
- •Ознаки, зчеплені зі статтю.
- •Вторинна структура білків: типи, механізми стабілізації та роль регулярної вторинної структури в утворенні просторової структури глобулярних білків.
- •Природна і експериментальна поліплоїдія. Типи поліплоідів.
- •Характеристика популяції як елементарної одиниці еволюції.
- •Нековалентні міжмолекулярні взаємодії: типи, механізми виникнення та роль у підтриманні просторової структури біологічних макромолекул.
- •Множинний алелізм. Серії множинних алелей і механізм їх виникнення.
- •Боротьба за існування як елементарний фактор еволюції.
- •Фізична природа та біологічна роль водневого зв’язку та гідрофобних взаємодій.
- •Структурна організація і класифікація хромосом
- •Ізоляція як фактор еволюції.
- •Просторова структура глобулярних водорозчинних білків і основні механізми її стабілізації.
- •Балансова теорія визначення статі Бріджеса.
- •Природний добір як провідний фактор еволюції. Форми добору.
- •Принципи ферментативного каталізу.
- •Рівновага в популяції, закон Харді-Вайнберга
- •Біологічний прогрес і біологічний регрес.
- •Принципи використання вільної енергії гідролізу нуклеозидтрифосфатів для здійснення енергетично невигідних молекулярних процесів у біологічних системах.
- •Фактори динаміки популяцій та еволюція.
- •Основні етапи антропогенезу
- •Приклади молекулярних машин та загальні принципи їх функціонування.
- •Мейоз, основні фази, генетичне значення. Поведінка хромосом при мейозі як основа явища розщеплення і рекомбінації хромосом
- •Механізми м’язового скорочення
- •Хімічні компоненти нуклеїнових кислот, їх властивості та класифікація. Будова полінуклеотидного ланцюга.
- •Спадкування кількісних ознак. Полімерні гени.
- •Механізми передачі нервового імпульсу по аксону
- •Структура подвійних спіралей нуклеїнових кислот та механізми її стабілізації. Структурні форми подвійних спіралей.
- •Поняття про мутації, характерні риси спонтанного мутаційного процесу.
- •Плани будови прокаріотичної та еукаріотичної клітини
- •Рівні структурної організації хроматину еукаріотів. Структура нуклеосоми та хроматинової фібрили.
- •Регуляція активності генів у прокаріотів. Структура оперона.
- •Теорії походження еукаріотичної клітини
- •Принципи організації геномів про- та еукаріотів.
- •Закони спадкової передачі ознак, відкриті г.Менделем.
- •Будова, властивості та функції біологічних мембран.
- •Мобільні елементи в геномах: типи та молекулярні механізми переміщення.
- •Хромосомні типи визначення статі.
- •Ультраструктурна організація мітохондрій
- •Ініціація транскрипції в еукаріотів. Базальні транскрипційні фактори та збірка преініціаторного комплексу рнк-полімерази іі.
- •Порівняльна характеристика мутаційної та модифікаційної мінливості.
- •Поняття про цитоскелет та його структурні елементи
- •Структура і властивості генетичного коду.
- •Клітинний цикл та його регуляція
- •Транскрипційні фактори та базові механізми їх участі в регуляції транскрипції в еукаріотів.
- •Генеалогічний метод в генетиці людини. Складання родоводів.
- •Мітоз, його біологічне значення. Фази мітозу.
- •Мікро-рнк та їх участь в регуляції експресії генетичної інформації. Рнк-інтерференція.
- •Типи взаємодій між алелями одного гену.
- •Статевий процес та його біологічне значення.
- •Типи взаємодій неалельних генів.
- •Яйцеклітина, її хімічний склад, будова та різноманітність типів живлення.
- •Процессинг мРнк: етапи, синхронізація із транскрипцією, біологічна роль.
- •Гамети та їх утворення.
- •Структура й біологічна роль тРнк.
- •Організація геномів еукаріот.
- •Запліднення та його біологічне значення; особливості зовнішнього та внутрішнього запліднення.
- •Аміноацил-тРнк-синтетази, їх функція та реакції, які вони каталізують.
- •Соціальні аспекти генетики людини. Сутність евгеніки.
- •Елонгаційний цикл білкового синтезу. Молекулярні механізми зв’язування аміноацил-тРнк, транспептидації та транслокації.
- •Плейотропна дія генів, приклади.
- •Дроблення та його біологічне значення; особливості поділу клітин в період дроблення.
- •Ініціація трансляції у про- та еукаріотів.
- •Кросинговер, інтерференція, коінциденція.
- •Стадія бластули. Типи бластул
- •Склад та структура рибосоми. Взаємодія рибосоми з мРнк та тРнк. Функціональна роль рибосомних субодиниць.
- •Типи визначення статі
- •Стадія гаструли. Типи гаструляційних переміщень (інвагінація, епіболія, імміграція, делямінація).
- •Основні компоненти реплісоми та їх функціональна роль.
- •Спадкування ознак залежних від статі та обмежених статтю
- •Типи нуклеінових кислот у вірусів.
- •Зчеплене успадкування ознак
- •Роль вірусів бактерій в природі та в біотехнологічних процесах.
- •Репарація днк: основні типи та відповідні молекулярні механізми.
- •Близнюків метод в генетиці людини
- •Ретровіруси як вектори горизонтальної передачі спадкової інформації.
- •Методи секвенування днк. Встановлення нуклеотидних послідовностей геномів.
- •Причини відхилень від менделівських розчеплень
- •Пріони як представники неканонічних вірусів.
- •Методи клонування днк та експресії білків у бактеріальних клітинах.
- •Організація геномів прокаріот
- •Ампліфікація днк за допомогою полімеразної ланцюгової реакції.
- •Поліморфізм та гетерозиготність популяцій
- •Створення функціональних бактеріальних плазмід in vitro.
Характеристика популяції як елементарної одиниці еволюції.
Біологічна еволюція – процес зміни та дивергенції організмів у часі. Елементарна одиниця цього процесу має задовольняти певні умови:
1. Вона має бути далі неподільна і виступати у часі та просторі як деяке ціле число.
2. Вона має бути здатна спадково змінюватися у часі, що вимірюється біологічними поколіннями.
3. Вона має існувати у конкретних природних умовах.
Однак, відповідно цим умовам окремі організми не є одиницями еволюції, оскільки є смертними, і кожна з них є лише одним біологічним поколінням. Індивідуальні варіації, навіть спадкові, можуть не проявлятися у даної особини і можуть проявлятися або не проявлятися у наступних поколіннях у відповідності з домінантно-рецесивними відношеннями алелей. Таким чином, одиницю еволюції протягом поколінь складає деяка група особин.
Види нерівномірно розподілені у просторі, найчастіше у формі локальних популяцій, які відокремлені територіально. З цієї причини, а також через величезну чисельність та гетерогенність (внаслідок внутрішньовидової мінливості) вид не може бути елементарною одиницею еволюційного процесу.
Таким чином, популяція є елементарною еволюційною структурою, що задовольняє всі перераховані вимоги. Популяцією називається спільність індивідуумів певного виду, що пов’язані походженням, схрещуванням та спільною територією. Це є найбільш загальним визначенням. Деякі характеристики можуть виключатися, наприклад, можуть виникати складнощі з визначенням спільної території по відношенню до перелітних птахів, які дуже широко мігрують у просторі.
Елементарною еволюційною подією прийнято вважати спадкову зміну популяції. така зміна може відбутися, наприклад, під впливом добору, який сильно діє у одному напрямку. При цьому слід пам’ятати,що добір найбільш пристосованих форм відбувається за їх фенотипом, що сприяє одним та перешкоджає іншим у залишенні потомства, тобто розповсюдженні спадкової інформації. Добір за фенотипом тим не менш має сприяти зміні співвідношень генотипів у популяції і тим сами змінювати її спадкову структуру. Слід відмітити, що елементарна еволюційна подія ще не являє собою еволюційний процес, а є тільки його передумовою.
Еволюційний процес оперує популяціями, у межах яких відбуваються вільні випадкові схрещування, або панміксія. Такі популяції називають таком панміктичними або менделівськими. Найбільш розповсюджена точка зору, згідно якої процеси, що відбуваються у популяціях, - елементарні події еволюції, - лежать у основі макроеволюцій них перетворень.
БІЛЕТ 28
Нековалентні міжмолекулярні взаємодії: типи, механізми виникнення та роль у підтриманні просторової структури біологічних макромолекул.
Вандерваальсові взаємодії
Навіть у межах неполяризованої молекули розподіл електронної щільності є рівномірним лише в разі його усереднення за часом. У кожний момент часу внаслідок флуктуацій щільності виникають локальні неоднорідності, тобто парціальні заряди різного знаку, і молекула являє собою тимчасовий диполь. При наближенні іншої молекули такий тимчасовий диполь першої молекули індукує диполь у межах другої молекули, унаслідок чого виникає притягання електричної природи. Квантова механіка свідчить, що енергія пари молекул, електронні системи яких поляризовані, є нижчою за енергію пари неполяризованих молекул. У результаті всі молекули та атоми на близьких відстанях притягуються один до одного. Взаємодії такого типу були описані Ван дер Ваальсом. Вандерваальсові взаємодії між неполяризованими молекулами
називають дисперсійними; взаємодії між двома поляризованими молекулами (постійними диполями) - орієнтаційними (або диполь-дипольними); між неполяризованою молекулою та постійним диполем - індукційними (або взаємодіями типу диполь-індукований диполь).
Основні властивості вандерваальсових взаємодій:
• Вандерваальсові взаємодії, які призводять до притягання на малих відстанях, реалізуються між будь-якими молекулами й атомами незалежно від їхньої природи.
• Вандерваальсові взаємодії є короткодіючими: енергія взаємодій швидко знижується з відстанню між молекулами чи атомами r (пропорційно до 1/r 6 ). Тобто вандерваальсові взаємодії є суттєвими при безпосередньому контакті між молекулами (атомами, хімічними групами).
• Слова «безпосередній контакт» означають, що існує певна оптимальна величина r 0 - відстань, на якій енергія взаємодій є мінімальною. При зниженні r притягання між молекулами змінюється на відштовхування: електронні оболонки різних молекул (уже насичені валентними електронами) не можуть проникати одна в одну (відповідно до принципу заборони Паулі). Величина r 0 характеризує розмір кожного атома (вандерваальсів радіус), який використовується при побудові молекулярних моделей . Непроникність атомів один для одного (стеричні обмеження) має велике значення для структури біополімерів: серед великої кількості конформацій можливими є лише ті, для яких не спостерігається проникнення однієї частини ланцюга в іншу (два атоми не можуть займати одну область простору).
• Вандерваальсові взаємодії є найслабшими серед усіх нековалентних взаємодій. Для порівняння: величина середньої кінетичної енергії теплового руху RT при 27 °С становить
0,6 ккал/моль; типові значення енергії вандерваальсових взаємодій (на відстані r 0 ) варіюють у межах 0,10,5 ккал/моль.
Електростатичні (іонні) взаємодії
Певні хімічні групи в біологічних макромолекулах здатні іонізуватися, тобто набувати постійного негативного чи позитивного заряду, втрачаючи чи набуваючи протон. Взаємодія між такими зарядами підпорядковується добре відомому закону Кулона Величина ε залежить від полярності середовища. Поляризованість молекул води призводить до досить великого значення проникності (ε ≈ 80 за кімнатної температури). У неполярному середовищі проникність є значно нижчою (наприклад, усередині молекули білка ε ≈ 3) і, відповідно, електростатична енергія зростає. Занурення зарядженої рупи або навіть пари наближених різнойменних зарядів у неполярне середовище є дуже невигідним енергетично: заряджені групи частіше залишаються на поверхні макромолекул, не занурюючись усередину. Висока діелектрична проникність води свідчить про те, що електростатичні взаємодії у воді пов'язані в першу чергу з упорядкованістю диполів води навкруг зарядів і зміною цієї впорядкованості при наближенні чи віддаленні зарядів. Тобто електростатичні взаємодії мають ентропійну природу - при наближенні (взаємній нейтралізації) різнойменних зарядів ступінь упорядкованості диполів води знижується. Відповідно, зростає ентропія і знижується вільна енергія.
Найвагомішими електростатичні взаємодії є для макромолекул, на поверхні яких сконцентрована велика кількість заряджених груп. На перший погляд здається очевидним, що дві макромолекули з позитивно та негативно зарядженими поверхнями мають взаємодіяти за законом Кулона. Але крім води в живих системах завжди присутні неорганічні іони, які, за тим самим законом Кулона, мають зв'язуватись із зарядженими поверхнями макромолекул. Таким чином, взаємодія двох заряджених макромолекул - цілком ентропійний ефект. Величина цього ефекту знижується зі зростанням концентрації неорганічних іонів (іонною силою): якщо іонів досить багато в зовнішньому розчині, ефект від їхнього звільнення є дуже незначний. Тоді взаємна спорідненість макромолекул знижується і комплекс дисоціює.
Водневий зв'язок
Розглянемо дві молекули води. Унаслідок високої електронегативності оксигену молекула води є полярною, тобто на її атомах присутні парціальні електричні заряди (приблизно 2/3 заряду електрона на оксигені, +1/3 на кожному гідрогені). Відповідно, дві молекули будуть взаємодіяти одна з одною електростатично. Але тут є ще дві важливі обставини: 1) атом гідрогену має лише один електрон, і цей електрон є відтягнутим на оксиген у молекулі води; 2) атом оксигену містить на зовнішньому шарі неподілену пару електронів, які не залучені до утворення ковалентного зв'язку. У результаті «слабка» електронна оболонка гідрогену «продавлюється» атомом оксигену другої молекули; його неподілена пара електронів частково узагальнюється з гідрогеном, електрон якого є відтягнутим «власним» оксигеном. Взаємодія такого типу й називається водневим зв'язком, який, являє собою дещо середнє між електростатичною взаємодією (притягання парціальних зарядів) і ковалентним зв'язком (часткове узагальнення пари електронів між двома атомами).
Типові пари хімічних груп, що утворюють водневі зв'язки в макро-
молекулах:
Тобто водневий зв'язок утворюється між атомом гідрогену, приєднаним до електронегативного атома з частковим негативним зарядом (ця група «віддає» протон і називається донором водневого зв'язку) та електронегативним атомом іншої хімічної групи чи молекули (акцептором), який містить неподілену пару електронів. Група С-Н, наприклад, не відповідає цим принципам (зв'язок С-Н неполярний, оскільки С не є електронегативним атомом) і не може бути залученою до утворення водневого зв'язку.
Дві властивості водневого зв'язку є наслідком його природи:
• Водневий зв'язок є дуже вигідним енергетично: його енергію (утворення водневого зв'язку супроводжується виділенням тепла, тобто він має ентальпійну природу) можна оцінити приблизно в 5 ккал/моль (порівняйте з енергією теплового руху RT = 0,6 ккал/моль).
• На відміну від електростатичних взаємодій, але так само, як ковалентний зв'язок, водневий зв'язок є чутливим до взаємної орієнтації донора й акцептора. Особливо це стосується напрямку донорної групи: ковалентний зв'язок D-H має бути спрямованим на акцепторний атом (припустиме відхилення зв'язку від напрямку водневого зв'язку становить 20-30°).
Гідрофобні взаємодії
Сильна взаємодія молекул води за рахунок водневих зв'язків і те, що ці зв'язки можливі лише за певної взаємної орієнтації молекул, приводить до так званого гідрофобного ефекту при зануренні у воду неполярних молекул. Неполярність молекули означає, що вона не здатна утворювати водневі зв'язки. А молекули води не тільки здатні, а й прагнуть обов'язково їх утворити, оскільки енергія зв'язку є високою, втрачати його дуже невигідно. Єдиний вихід для молекул води - утворити зв'язки між собою. Проте неполярна поверхня створює перешкоди: група ОН верхньої молекули «дивиться» на неполярну (гідрофобну) поверхню і не може бути задіяною в утворенні водневого зв'язку. За збереження водневих зв'язків молекулам води доводиться платити зростанням упорядкованості - вони формують поблизу гідрофобної поверхні упорядкований кригоподібний кластер. Таким чином, занурення гідрофобної молекули у водне оточення за рахунок зниження ентропії є дуже невигідним енергетично. Якщо додати ще одну таку гідрофобну поверхню, у системи буде дуже простий вихід: злипання поверхонь супроводжується визволенням молекул води, тобто зростанням ентропії. Отже (знову!), гідрофобні взаємодії мають цілком ентропійну природу. що величина гідрофобного ефекту (енергетичний виграш від визволення води) є пропорційним площі гідрофобної поверхні. Оскільки гідрофобний ефект має ентропійну природу, а ентропійний внесок у вільну енергію зростає з температурою, ефективність гідрофобних взаємодій збільшується при підвищенні температури (зростає ефект визволення води в середовище, де рух молекул води прискорюється). Саме цим зростанням гідрофобного ефекту пояснюється добре відоме зниження розчинності у воді неполярних молекул газів при підвищенні температури. Для біологічних систем це також має велике значення: підвищення температури, навіть не дуже значне (до 35-37 °С), змінює енергетичний баланс міжмолекулярних взаємодій і призводить у пойкілотермних організмів до так званого теплового шоку. Гідрофобні взаємодії є надзвичайно важливими для живих систем. Достатньо сказати, що саме вони лежать в основі утворення клітинних мембран, без яких існування клітини було б неможливим. У наступних розділах буде показано, що гідрофобні взаємодії відіграють також провідну роль у підтриманні структури біологічних макромолекул.