гг.

Была доказана генетическая роль ДНК. В 1953 г. появилась модель двойной спирали ДНК, за которую ее создатели Джеймс Уотсон, Френсис Крик и Морис Уилкинс были удостоены Нобелевской премии.

3. Догматический период 1953-1962 гг.

Сформулирована центральная догма молекулярной биологии:

Перенос генетической информации идет в направлении ДНК → РНК → белок.

В 1962 г. был расшифрован генетический код.

4.          Академический период с 1962 г. по настоящее время, в котором с 1974 года выделяют генно-инженерный субпериод.

 Ocновныe открытия

 

1944 г. Доказательство генетической роли ДНК. Освальд Эйвери, Колин Мак-Леод, Маклин Мак-Карти.

1953 г. Установление структуры ДНК. Джеймс Уотсон, Френсис Крик.

1961 г. Открытие генетической регуляции синтеза ферментов. Андре Львов, Франсуа Жакоб, Жак Моно.

1962 г. Расшифровка генетического кода. Маршалл Нирнберг, Генрих Маттеи, Северо Очоа.

1967 г. Синтез invitro биологически активной ДНК. Артур Корнберг (неформальный лидер молекулярной биологии).

1970 г. Химический синтез гена. Гобинд Корана.

1970 г. Открытие фермента обратной транскриптазы и явления обратной транскрипции. Говард Темин, ДэвидБалтимор, Ренато Дульбеко.

1978 г. Открытие сплайсинга. Филипп Шарп.

1982 г. Открытие автосплайсинга. ТомасЧек.

3. Микроскоп и его строение. Микроскопирование

Основные части микроскопа:

1. Механическая: штатив, предметный столик, тубус, револьвер и микро и макро винты

2. Оптическая: окуляр, объективы

3. Осветительная: зеркало, конденсатор(для распределения света), диафрагма

Микроскопирование - изучение органоидов клетки, движение цитоплазмы

Техника микроскопирования:

1. Установить микроскоп в рабочее положение

2. Глядя в микроскоп, добиться яркого поля зрения с помощью зеркала

3. Положить препарат на предметный столик, совмещая объектив с отверстием в центре столика

4. Опустить с помощью макровинта тубус на расстоянии несколько миллиметров от препарата

5. Глядя в микроскоп приподнимать до появления четкого изображения объекта

6. Центрировать объект, перевести микроскоп на большое увеличение, путем замены объектива , добиться четкого изображения

7. Зарисовать изучаемый объект

4. Клетка - элементарная единица живого

Цитология- наука о клетке.

Клетка-единица живого, благодаря заложенным в клетке организмам, в ней происходит обмен веществ, использование биологической информации, проявление свойств наследственности и изменчивости.

5. Клеточная теория. Типы клеточной организации

1839г-Шванн сформулировал клеточную теорию, в последствии была дополнена Шлейдоном, Вирховым, и современными учеными

Положение:

1. Жизнь в ее структурном, функциональном генетическом отношении обеспечивается только клеткой. Клетка- первоисточник жизни

2. Клетка возникает только в результате деления предыдущей материнской клетки. Клетки хранят биологическую информацию, передают из поколения в поколения, хранят и переносят

Энергию. Превращают энергию в работу, регулируют обмен веществ.

3. Структурно-функциональная единица организма - клетка

Типы клеточной организации:

1. Прокариоты – безъядерные (бактерии, сине-зеленые водоросли)

2. Эукариоты - есть ядро ( грибы, растения и животные)

Строение клетки

6. Молекулярная структура и основные компоненты клетки

1. Клеточная стенка - твердая оболочка, состоящая из полисахаридов, целлюлозы. Защитная функция.

2. Вакуоль-полость в цитоплазме, окруженная отдельным слоем мембраны и заполненная клеточным соком. Запас витаминов, минеральных органических веществ

3. Цитоплазматические мостики - плазмодесмы - участки оболочки клетки, лишенные клеточной стенки, служат для контакта с соседними клетками, тем самым обеспечивая обмен веществ между ними

4. Пластиды - окраска, фотосинтез, запас питательных веществ

5. Цитоплазма-среда для органоидов клетки, коллоидный раствор белков, жиров и нуклеиновых кислот. Движение органоидов клетки

6. Ядро - имеет ядерную оболочку и поры, через которые происходит обмен веществ. Хранит в себе наследственную информацию. Функция: деление клетки

7. Митохондрии - двумембранные органеллы - имеет на внутренней мембране кристы. Функция: дыхание, энергетический центр.

8. ЭПС – гладкая - синтез белков, шероховатая (гранулярная) - жиры и углеводы,

9. Лизосомы – функция – автолиз

10. Аппарат Гольджи - образование лизосом, клеточный органоид; система канальцев, пузырьков и «цистерн», отграниченных мембранами.

Расположена в цитоплазме клетки. Участвует в обменных процессах, обеспечивая транспорт веществ из окружающей среды в цитоплазму и между отдельными внутриклеточными структурами.

11. Реснички – тонкие нитевидные и щетинковидные выросты клеток, способные совершать движения. Характерны для инфузорий, ресничных червей, у позвоночных и человека — для эпителиальных клеток дыхательных путей, яйцеводов, матки.

12. Жгутики – нитевидные подвижные цитоплазматические выросты клетки, свойственные многим бактериям, всем жгутиковым, зооспорам и сперматозоидам животных и растений. Служат для передвижения в жидкой среде.

13. Микротрубочки– белковые внутриклеточные структур, входящие в состав цитоскелета. Представляют собой полые внутри цилиндры диаметром 25 нм.  В клетках микротрубочки играют роль структурных компонентов и участвуют во многих клеточных процессах, включая митоз, цитокенез и везикулярный транспорт.

14. Микрофиламенты(МФ) – нити, состоящие из молекул белка и присутствующие в цитоплазме всех эукариотический клеток. Имеют диаметр около 6-8 нм.

15. Хромосомы – структурные элементы ядра клетки, содержащие ДНК, в которой заключена наследственная информация организма.

7. Белки

-по составу: простые (только из аминокислот), сложные( помимо аминокислот другие органические соединения

8. Особенности пространственной организации белков

Первичная структура белка - Представляет собой линейную цепь аминокислот, расположенных в определенной последовательности и соединенных между собой пептидными связями. 

Вторичная структура белка – Низший уровень пространственной организации белка. Фрагменты пространственной структуры биополимер, имеющие периодическое строение полимерного остова.

• α - спираль - остов пептидной цепи закручивается в спираль - так что радикалы аминокислот обращены кнаружи от спирали

• β – спираль - остовы пептидных цепей не скручены , а имеют зигзагообразную, складчатую конфигурацию

Структура определяется первичной структурой белка. Удерживается водородными связями

Третичная структура белка – образование белковой глобулы связи между радикалами аминокислот. Полная укладка в пространстве всей полипептидной цепи, включая укладку боковых радикалов. Дисульфидные, ионные, водородные, гидрофобные связи. Приобретение белком функции активности.

Подвижность структуры - важнейший способ изменения биологической активности.

Четвертичная структура белка- состоит из нескольких субъединиц, связывание субъединиц может происходить лишь после образования третичной структуры. Пример- гемоглобин, иммуноглобулин

Факторы, определяющие пространственную структуру белков

• Информация о третичной структуре заключается в его первичной структуре, то есть последовательность аминокислот пептидной цепи. Формирование третичной структуры белка происходит самостоятельно

Четвертичную структуру формируют:

• Лиганды- влияют на структуру белка, стабилизируют, меняют третичную структуру, объединяет глобулы, обеспечивают подвижность субъединиц белка

• Шапероны- обеспечивают правильный фолдинг новообразованных белков, контроль за рефолдингом, участие во внутриклеточном транспорте белков.

Есть лиганды, которые меняют 3-чную структуру.

9. Функции:

• строительная (каротин, коллаген), непосредственно участвуют в построении мембран и цитоскелета 

• транспортная (гемоглобин, АТФаза)

• двигательная ( актин и миозин),

• энергетическая,

• защитная (иммуноглобулин, интерферон),

• регуляторная (инсулин, гистон, репрессоры),

• рецепторная( родопсин, хелино - рецептор),

• каталитическая (рибонуклеаза, ДНК, РНК-полимераза)

• ферментативная. Все ферменты являются белками.

Свойства:

1. Разная растворимость в воде. Растворимые белки образуют коллоидные растворы. 2. Гидролиз - под действием растворов минеральных кислот или ферментов происходит разрушение первичной структуры белка и образование смеси аминокислот. 3. Денатурация-утрата белковой молекулы, структурной организации (от лат. Denature –лишиться природных свойств)

Денатурация происходит под действием: - высокой температуры - растворов кислот, щелочей и концентрированных растворов солей - растворов солей тяжёлых металлов - некоторых органических веществ (формальдегида, фенола) - радиоактивного излучения

- обезвоживание

- изменение PH- среды

Ренатурация - восстановление структуры белка, пока не произошло разрушение первичной структуры молекулы и не восстановились нормальные условия среды.

Этапы формирования:

Транскрипция-переписывание информации с ДНК, о структуре белка, на и-РНК.

Трансляция- образование первичной структуры белка, синтез полипептида( цитоплазма рибосомы)

Фолдинг – сворачивание пептидной цепи в пространственную структуру

Модификация - присоединение углеводных компонентов, окисление определенных аминокислотных остатков (для сложных белков)

10. Строение ДНК

ДНК - химическая основа генов, в которых сконцентрирована наследственная информация организма.

В основе хим. строения нуклеиновых кислот лежит общий принцип:

Нуклеиновые кислоты –материальный субстрат наследственности и изменчивости, информационные биополимеры, кодирующие индивидуальный набор генетической программы. Состоят из нуклеотидов (нуклеотид ДНК, нуклеотид РНК)- биополимеры, мономерами, которого являются нуклеотиды (открыл в 1868 г.- Мишер) Нуклеотид состоит из: 1) азотистое основание; 2)сахар; 3)остаток фосфорной кислоты.

11. Особенность структурной организации ДНК:

Молекула ДНК имеет: А) первичную структуру- одна полинуклеотидная цепь, у которой имеется 2 конца. Начало 5' и конец 3'. Полинуклеотид образуется благодаря фосфорной диэфирной связи Б) вторичная структура:  2 комплиментарные и антипараллельные полинуклеотидной цепи, соединенные между собой водородными связями; В) третичная структура ДНК : Трехмерная спираль молекулы ДНК, которая состоит из 2х цепей закрученных вокруг собственной оси.

Диаметр спирали 2 нм Длина шага 3,4 нм В каждый виток входит 10 пар нуклеотидов

12. Свойства и функции ДНКа

Молекулы включают 2 полинуклеотидной цепи, связанные между собой определенным образом. Аденин – Тимин - двойная водородная связь Гуанин – Цитозин - тройная водородная связь

А,Г- пуриновые – одно бензольное кольцо

Т,Ц - перемединовые - два бензольных кольца. Очень важно!

• Объединение 2х полинуклеотидных цепей в молекуле ДНК: антипараллельность полинуклеотидных цепей. 5' конец одной цепи соединен с 3' концом другой

• Состав нуклеотидов в ДНК подчиняется правилам Чаргаффа- комплиментарность цепей двойной спирали

• Существует в двух формах: право-закрученной спирали B-форма, левозакрученная спираль-Z-форма, в основном природная ДНК- B-форма

• Лабильность-допускание конфармационных превращений (из B-формы в Z-форму при определенных условиях)

Свойства ДНК:

• Репликация(самоудвоение)- проходит полуконсервативным методом.

• Репарация (восстановление)

Функция: хранение и передача наследственной информации

13. Особенности строения митохондриальной ДНКа

Наследственная информация в эукариотической клетке находится в основном в ядре 99,5 %, это называется ядерная генетическая информация. Другая часть ДНКа 0,5 % находится в цитоплазме, в митохондриях.

Благодаря митохондриям ДНКа синтезируются митохондриальные белки, они могут быть источником наследственных заболеваний при мутациях митохондриального ДНКа.

Митохондриальная ДНК не связана с белками («голая»), прикреплена к внутренней мембране митохондрии и несет информацию о строении примерно 30 белков. Для построения митохондрии требуется гораздо больше белков, поэтому информация о большинстве митохондриальных белков содержится в ядерной ДНК, и эти белки синтезируются в цитоплазме клетки. Митохондрии способны автономно размножаться путем деления надвое с помощью ДНКа. Между наружной и внутренней мембранами находится протонный резервуар, где происходит накопление Н+

14. Основные пути передачи наследственной информации.

Наследственная информация – хранится в молекулах ДНК.

Наследственная информация- это инструкция для нормального развития и функции клетки. Роль посредника передачи наследственной информации выполняет РНК, благодаря РНК наследственная информация выводится из ядра в цитоплазму и реализуется в виде конкретного белка.

15. Репликация ДНК. Этапы репликации

Репликация - проходит полуконсервативным путем. Для репликации цепи материнской ДНК должно произойти отделение цепей друг от друга, каждая отделившаяся цепь становится матричной (матрицей), на которых будут синтезироваться комплиментарные цепи дочерних молекул ДНК.

После каждого деления материнской клетки и репликации ее ДНК, дочерние клетки содержат молекулу ДНК, состоящую из материнской цепи и вновь синтезированной дочерней цепи.

Для того чтобы осуществилась репликация имеются на молекулах ДНК так называемые участки ори (ori-origin), они включают последовательность, состоящих из 300 нуклеотидных пар, узнаваемых специфическими белками.

Двойная спираль ДНК в этих участках разделяется на 2 цепи, образуются 2 репликационные вилки, которые движутся в противоположных направлениях от участка ori, между репликационными вилками образуется структура – называемая репликационным глазком.

С помощью фермента геликазы разрываются водородные связи и двойная спираль ДНК расплетается в точках начала репликации-точки ori.

Образующиеся при этом одинарные цепи ДНК связываются специальными дестабилизирующими белками, которые растягивают остовы цепей ДНК, делая их доступными для связывания с комплиментарными нуклеотидами.

На каждой из цепей в области репликационной вилки при участии фермента ДНК-полимераза осуществляет синтез комплиментарных цепей.

Разделение, спирально-закрученных цепей, родительской ДНК при помощи фермента геликазы вызывает появление супервитков. Но благодаря ферментам ДНК-топоизомеразы, которые перерезают одну из нитей ДНК и ослабляют напряжение, накопившееся в двойной цепи ДНК.

Еще в синтезе в процессе репликации используется ДНК-лигаза в сшивании отдельных участков ДНК в одну цепь. На одной молекуле ДНК может находиться одновременно несколько точек ori – ускорение процесса синтеза.

В каждом репликационном глазке начинают работать 2 ферментативных комплекса:

1. Комплекс перемещается в одну сторону

2. В противоположную

Ферментативный комплекс функционирует так, что одна из 2-х синтезируемых ими цепей растет с некоторым опережением – лидирующая

А вторая отстает – запаздывающая

Фермент ДНК полимераза осуществляет синтез полинуклеотида от 5” к 3” концу. Постепенно происходит удлинение цепи, такая цепь называется лидирующая. На другой цепи синтез 2-й цепи ДНК осуществляется короткими фрагментами, их называют фрагменты оказаки. В направлении от 5” к 3” по типу шитья назад иголкой. Фрагменты оказаки содержат от 1000 до 2000 нуклеотидов у прокариот, у эукариот от 100 до 200.

Синтезу такого фрагмента предшествует образование РНК затравки, длиной около 10 нуклеотидов.

С помощью фермента ДНК-лигазы, образуется фрагмент, соединенный с предшествующим фрагментом, после удаления РНК-затравки.

Этапы репликации:

1. Подготовка

2. Нарастание цепи с помощью ДНК и РНК-полимеразы

3. Сшивание отдельных участков-ДНК-лигаза

Этапы репликации: