Biologia_Rukovodstvo_1

Компартметация клетки – разделение объема клетки на отдельные части, отличающиеся химическим составом и локализованными в них органоидами. Микротрубочки – немембранный органоид клетки в виде полого цилиндра, стенки которого образованы белком тубулином; входят в состав цитоскелета, центриолей, веретена деления, ресничек и жгутиков.

Опосредованный рецепторами эндоцитоз – способ поступления веществ внутрь клетки, в котором участвуют специфические рецепторы, расположенные в области эндоцитозных ямок. Таким способом в клетки поступают иммуноглобулины, факторы роста клеток, липопротеины низкой плотности, вирусы. Органоиды – постоянные структуры клетки, выполняющие специфические функции. Различают органоиды общего значения (имеются во всех клетках растений и животных) и специализированные органоиды, обеспечивающие особые функции клеток, например, движение или сокращение.

Пассивный транспорт – перенос через мембрану клетки веществ по градиенту концентрации без затрат энергии. Путем простой диффузии переносятся малые неполярные молекулы (О2 , СО 2, N 2, Н2); гидрофильные молекулы и ионы переносятся с помощью белков-переносчиков (облегченная диффузия).

Пиноцитоз – процесс поглощения клеткой жидкости и растворенных в ней веществ с формированием внутри клетки эндоцитозных пузырьков.

Полисома – несколько рибосом, присоединенных к одной информационной РНК; формируется для ускорения образования в клетке определенного белка. Рецептор – а) белковый компонент цитоплазматической мембраны клетки, способный взаимодействовать с определенным биологически активным веществом (гормоны, цитокины, факторы роста клеток, нейромедиаторы, антигены и др.); б) нервное окончание или специализированная клетка.

Фагоцитоз - процесс захватывания и поглощения клеткой крупных частиц (более 1 мкм): вирусов, бактерий, остатков разрушенных клеток или экзогенных инородных частиц с последующим их слиянием с лизосомами и формированием фаголизосом.

Филаменты – нитевидные структуры клетки, которые содержат сократительные белки (актин, миозин, тропомиозин и др.); входят в состав цитоскелета, а также участвуют в формировании сократительного кольца при делении клетки. Хроматин – интерфазная форма существования хромосом, по строению представляет собой нуклеопротеидный комплекс – ядерная ДНК, связанная с гистоновыми и негистоновыми белками.

Циклоз – внутриклеточное циклическое движение цитоплазмы.

Цитоплазма – структурный компонент клетки, заполняющий пространство между ядром и плазмолеммой. Состоит из гиалоплазмы, органоидов и клеточных включений.

Цитоскелет – объемная (трехмерная) цитоплазматическая сеть, состоящая из микротрубочек, филаментов и микротрабекул; участвует в поддержании формы клетки и компартментации ее объема, обеспечивает внутриклеточный транспорт органоидов и движение гиалоплазмы клетки.

11

Экзоцитоз – процесс, при котором внутриклеточные секреторные гранулы сливаются с плазмолеммой, затем их содержимое выводится из клетки. Эндоцитоз – транспорт веществ внутрь клетки. Основные механизмы эндоцитоза: пиноцитоз, фагоцитоз, опосредованный рецепторами эндоцитоз. Эухроматин – деспирализованные участки хроматиновой нити, которые содержат большое количество структурных генов и характеризуются активными процессами транскрипции.

Ядрышко - плотное образование сферической формы, обнаруживается в ядре неделящейся клетки и исчезает в профазу митоза; образуются на хромосомах, имеющих вторичную перетяжку. Ядрышковый организатор содержит гены, кодирующие рибосомную РНК.

* * * * *

Тема следующего занятия:

«Обмен веществ и энергии в живых организмах. Поток информации в клетке. Нуклеиновые кислоты. Хранение и реализация наследственной информации»

Вопросы для устного собеседования:

1.Клетка как открытая высокоупорядоченная система. Поток информации в эукариотической клетке. Принцип обратной связи.

2.Обмен веществ в живых организмах. Ассимиляция и диссимиляция. Классификация организмов по способу питания и пути получения энергии.

3.Химическая организация наследственного материала. Строение и функции нуклеиновых кислот. Генетический код.

4.Ген – функциональная единица наследственности. Структурная организация гена. Свойства и функции генов.

5.Репликация ДНК: принципы, ферменты. Репликон. Биологическое значение репликации ДНК.

6.Реализация наследственной информации. Этапы биосинтеза белка (транскрипция, посттранскрипционные процессы, трансляция, посттрансляционные процессы).

7.Регуляция активности генов у прокариот. Понятие об опероне. Основные принципы регуляции активности генов у эукариот.

Рекомендуемая литература:

1.Лекционный материал.

2.Биология. Под ред. В.Н.Ярыгина. В 2-х книгах. М., Высшая школа,

2006. – Книга 1, с. 51-54, 65-115.

3.Биология. Под ред. В.Н.Ярыгина. М., Медицина, 1984. – с. 26-32, 35-39, 93-94, 111-116, 132-134.

4.Н.Грин, У.Стаут, Д.Тэйлор. Биология. В 3-х т. М., Мир, 1992. – Том 1 с.

170-188, 284-311, том 2 с. 43-58, том 3. с. 214-223, 204-206.

5.Р.Марри, Д.Греннер, П.Мейес, В.Родуэлл. Биохимия человека. В 2-х т.т.

М., Мир, 1993. – Том 2 с. 5-14, 53-126.

12

Занятие № 3 Тема занятия: «Обмен веществ и энергии в живых организмах.

Поток информации в клетке. Нуклеиновые кислоты. Хранение и реализация наследственной информации»

Цель занятия:

-углубить знания о молекулярно-генетическом уровне организации живого;

-изучить роль процессов ассимиляции и диссимиляции в жизнедеятельности клетки и их взаимосвязь;

-изучить роль нуклеиновых кислот в процессах реализации наследственной информации, понять биологический смысл обратной связи;

-изучить процессы, поддерживающие генетическую стабильность и обеспечивающие реализацию наследственной информации, выделить их биологическое и медицинское значение.

Самостоятельная аудиторная работа

Жизнь в любых ее проявлениях возможна лишь при наличии основных составляющих – потока веществ, энергии и информации. Вещества, необходимые для жизнедеятельности любого организма, разнообразны по химическому строению (белки, углеводы, липиды, нуклеиновые кислоты, минеральные вещества, витамины) и способны вступать в клетке в различные биохимические реакции – ассимиляции и диссимиляции. В ходе метаболизма органические вещества распадаются на «строительные блоки», из которых происходит синтез веществ, необходимых для функционирования самой клетки.

Каждая клетка, независимо от структурной организации (бактерии, грибы, специализированные клетки растений или животных), сохраняет свою индивидуальность и способность функционировать только в том случае, если обладает механизмами получения энергии и преобразования этой энергии в различные виды деятельности клетки. Для гетеротрофных организмов источником энергии являются органические вещества. Однако следует помнить, что ни сами углеводы, липиды или белки, ни продукты их расщепления не могут служить «топливом» для клеточных процессов. Непосредственным источником энергии, которую клетка использует для выполнения различных работ, служит энергия, заключенная в структуре аденозинтрифостата (АТФ) и других макроэргических соединений.

Особенности метаболизма различных типов клеток (как и другие их признаки и свойства) определяются наследственной информацией, материальным носителем которой являются нуклеиновые кислоты. Нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК) – важнейшие биополимеры, обеспечивающие хранение наследственной информации и передачу ее как в пределах одного организма, так и потомкам при размножении организмов.

13

Работа 1. Структурно-функциональная организация ДНК

Используя учебные пособия и лекционный материал, заполните таблицу.

Работа 2. Регуляция активности структурных генов

Вещества (признаки), которые формируются в результате реализации наследственной информации, способны, в свою очередь, влиять на экспрессию генов по принципу обратной связи. Этот принцип можно рассмотреть на примере оперона.

Перенесите в альбом схему оперона, знаки вопроса замените названиями. Объясните механизм действия оперона на примере лактозозависимой бактерии

Escherichia coli.

Рис. 4. Схема строения оперона

Работа 3. Генетический код в процессах матричного биосинтеза

1. Фрагмент молекулы белка миоглобина содержит аминокислоты, расположенные в следующем порядке: валин – аланин – глутаминовая кислота – тирозин – серин – глутамин. Напишите структуру участка ДНК, кодирующую эту последовательность аминокислот. Состав кодонов, кодирующих аминокислоты, представлен в таблице 2.

14

2. Четвертый пептид в нормальном гемоглобине состоит из следующих аминокислот: валин – гистидин – лейцин – треонин – пролин – глутаминовая кислота – глутаминовая кислота – лизин. У больного серповидноклеточной анемией состав пептида гемоглобина следующий: валин – гистидин – лейцин – треонин – пролин – валин – глутаминовая кислота – лизин. Определите изменения в участке ДНК, кодирующем четвертый пептид гемоглобина, приведшие к заболеванию.

3. В состав молекулы белка входит 157 аминокислот. Определите длину кодирующего ее гена, если известно, что расстояние между двумя нуклеотидами в молекуле ДНК составляет 3,4 Å?

Задание 2.

На рис. 5 цифрами обозначены основные этапы энергетического обмена эукариотической клетки. Определите эти этапы и дайте им характеристику.

Рис. 5. Этапы энергетического обмена

Вопросы для самоконтроля знаний.

1.В чем заключается взаимосвязь потоков вещества, энергии и информации в клетке?

2.Какие можно выделить основные этапы эволюции обмена веществ биологических систем?

3.Молекула ДНК, в отличие от рибонуклеиновых кислот, состоит из двух

16

цепей нуклеотидов. Какой биологический смысл заложен в этом явлении?

4.Как можно объяснить тот факт, что на протяжении жизни клетки процессы транскрипции происходят только на одной (кодогенной) нити ДНК?

5.В чем заключается универсальность генетического кода? Какие можно при вести доказательства?

6.В молекуле ДНК возникла мутация – произошла замена пары нуклеотидов, при этом последовательность аминокислот в белке не изменилась. Какие объяснения могут быть этому событию?

7.Что означают термины «гены домашнего хозяйства» и «гены роскоши»?

8.Какие причины могут привести к нарушению энергетического обмена в клетке? Какие последствия при этом могут возникнуть?

9.Каким образом можно искусственно снизить интенсивность энергетического обмена в организме? В каких случаях это используется в медицине?

Темы учебно-исследовательской работы студентов:

1.Эволюция типов метаболизма у живых организмов.

2.Генетический гомеостаз и механизмы его поддержания.

3.Современное представление о регуляции биосинтеза белка у высших организмов.

4.Исследования в области изучения нуклеиновых кислот и биосинтеза белка, отмеченные Нобелевскими премиями.

5.Кислород в живой клетке: добро и зло.

** * * *

Словарь терминов Автотрофы – организмы, способные синтезировать органические вещества из

неорганических, используя при этом энергию света или энергию окислительновосстановительных реакций неорганических соединений.

Аминоацил тр-РНК-синтетаза - фермент, осуществляющий присоединение соответствующей аминокислоты к транспортной РНК.

Амплификация – образование дополнительных копий нуклеотидных последовательностей, обнаруживаемых в ядерной или внеядерной ДНК.

Антикодон – триплет, занимающий определенное и постоянное положение в структуре транспортной РНК; комплементарно взаимодействует с кодоном информационной РНК.

Антипараллельность – принцип построения молекулы ДНК, согласно которому одна параллельная цепочка нуклеотидов начинается с 3’-конца, а другая – с 5’-конца, т.е. нити ДНК расположены в противоположных направлениях.

Ассимиляция (анаболизм, пластический обмен) – совокупность биохимических реакций, в ходе которых клетки синтезируют собственные сложные органические вещества из более простых, используя при этом энергию АТФ.

АТФ (аденозинтрифосфорная кислота) – мононуклеотид, состоящий из азотистого основания аденина, 5-углеродного сахара рибозы и трех остатков фос-

17

форной кислоты; универсальный источник и основной аккумулятор энергии в клетках прокариот и эукариот.

Биополимер – полимер биологического происхождения, содержащий большое количество повторяющихся структурных звеньев – мономеров. Примеры: полисахариды, белки, нуклеиновые кислоты.

Вилка репликативная – область расхождения нуклеотидных цепей ДНК зоне репликации.

Ген – участок молекулы ДНК, кодирующий аминокислотную последовательность одной полипептидной цепи, либо структуру одной молекулы транспортной РНК или рибосомной РНК.

Ген-регулятор – ген, кодирующий регуляторный белок, который активирует или подавляет транскрипцию других генов.

Генетический код – принцип записи информации о последовательности аминокислот в полипептиде в виде последовательности нуклеотидов информационной РНК, образованной непрерывной цепью триплетов (кодонов).

Гликолиз – процесс анаэробного расщепления глюкозы, происходящий при участии ферментов гиалоплазмы клетки; в ходе последовательных реакций молекула глюкозы расщепляется на две молекулы пировиноградной кислоты, при этом образуется две молекулы АТФ (чистый выход).

Диссимиляция (катаболизм, энергетический обмен) – совокупность биохимических реакций, в ходе которых сложные органические вещества распадаются на более простые, при этом выделяется энергия. Часть энергии переходит в тепловую, а часть накапливается в макроэргических соединениях.

ДНК-лигаза – фермент, осуществляющий сшивание фрагментов цепочек ДНК (фрагментов Оказаки) в процессе репликации; принимает также участие в реакциях репарации ДНК.

ДНК-полимераза – фермент, обладающий ДНК-синтезирующей активностью, способен удлинять цепь ДНК последовательно наращивая по одному нуклеотиду к 3´-ОН-концу цепи в процессе полуконсервативной репликации; ДНКполимераза выполняет также репаративную функцию – удаляет нуклеотиды, ошибочно вставленные в синтезируемую нить ДНК.

ДНК-топоизомераза – фермент, осуществляющий раскручивание материнской спирали ДНК; разрывает фосфодиэфирные связи между нуклеотидами, одна цепочка вращается вокруг другой, затем фосфодиэфирные связи восстанавливаются.

Инициация (транскрипции или трансляции) – сложные биохимические процессы, предшествующие собственно синтезу (элонгации) информационной РНК или полипептидной цепочки.

Интрон – транскрибируемый участок ДНК, который удаляется из состава зрелой информационной РНК при сплайсинге; состоит из цепи нуклеотидов, которые не кодируют аминокислоты.

Кодогенная нить ДНК – одна из двух цепочек нуклеотидов ДНК, на которой в ходе транскрипции синтезируется и-РНК.

Кодон – последовательность из трех нуклеотидов информационной РНК; смысловых (кодирующих аминокислоту) кодонов – 61; три кодона (УАГ, УАА,

18

УГА), вызывающих терминацию синтеза белка, называются стоп-кодонами (нонсенс-кодонами, бессмысленными кодонами).

Комплементарность – один из принципов построения нуклеиновых кислот, в соответствии с которым напротив одного нуклеотида может располагаться только комплементарный нуклеотид (в молекуле ДНК: А - Т, Г - Ц); в реакциях транскрипции аденину комплементарен урацил.

Макроэргические соединения – биологические молекулы, содержащие богатые энергией, или макроэргические, связи; способны аккумулировать, сохранять и отдавать энергию в ходе реакций обмена. К ним относятся АТФ и креатинфосфат (особенно много образуется в клетках мышечной ткани).

Метаболизм — совокупность ферментативных процессов, обеспечивающих существование и воспроизведение клетки.

НАД (никотинадениндинуклеотид, NAD) – кофермент, присутствующий во всех живых клетках, входит в состав ферментов группы дегидрогеназ, катализирующих окислительно-восстановительные реакции; выполняет функцию переносчика водорода, которого принимает от окисляемых веществ. Восстановленная форма (NADH) способна переносить водород на другие органические вещества.

Обратная связь – обратное воздействие результатов процесса на его протекание или управляемого процесса на управляющий орган или структуру.

Оперон – генетическая единица, включающая в себя группу регуляторных и структурных генов. Последние кодируют ферменты, участвующие в одной цепи химических реакций.

Полуконсервативность – один из принципов репликации ДНК; осуществляется за счет разделения исходной двухцепочечной молекулы ДНК и последующего использования каждой из цепей в качестве матрицы для синтеза комплементарной цепи.

Псевдогены – неактивные, но стабильные элементы генома, возникшие в результате мутации в ранее функционирующем гене.

Прерывистость – один из принципов репликации ДНК, согласно которому самоудвоение начинается не с одного конца спирали материнской ДНК, а одновременно в нескольких местах молекулы; участок между двумя точками репликации нитей ДНК называют репликоном.

Промотор – участок ДНК, к которому присоединяется РНК-полимераза с тем, чтобы начать транскрипцию с соответствующих структурных генов. Процессинг – совокупность реакций, происходящих после транскрипции, в ходе которых из молекулы пре-информационной РНК удаляются участки, соответствующие интронам, а участки, соответствующие экзонам, соединяются друг с другом (сплайсинг).

Репарация ДНК – особая функция клеток, заключающаяся в способности исправлять нарушения химического строения нуклеотидов и разрывы в молекулах ДНК, возникшие в результате воздействия различных мутагенных факторов или в процессе репликации ДНК. Осуществляется специальными ферментными системами клетки.

19

Репликация – процесс самовоспроизведения макромолекул нуклеиновых кислот, обеспечивающий точное копирование генетической информации и передачу ее из поколения в поколение. В основе механизма репликации лежит принцип матричного синтеза ДНК на ДНК или РНК на РНК.

Репрессия — подавление активности гена, чаще всего путем блокирования его транскрипции.

РНК-полимераза – фермент, осуществляющий матричный синтез РНК из рибонуклеотидов. В зависимости от используемой матрицы – ДНК или РНК – различают ДНК-зависимую РНК-полимеразу и РНК-зависимую РНКполимеразу.

Сплайсинг – процесс удаления интронов и объединения экзонов с образованием зрелой информационной РНК, при участии которой в последующем происходят процесс трансляции.

Терминация (транскрипции или трансляции) – заключительный этап синтеза информационной РНК или полипептидной цепочки; совокупность биохимических процессов, приводящих к освобождению синтезированных веществ.

Транскрипция – процесс синтеза РНК с использованием в качестве матрицы ДНК, происходящий в клетках прокариот и эукариот; перенос генетической информации с ДНК на РНК (информационную, транспортную или рибосомную); в реакциях участвуют различные типы РНК-полимераз: РНК-полиме- раза I ответственна за транскрипцию генов рибосомных РНК; РНК-полимераза II – участвует с синтезе молекул пре-информационных РНК, РНК-полимераза III – осуществляет синтез транспортных РНК.

Транскрипция обратная – синтез ДНК на матрице РНК, осуществляется ферментом обратной транскриптазой; происходит при размножении в клетках прокариот или эукариот РНК-содержащих вирусов.

Трансляция – перевод последовательности нуклеотидов информационной РНК в последовательность аминокислот полипептидной цепи; происходит при участии рибосом клетки.

Экзон – любой отдельный фрагмент прерывистого гена, который сохраняется в зрелой информационной РНК; состоит из цепи нуклеотидов, кодирующих аминокислоты.

Элонгация (транскрипции или трансляции) – собственно синтез РНК или полипептидной цепи при участии специфических ферментов.

Экспрессия гена — процесс реализации информации, закодированной в гене; состоит из двух основных стадий – транскрипции и трансляции.

* * * * *

20