Особенности молекулярного строения генов и потока информации у про- и эукариотических организмов. Процессинг, его этапы и значение.

Вопрос 1.

Биология (биос – жизнь, логос – наука) – наука, изучающая закономерности жизни и развития живых существ. Термин введен в 19 веке независимо Ж.-Б. Ламарком и Г.Тревиранусом.

Предмет биологии – жизнь во всех проявлениях: строение, физиология, поведение, онтогенез, эволюция, филогенез, взаимоотношения организмов друг с другом и окружающей средой.

Современная биология – комплекс, система наук. Науки выделяют по объектам изучения: зоология, ботаника, микробиология, вирусология и т.д. В пределах этих наук имеются более узкие – протозоология, гельминтология, арахноэнтомология и пр.

По дисциплинам, изучающим:

А)морфологию: цитология, гистология, анатомия

Б)физиологию: физиология растений, животных, человека.

Изучение закономерностей, процессов и механизмов индивидуального развития организма, наследственности и изменчивости, хранения, передачи, использования биологической информации, обеспечение жизненных процессов энергией – основа для выделения эмбриологии, биологии развития, генетики, молекулярной биологии.

Изучение строения, поведения, взаимодействия друг с другом и средой, исторического развития – морфология, физиология, этология, экология.

Наиболее универсальные закономерности и свойства развития и существования организмов и их сообществ – общая биология.

Биология - теоретическая основа медицины. Во всех теоретических и практических медицинских науках используются общебиологические обобщения. Исследования, проводимые в биологии, позволяют использовать полученные результаты и знания в медицинской деятельности.

Человек считается высшей ступенью развития живых организмов на Земле. Тип Хордовые, подтип Позвоночные, класс Млекопитающие, подкласс Плацентарные, отряд Приматы, подотряд Обезьяноподобные, секция(?) Узконосые обезьяны, семейство Гоминиды (Люди), род и вид Homosapiens.

Человек – биосоциальное существо. Часть природы и неразрывно связан с обществом.

Биологическое: систематика, анатомия, физиология, обладает всеми свойствами живых существ, приспосабливается к меняющимся условиям.

Социальное: част общества. Участвует в общественных отношениях, общается, обладает способностью к общественно полезному труду, сознанием, разумом, ответственностью.

Вопрос 2.

М.В.Волькенштейн: «живые организмы представляют собой открытые, саморегулирующиеся, самовоспроизводящие системы, построенные из биополимеров – белков и нуклеиновых кислот.

Жизнь – способ существования открытых макроскопических гетерогенных систем, далеких от равновесия, способных к саморегуляции, самоорганизации, самовоспроизведению.

Жизнь – постоянный процесс внутреннего движения, синтеза, распада, обмена энергии, направленный на самосохранение и самовоспроизведение в передаче устойчивых признаков в меняющихся условиях среды.

Свойства живого:

- обмен в-в и энергии

- воспроизведение себе подобных

- единство химического и биохимического состава

- единство структурной организации

- рост и развитие

- раздражимость и возбудимость

- наследственность и изменчивость

- энергозависимость

- дискретность и целостность

- ритмичность

- способность к взаимодействию

- постоянство внутренней среды.

Уровни организации жизни:

1. Молекулярно-генетический. Ген. Конвариантная редупликации генов и мутации.

2. Клеточный. Клетка. Реакции клеточного метаболизма, потоки веществ, энергии и информации.

3. Организменный. Особь. Закономерные изменения организма в процессе индивидуального развития на основе клеточной дифференцировки.

4. Популяционно-видовой. Популяция. Эволюционно значимые изменения генофонда популяций.

5. Биогеоценотический. Биогеоценоз. Круговорот в-в и энергии.

6. Биосферный. Биосфера. Биогенная миграция атомов.

Вопрос 3.

Клетка – обособленная, наименьшая по размеру структура, которой присущи все св-ва живого, которая может поддерживать их и передавать.

Все клетки имеют общие св-ва: обмен в-в и энергии, саморегуляция и перенос наследственной информации.

Клеточная теория:

Т.Шванн, М.ШЛейден, 1839

Р.Вирхов дополнил в конце 19 века.

- вне клетки жизни нет

- способ возникновения клетки – деление материнской. Клетка – единица размножения живого.

- структурно-функциональная единица. Клетки объединяются в ткани и органы, существуют различные формы регуляции.

- клетки всех организмов схожи по строению, химическому составу, основным процессам жизнедеятельности.

Типы клеточной организации:

1. Прокариоты. Отсутствие обособленного ядра, клеточного центра, некоторых органоидов. Бактерии, сине-зеленые водоросли. Тип деления – амитоз, генетически полноценный.

2. Эукариоты. 1-клеточные и многоклеточные. Тип деления – митоз, мейоз, амитоз.

Клетки многоклеточного организма объединяются в различные органы и ткани и специализируются на выполнении различных функций. Могут отличаться размером, формой, набором и количеством органоидов. Например, в секретирующих клетках лучше развиты ЭПС, рибосомы, апп.Гольджи. Мышечные клетки – миофибриллы, митохондрии и т.п. Клетки, специализированные на определенных ф-циях, не могут выполнять другие и нуждаются в продуктах деятельности других клеток организма.

Вопрос 4.

Мембраны – наружная (плазматическая) и внутриклеточные. Состав мембраны: липиды – 25-60%, углеводы – 2-10%, белки – 40-75%, вода – 20%.

Липиды: фосфолипиды (основа), гликолипиды (рецепторы), стероиды (прочность).

Белки: периферические (цитохромы), полуинтегральные (транспорт), интегральные (поры). Функции белков: каталитическая, рецепторная, структурная, транспортная.

Углеводы: гликопротеиды, гликолипиды. Функции: контроль за межклеточным взаимодействием, обеспечивают стабильность белковых молекул в мембране.

Св-ва мембран:

- избирательная проницаемость

-текучесть

- вязкость

- полярность

Функции мембран:

- барьер

- метаболическая

- транспортная

- биоэлектрическая

- межклеточное взаимодействие.

Виды межклеточных контактов: щелевые, плотные, десмосомы, синапсы и пр.

Компартментализация (по учебнику компартментация) – разделение объема клетки на «ячейки», отличающиеся деталями химического (ферментного состава). Способствует пространственному разделению веществ и процессов в клетке. Отдельный компартмент – органелла (напр лизосома) или часть органеллы (пространство, отграниченное внутренней мембраной митохондрии). Путем компартментации достигается высокая упорядоченность внутреннего содержимого эукариотической клетки.

Вопрос 5.

Жизнедеятельность клетки обеспечивается совокупностью взаимосвязанных обменных процессов, упорядоченных во времени и пространстве, связанных с определенными клеточными структурами. Процессы образуют три потока: информации, энергии, веществ.

Поток информации: благодаря ему клетка приобретает структуру, отвечающую критериям живого, поддерживает ее и передает в ряду поколений. В ПИ участвует ядро (ДНК хромосом), макромолекулы, переносящие информацию в цитоплазму (мРНК), цитоплазматический аппарат трансляции (рибосомы, полисомы, тРНК, ферменты активации аминокислот).

В ПИ происходит перенос информации с ДНК на белок. Символами кода ДНК служат нуклеотиды. Кодовая группа – кодон (3 нуклеотида). Символ кода белка – аминокислоты. 20 аминокислот, 64 кодона, из них 3 – кодоны-терминаторы, служат сигналом прекращения считывания информации.

Поток энергии: у разных групп организмов обеспечивается различными механизмами энергоснабжения, брожением, фото- и хемосинтезом, дыханием. Центральная роль – дыхательный обмен. Он вкл в себя реакции расщепления глюкозы, жирных кислот, аминокислот, а также использование выделяемой энергии для образования АТФ. Энергия АТФ преобразуется в работу – химическую (синтез), осмотическую (поддержание перепадов концентрации веществ), механическую, регуляторную.

Макроэргическое соединение – в химических связях запасена энергия в форме, доступной для использования в биологических процессах. АТФ – универсальное макроэргическое соединение. Основное количество энергии в связи, присоединяющей третий остаток фосфорной кислоты.

В клетке: митохондрии выполняют функцию окислительного фосфориллирования, в матриксе плазмы протекает анаэробный гликолиз – процесс бескислородного расщепления глюкозы, который менее эффективен (не боле 10% энергии). Недоокисленные продукты (пируват) поступают в митохондрии, где при полном окислении отдают остатки энергии.

Особенность ПЭ в растительной клетке – фотосинтез – механизм преобразования энергии солнечного света в энергию химических связей органических веществ.

Поток веществ: основная роль – цикл Кребса, который связывает метаболические пути расщепления и образования углеводов, белков, жиров, нуклеиновых кислот.

Вопрос 6.

Клеточный цикл – период существования клетки от момента ее образования в результате деления материнской до ее собственного деления или смерти. Важный компонент КЦ – митотический (пролиферативный) цикл – комплекс взаимосвязанных и согласованных во времени и пространстве событий, происходящих в процессе подготовки клетки к делению и на протяжении самого деления. Кроме того в ЖЦ (КЦ) вкл период выполнения клеткой многоклеточного организма специфических функций, а также периоды покоя. После покоя клетка может приступить к делению или к специализации и выполнению функций.

МЦ может длиться 10-50 часов. У млекопитающих митоз – 1-1,5 ч, G2 – период интерфазы – 2-5 ч, S-период - 6-10 ч.

МЦ обеспечивает преемственность хромосом в ряду клеточных поколений, образование клеток, равноценных по объему и содержанию наследственной информации. Главное событие МЦ – редупликация наследственного материала материнской клетки и распределение поровну между дочерними. Происходят изменения химической и морфологической организации хромосом.

В МЦ выделяют репродуктивную фазу (интерфаза) и разделительную (митоз).

Интерфаза: G1-период (пресинтетический или постмитотический) – самый долгий. Завершение формирования клетки, формирование ядрышка, синтез белка, рост клетки. Если дальше деление – синтез химических предшественников ДНК, ферментов, катализирующих реакцию редупликации ДНК, синтез белка, начинающего эту реакцию.

S-период (синтетический). Редупликация ДНК. Расхождение спирали ДНК на 2 цепи с синтезом на каждой комплементарной цепочки.

G2-период (предмитотический, пост синтетический). Синтез белка, РНК, завершается удвоение массы цитоплазмы.

Митоз: профаза – спирализация хромосом, разрушение ядрышка, распадается ядерная оболочка. Центриоли расходлятся к полюсам, образуется веретено деления.

Метафаза: хромосомы – на экваторе (метафазная пластинка). Веретено деления связано с кинетохорами хромосом. Каждая хромосома продольно расщепляется на 2 хроматиды.

Анафаза: разделение хроматид, расхождение к полюсам.

Телофаза: реконструкция интерфазных ядер, деспирализация хромосом, образование ядрышек, разрушение веретена деления, материнская клетка делится на две дочерние.

Временная организация ядра:

Клеточная пролиферация – разрастание ткани путем деления клеток. Термин – Рудольф Вирхов. Пролиферация регулирует постоянство клеточного гомеостаза либо направлена на восстановление организма вследствие нарушения его целостности. Основа регенерации. регенерация: физиологическая, патологическая, репаративная (связана с восстановлением тканей при их повреждении либо в результате гибели тканей).

По способности клеток к делению:

- постоянно делящиеся (базальный эпителий)

- постмитотические не делятся (нервные)

- условно постмитотические не делятся, но могут (скелет, сердечная мышца).

Митотическая активность, митотический индекс. Процент делящихся клеток от общего числа. Световой микроскоп, клетки с видимыми хромосомами – делящиеся.

Ингибиторы митоза: колхицин. Стимуляторы митоза: ???

Кейлоны – специфичные гормоны местного действия, белки или пептиды различной молекулярной массы. Тормозят пролиферацию. (т.е., тоже ингибиторы, как я понял).

Вопрос 7.

ДНК, дезоксирибонуклеиновая кислота. Биополимер, две нуклеотидные цепочки. Мономер – нуклеотид.

Нуклеотид:

- остаток фосфорной кислоты

- дезоксирибоза

- пуриновые азотистые основания ( аденин и гуанин) и пиримидиновые ( тимин и цитозин)

Цепочка ДНК 5’ – 3’ кодогенная (смысловая), 3’– 5’ матричная.

Св-ва ДНК:

1. Репликация – самоудвоение. Обеспечивает точную передачу генетической информации.

2. Репарация – восстановление структуры при повреждении (при мутации).

Поддержание стабильности тза счет водородных, фосфорно-диэфирных и др связей.

Функции:

- хранение генетической информации. Обеспечивается стабильностью ДНК и репарацией.

- Передача генетической информации в процессе деления клеток на основе репликации и реализация ген инф в ходе матричных синтезов, транскрипции и трансляции.

- Матрица для РНК.

РНК

Одна полинуклеотидная цепь. Мономер – нуклеотид. Остаток фосфорной к-ты, РИБОЗА, азотистые основания пуриновые (А и Г) и пиримидиновые (УРАЦИЛ и Ц)

Функции:

- и(нформационная)РНК или м(атричная)РНК – матрица для синтеза белка. 1%

- т(ранспортная)РНК – перенос аминокислот из цитоплазмы к рибосомам. 10-15%

- р(ибосомальная)РНК – входит в состав рибосом, участвует в акте инициализации и терминации синтеза белка. Ее больше всего.

- м(алые)я(дерные)РНК – регуляторы в ходе реализации генетической информации.

Центр тРНК, где присоединятся а/к –акцепторный. Антикодон – триплет нуклеотидов, комплементарный кодону матрицы.

Правило Чаргаффа: А=Т, Г=Ц. Количество пуринов = количеству пиримидинов: А+Г = Т+Ц

(А+Т): (Г+Ц) не должно быть равно 1.

Репликация ДНК:

- полуконсервативный способ (матрицами служат обе цепочки)

- синтез на цепочках идет антипараллельно

- новая цепь синтезируется в 5’-3’ направлении

- синтез идет от начала до конца матрицы

Этапы:

1. Фермент ДНК-геликаза раскручивает материнскую ДНК на 2 цепочки – образуется репликационная вилка (репликон)

2. Цепочки фиксируются ДНК-связывающими белками

3. Белок-праймаза синтезирует праймеры – затравки.

4. ДНК-полимераза синтезирует новые цепочки ДНК. Одна цепочка – лидирующая, синтез непрерывен, вторая – запаздывающая, синтез идет короткими фрагментами (фрагменты Оказаки)

5. На отстающей цепи ДНК-полимераза удлиняет ФОк, достраивая цепочку ДНК.

6. ДНК-лигаза сшивает соседние участки.

7. Все, готово)))

Вопрос 8.      

Принцип кодирования и реализации генетической информации в клетке, свойства генетического кода их биологический смысл. Этапы реализации информации, их характеристика. Понятие о прямой и обратной транскрипции. Роль ревертаз.

Ген – участок молекулы ДНК или РНК характеризующийся определенной последовательностью нуклеотидов, составляющий единицу функции, отличный от функции других генов и способный меняться путем мутирования. Первичный продукт гена – белок или полипептидная цепь.

У прокариот гены имеют цистронное строение. Цистрон –это участок ДНК, кодирующий одну полипептидную цепь.

У эукариот гены имеют мозаичное строение. Есть кодирующие участки – экзоны и некодирующие – интронов. (интронов больше)

Принцип генетического кодирования:

Ген несет информацию о строении ДНК или РНК. Последовательность амк в белке закодирована с помощью генетического кода. (расшифрован гамовым)

Генетический код – система записи информации в молекулах нуклеиновых кислот в виде последовательности нуклеотидов, определяющая последовательность амк в молекуле белка.

Принцип: 1 аминокислоту кодируют три нуклеотида(триплет).

Кодовая группа – кодон(триплет). Всего в генетическом коде имеется 64 кодона. 61 из них смысловые и 3 нонсенс – стоп-кодоны и кодоны-терминаторы.

Свойства генетического кода:

1) Триплетность – одну амк кодирует один триплет.

2) Универсальность – для всех живых организмов один и тот же триплет кодирует одну и ту же амк.

3) Вырожденность – одну амк могут кодировать несколько триплетов.

4) «Без запятых» - считывание идет в одном направлении и без остановок.

5) Специфичность – один триплет=одна амк.

6) Коллинеарность – соответствие линейного расположения триплетов в нуклеиновой кислоте и амк в полипептиде.

Реализация генетической информации в клетке:

Центральная догма молекулярной биологии(Уотсон):

Реакция обратной траскрипции характерна для ретровирусов. Она представляет собой многостадийный процесс, включающий в себя так называемые «прыжки» - ревертазы. Реакция начинается не с 3’ конца, как у прямой транскрипции, а с синтеза расположенного на 5’ конце короткого фрагмента путем удлинения 3’ конца тРНК. Синтез вирусоспецифичной ДНК происходит в цитоплазме, затем линейная ДНК поступает в ядро, где переходит в кольцевую форму. Затем происходит интеграция вирусного генома в клеточную ДНК и при митозе вирусоспецифичная ДНК передается дочерней клетке.

Вопрос 9.      

Особенности молекулярного строения генов и потока информации у про- и эукариотических организмов. Процессинг, его этапы и значение.

Строение генов у прокариот:

1. Цистронное. Цистрон – участок ДНК, кодирующий одну полипептидную цепь.

2. Наследственный материал содержится в единственной кольцевой молекуле ДНК, которая располагается в цитоплазме клетки.

3. Экспрессия генов: ДНК (путем транскрипции) =>иРНК (путем трансляции)=>белок.

Строение генов эукариот:

1. Наследственный материал по объему больше, чем у прокариот и расположен он в хромосомах.

2. Мозаичное строение: кодирующие участки – экзоны, некодирующие – интроны.

3. Экспрессия генов: ДНК (путем транскрипции)=>про-и-РНК (путем процессинга)=>зрелая иРНК (путем трансляции)=>белок.

Транскрипция:

Считывание генетической информации с ДНК на иРНК.

Матрицей служит матричная цепочка ДНК(3’=>5’).

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

Синтез ведет фермент РНК-полимераза.

Присходит в ядре.

Этапы:

1) РНК-полимераза соединяется с промотером

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

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

4) Терминация с участием белковых факторов, которые способсвуют отщеплению РНК-полимеразы от матрицы.

После транскрипции у прокариот сразу начинается траснляция, у эукариот сначала процессинг(созревание пре-и-РНК).

Процессинг:

Происходит в ядре клетки.

Пре-иРНК содержит участки комплементарные экзонам и интронам.

Зрелая иРНК содержит участки комплементарные только экзонам.

Проводится специфическими ферментами эндо- и эктонуклеазами.

Этапы процессинга:

1) Фермент рестриктаза дробит пре-и-РНК на экзоны и интроны.

2) Интроны удаляются, экзоны сшиваются ферментами липазамив кодирующую зону(сплассинг) - «шапочка» рибосомы узнает место на матрице.

3) Образование КЭП-структуры в области 5’конца матрицы – защищают зону кодирования от повреждений.

4) Образование Poly-A(хвост) в области 3’конца – терминатор, разрушитель. АУГ(5’)=>кодирующая зона=>Poly-A(3’).

5) Образование информосомы и выход зрелой иРНК из ядра.

Трансляция:

1) Активация аминокислот=> формирование аминоацил-тРНК.

2) Инициация: сборка активной рибосомы. Малая и большая субъединицы имеют два активных центра: пептидный и аминоацильный. Считывание начинается со стартового кодона АУГ(5’), к нему присоединяется малая субъединица рибосомы, после чего ее положение на матрице уточняется. К образовавшемуся комплексу инициации присоединяется большая субъединица рибосомы. Первая амк – метионин окажется в пептидильном центре, а аминоацильный центр будет пустым. В один момент в рибосоме может быть два кодона.

3) Элонгация – удлинение пептидной цепи. Процесс имеет циклический характер: в свободный аминоацильный центр поступает новая амк, которая переходит в пептидильный центр и образуется дипептид. После образования пептидной связи между амк рибосома сдвигается по матрице ровно на один триплет.

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

Вопрос 10.