Лекция 1 Тема Введение в молекулярную биологию

Лекция № 1 Тема: Введение в молекулярную биологию. Молекулярные основы наследственности.

План лекции: 1. Молекулярная биология – предмет, задачи, методы исследования. 2. Краткая история развития молекулярной биологии. 3. Роль и значение молекулярной биологии и генетики в медицине. 4. Нуклеиновые кислоты – классификация, строение, функции. 5. Макромолекулярная структура ДНК. 6. РНК: виды, структура, функции.

Определение: Mолекулярная биология это наука о механизмах хранения, воспроизведения, передачи и реализации генетической информации, о структуре и функциях нерегулярных биополимеров нуклеиновых кислот и белков.

Молекулярная биология предмет, задачи Молекулярная биология – наука, изучающая природу и строение наследственного материала на молекулярном уровне (уровне ДНК)

НК: функции ДНК – хранение генетической информации РНК – реализация генетической информации

Еще в те времена, когда человек начал сеять культурные растения и разводить домашних животных, было очевидно, что каждое зернышко или оплодотворенная яйцеклетка должны содержать скрытый план или схему развития организма. Уже в наше время возникла генетика - наука, в основу которой легли представления о генах - невидимых, содержащих информацию элементах, равномерно распределяемых между двумя дочерними клетками при каждом клеточном делении. Чтобы передать дочерним клеткам полный набор генов, перед делением клетка должна сделать копию этих генов. Гены спермия и яйцеклетки передают наследственную информацию от поколения к поколению.

В наследовании биологических признаков используются совокупности атомов, подчиняющихся физическим и химическим законам. Другими словами, гены должны состоять из молекул. Вначале трудно было представить себе природу этих молекул. Что это за молекула, которая могла бы храниться в клетке, направлять процесс развития организма и быть в то же время способной к точной и практически неограниченной репликации?

К концу XIX столетия биологи обнаружили, что хромосомы (которые становятся различимыми в ядре в начале деления) являются носителями наследственной информации. Но данные о том, что веществом, из которого состоят гены, является дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) хромосом, были получены значительно позже при изучении бактерий. В 1944 г. было установлено, что очищенная ДНК одного бактериального штамма способна передавать наследственные свойства этого штамма другому штамму, несколько отличному от первого.

Это открытие оказалось слишком неожиданным и не получило широкого признания до начала 50 -х годов, так как считалось, что лишь белки обладают достаточно сложной конформацией, чтобы быть носителями заключенной в генах информации. Сегодня представление о том, что именно ДНК является носителем генетической информации (хранящейся в ее длинных полинуклеотидных цепях), столь прочно вошло в биологическое мышление, что порой трудно осознать, какой огромный пробел в наших знаниях заполнило это представление.

История развития М. Б. Основы М. Б. были заложены в работах F. Griffith (1928), O. T. Avery, C. M. Macleod (1944), A. D. Hershey, M. Chase (1952), J. D. Watson, Crick (1953). Они доказали, что основы организации и функционирования наследственного материала сходны у всех живых организмов

Опыты Ф. Гриффита (1928 г. ) Заражение мышей бактериями-пневмококками: Патогенные штаммы (S) - воспаление легких Непатогенные штаммы (R) - норма Непатог. штамм IIR + патог. штамм IIIS, но убитый нагреванием = пневмония, смерть мышей

. Позднее было показано, что трансформирующим фактором является ДНК. В основе механизма трансформации лежит явление рекомбинации ДНК между патогенными и непатогенными штаммами.

Опыты О. Херши и М. Чейза (1952) На бактериофаге Т 2 кишечной палочки было показано, что носителем генетической информации является ДНК.

Хронология открытий, подготовивших создание Уотсоном и Криком модели двойной спирали ДНК 1868 г. Обнаружен нуклеин. Современное название хроматин. Фридрих Мишер 1889 г. Нуклеин разделен на нуклеиновую кислоту и белок. Появился термин "нуклеиновая кислота". Рихард Альтман 1900 г. Все азотистые основания были описаны химиками. 1909 г. В нуклеиновых кислотах обнаружены фосфорная кислота и рибоза. Левин

1930 г. Найдена дезоксирибоза. Левин 1938 г. Рентгеноструктурный анализ показал, что расстояние между нуклеотидами в ДНК 3, 4 Å. При этом азотистые основания уложены стопками. Уильям Астбюри, Флорин Белл 1947 г. С помощью прямого и обратного титрования установлено, что в ДНК есть водородные связи между группами N-H и C=O. Гулланд

1953 г. С помощью кислотного гидролиза ДНК с последующей хроматографией и количественным анализом установлены закономерности: А/Т=1; Г/Ц=1; (Г+Ц)/(А+Т)=К - коэффициент специфичности, постоянен для каждого вида. Правила Чаргаффа. (Эрвин Чаргафф)

1953 - Уотсон и Крик (Watson, Crick) предложили модель двойной спирали ДНК, основанную на результатах рентгеноструктурного анализа, проведенного Франклин и Уилкинсом (Franklin, Wilkins)

Модель Уотсона-Крика (1953) 1. ДНК - полимер из нуклеотидов, соединенных 3'-5' фосфодиэфирными связями. 2. Состав нуклеотидов ДНК подчиняется правилам Чаргаффа: в любой ДНК содержание пуриновых оснований (А+Г) всегда равно содержанию пиримидиновых (Т+Ц); число остатков А всегда равно числу остатков Т, число остатков Г – числу остатков Ц. 3. Молекула ДНК имеет 2 полинуклеотидные цепи, образующие двойную спираль. 4. Стабилизация природной (нативной) молекулы ДНК обеспечивается водородными связями 5. Трехмерная модель ДНК: правильная правовинтовая спираль, образованная двумя полинуклеотидными цепями, закрученными относительно друга и вокруг общей цепи 6. Цепи ДНК обладают полярностью или направлением: каждая цепь имеет 5'-конец и 3'-конец 7. Две цепи антипараллельны друга 8. Азотистые основания цепей соединяются по принципу комплементарности: А с Т, Г с Ц

Структура ДНК

Формы ДНК В-форма (правозакрученная спираль)основная форма существования ДНК Z –форма (левозакрученная спираль), содержит последовательности Г-Ц Обе формы могут переходить друг в друга при изменении ионной силы раствора или концентрации катионов, расхождения цепей для этого не требуется.

РНК: структура и функции Р-РНК(80 -85%) Т-РНК (около 10%) М(И)-РНК (5%) Мц-РНК! Мя-РНК!(2%)

Структура РНК

Таблица 4 -12. Основные вехи в развитии технологии рекомбинантных ДНК 1869 - Мишер (Miesher) впервые выделил ДНК 1944 - Эвери (Avery) установил, что ДНК, а не белок, переносит генетическую информацию при трансформации бактерий 1953 - Уотсон и Крик (Watson, Crick) предложили модель двойной спирали ДНК, основанную на результатах рентгеноструктурного анализа, проведенного Франклин и Уилкинсом (Franklin, Wilkins) 1961 - Мармур и Доти (Marmur, Doty) открыли явление ренатурации ДНК, установив точность и специфичность реакции гибридизации нуклеиновых кислот

Продолжение таблицы 4. 2. • 1962 - Арбер (Arber) впервые получил данные о существовании ферментов рестрикции ДНК, впоследствии выделенных и использованных для определения последовательности ДНК Натансом и Смитом (Nathans, Smith) • 1966 - Ниренберг, Очоа и Корана (Nirenberg, Ochoa, Khorana) расшифровали генетический код • 1967 - Геллерт (Gellert) открыл ДНК- лигазу фермент, используемый для сшивания фрагментов ДНК

Продолжение таблицы 4. 2. 1972 -73 - В лабораториях Бойера, Коэна и Берга (Boyer, Cohen, Berg) и их коллег в Станфордском университете и в Калифорнийском университете в Сан-Франциско была разработана технология клонирования ДНК 1975 -77 - Сэнгер и Баррел (Sanger, Barrel), а также Максам и Гилберт (Махат, Gilbert) разработали методы быстрого определения нуклеотидной последовательности 1981 -82 - Пальмитер и Бринстер (Palmiter, Brinster) получили трансгенную мышь; Спрэдлинг и Рубин (Spradling, Rubin) получили трансгенные экземпляры дрозофилы

Начав с изучения биологических процессов на молекулярно-атомном уровне, молекулярная биология перешла к сложным надмолекулярным клеточным структурам, а в настоящее время успешно решает проблемы генетики, физиологии, эволюции и экологии.

Достижения 17 лауреатов Нобелевской премии

Методы М. Б. 1. Микроскопия 2. Рентгено-структурный анализ 3. Радиоактивные изотопы 4. Ультрацентрифугирование 5. Хроматография 6. Электрофорез 7. Культура клеток 8. Бесклеточные системы 9. Моноклональные антитела 10. Молекулярно-генетические

Объекты исследования М. Б. 1. 2. 3. 4. 5. Бактериофаги и др. вирусы Кишечная палочка и др. бактерии Дрожжевые грибки Слюнные железы личинок насекомых Хромосомы типа «ламповых щеток»

Литература: 1. Албертс Б. , Брей Д. и др. Молекулярная биология клетки. М. , 1994. 2. Введение в молекулярную медицину. Под ред. Пальцева М. А. М. , 2004. 3. Генетика. Под ред. Иванова В. И. М. 2006. 4. Гинтер Е. К. Медицинская генетика. М. , 2003. 5. Казымбет П. К. , Мироедова Э. П. Биология. Астана, 2006. 6. Льюин Б. Гены. М. , 1997. 7. Медицинская биология и генетика. Под ред. проф. Куандыкова Е. У. Алматы, 2004. 8. Муминов Т. А. , Куандыков Е. У. Основы молекулярной биологии (курс лекций). Алматы, , 2007. 9. Мушкамбаров Н. Н. , Кузнецов С. Л. Молекулярная биология. М. , 2003. 10. Фаллер Д. М. , Шилдс Д. Молекулярная биология клетки. М. , 2003.

Контрольные вопросы (обратная связь): 1. Основополагающие открытия в области молекулярной биологии. 2. 2. Роль нуклеиновых кислот в обеспечении наследственности. 3. Строение ДНК и РНК. 4. Функции ДНК и РНК. 5. Значение генетики в современной медицине