Молекулярно-генетический уровень организации материи Ген Аллели Хромосомы Кариотип

Молекулярно-генетический уровень организации материи Ген Аллели Хромосомы Кариотип Генотип Фенотип Наследственность Изменчивость гены кодирующие некодирующие 1. структурные 2. регуляторные

• Из истории генетики Гиппократ 460 -377 г. до н. э. Каждый орган, ткань или клетка влияют на формирование половых задатков, которые передаются потомкам Аристотель 384 -322 г. до н. э. Половые продукты образуются независимо от органов тела Не сторонник теории прямого наследования Жан Батист Ламарк (1744 -1829) Влияние окружающей среды обуславливает стойкие наследственные изменения сторонник теории прямого наследования

• 1865 «Опыты над растительными гибридами» • I закон Менделя -Закон единообразия гибридов первого поколения • II закон Менделя - Закон расщепления признаков • III закон Менделя - Закон независимого наследования признаков Грегор Мендель (1822 -1884) открыл существование дискретных единиц наследственности -генов Аллели- формы одного гена Признаки должны быть дискретны, константны, различаться по одному признаку, не должно быть случайного скрещивания

• В 1909 г. «Элементы точного учения наследственности» В. Иогансен предложил называть единицы наследственности генами, совокупность генов организма — генотипом, а их проявление фенотипом. Вильгельм Иогансен (1857 -1927)

Хромосомная теория наследственности Гены сосредоточены в хромосомах Кариотип – совокупность Хромосом клетки Томас Морган (1866 -1945) Нобелевские лауреаты по физиологии и медицине (1962) Джеймс Уотсон и Френсис Крик Открытие структуры ДНК

1988 год -Национальный институт здоровья США Проект «Геном человека» , с 1989 –в России

методы цитогенетический молекулярно-генетический генеалогический • онтогенетический • иммунологический • методы биотехнологии популяционный мутационный близнецовый

• Ф. Гальтон 1865 г. Составление родословной человека, характер наследования признаков Генеалогический метод

• Ф. Гальтон 1876 г. метод исследований монозиготных и дизиготных близнецов Близнецовый метод

Наследование признаков у монозиготных (МБ) и дизиготных близнецов (ДБ)

Цитогенетические методы

НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ - материальные основы наследственности строение нуклеотида остаток фосфорной кислоты сахар (пентоза) азотистое основание

Состав нуклеиновых кислот ДНК РНК Пуриновые основания (А) аденин (Г) гуанин Пиримидиновые основания (Ц) цитозин (Т) тимин (Ц) цитозин (У) урацил углеводы дезоксирибоза глюкоза рибоза Неорганическое в -во фосфорная кислота Правило Чаргаффа: А=Т Г=Ц, фосфорная кислота

Пиримидиновые основания Цитозин Урацил (2 -окси-4 -аминопиримидин) (2, 4 -диоксипиримидин) Пуриновые основания Гуанин (2 -амино-6 -оксипурин) Аденин (6 -аминопурин) Тимин (5 -метилурацил)

Рибоза Дезоксирибоза Рибоза – компонент РНК, используется в генетической транскрипции Рибоза – компонент АТФ Дезоксирибоза – компонент ДНК, открыта в 1929 Ф. Ливеном

Нуклеотиды Аденозинмонофосфат Цитидинмонофосфат

Гуанозинмонофосфат

Структура ДНК первичная порядок следования нуклеотидов в антипараллельных полинуклеотидных цепях водородные связистабилизация вторичная водородные + гидрофобные (стэкинг) третичная спирализация суперспирализация

РНК Информационная – матрица для синтеза белков (3 -5%) Транспортная – транспорт аминокислот (15%) Рибосомная – белки , рибосомы (80%)

т. РНК вторичная структура в виде клеверного листа спирализация полинуклеотидной цепи на само себя в строго фиксированных зонах псевдоурацил дигидроуридин Инозин третичная структура поддерживается ионами двухвалентных металлов

Функции нуклеиновых кислот • • Хранение генетической информации Удвоение Передача в виде генетического кода РНК -посредники (ДНК белок) ДНК матричные процессы: репликация, транскрипция, трансляция проходят в три этапа 1. Инициация 2. Элонгация 3. Терминация сопровождаются коррекцией и репарацией Работают ферменты и факторы

Наследственность Изменчивость модификационная наследственная цитоплазматическая генотипическая

Законы Г. Менделя I (1822 -1824) Закон единообразия гибридов по генотипу и фенотипу в I поколении II Закон расщепления по генотипу и фенотипу в II поколении III Закон независимого комбинирования признаков расщепление по каждому признаку идет независимо

Условия выполения законов Г. Менделя • Организмы одного вида • Дискретность признаков • Признаки константны (чистые линии) • Учет всех расщеплений • Родители - гомозиготы по изучаемому признаку • Одинаковая жизнеспособность на всех этапах жизненного цикла • Правило чистоты гамет: аллели не сливаются друг с другом, при половом размножении расходятся в разные гаметы

Положения хромосомной теории наследственности • 1. Каждый ген сосредоточен в определенном локусе в хромосоме • 2. Гены расположены в хромосоме линейно, в определенном порядке • 3. Кроссинговер – причина рекомбинации • 4. Чем дальше гены друг от друга – вероятность кроссинговера больше

Свойства генетического кода • Генетический код – система записи наследственной информации в виде последовательности нуклеотидов • 1. триплетность • 2. избыточность (вырожденность), 20 аминокислот, 64 триплета • 3. однозначность каждому кодону – своя аминокислота • 4. коллинеарность (соответствие аминокислотам в белке нуклеотидам в гене ) • 5. неперекрываемость триплетов • 6. универсальность

Общая схема строения бактериофага 5 сайтов расщепления рестриктазой отвечает за упаковку фаговой ДНК в белковую оболочку после попадания в клетку ДНК циклизуется По cos-концам и интегрируется в ДНК бактерии, находится в состоянии профага

Транспозоны 1951 г. Барбара Мак-Клинток Подвижные элементы, способные к перемещению (транспозиции) внутри генома вызывают мутации, устойчивость микроорганизмов к антибиотикам У человека составляют 3% генома Состоят из 2 х прямых и повторяющихся последовательностей, между ними – белок кодирующие гены , гены селективного преимущества РЕТРОтранспозоны перемещение путем обратной транскрипции Реакция растений на изменение освещенности + (генетическая рекомбинация) Вызывают 80% мутаций ДНК-транспозоны кодируют фермент транспозазу (вырезает и вставляет фрагменты ДНК)

Биологическая роль транспозонов • • • Внутрихромосомные перестройки Межхромосомные взаимодействия Рекомбинация в F-плазмидах Мутации Перенос генов Реакции на стресс (увеличение транспозиции в ответ на ртуть)

Сплайсинг

Сплайсинг

Альтернативный сплайсинг

Рестрикционные ферменты Рестриктазы позволяют осуществлять генетическую реконструкцию

Примеры рестриктаз

Ферменты генетической инженерии Рестриктазы Лигазы Полимеразы инструменты молекулярного манипулирования ферменты, с помощью которых получают фрагменты ДНК (рестриктазы); - ферменты, синтезирующие ДНК на матрице ДНК (полимеразы) или РНК (обратные транскриптазы); - ферменты, соединяющие фрагменты ДНК (лигазы); - ферменты, позволяющие осуществить изменение структуры концов фрагментов ДНК.

Репликация ДНК

Репликационная вилка

Полимераза 1958 г. Корнберг выделил из Е. Coli При денатурации ДНК полимераза связывается (1 мол на 300 нуклеот. ост. ) в местах с З'-гидроксилом и 5'-фосфатом 1. 5'— 3' полимеразная активность. Для реакции необходимо наличие одноцепочечной ДНК-матрицы и комплементарного участку этой цепи фрагмента — праймера (затравки) с З'-ОН концом. 2. 3'- 5' экзонуклеазная активность. Гидролизует одноцепочечную или двухцепочечную ДНК с З'-ОН конца. 3'— 5' нуклеаза расщепляет диэфирную связ только в неспаренных участках ДНК. Известно, что при полимеразной реакции с определенной частотой возможно включение в растущую цепь некомплементарного нуклеотида.

ДНК Хромосомная • Хромосомы (эукариоты) • Нуклеоид (прокариоты) Экстрахромосомная • ДНК клеточных органоидов (эукариоты) • Плазмиды (прокариоты)

Хромосомы образованы хроматином. Хроматин ДНК Белки Структурные Гистоновые • • • Н 2 А Н 2 В Н 1 Н 3 Н 4 Функциональные Негистоновые

Уровни компактизации ДНК Нуклеосомная нить (нуклеосомный ) Нуклеонемная фибрилла (нуклеонемный) Петли (домены) (петельный) Метафазная хромосома

Нуклеосома Нуклеосомный (Н 2 А, Н 2 В, Н 3, Н 4)× 2 ДНК (146 п. н. )

Нуклеосомная нить

Нуклеонемная фибрилла

Метафазная хромосома плечи центромера

Хроматин эухроматин Деспирализованные участки хромосом, содержащие активно экспрессирующиеся гены конститутивный Присутствует в течение всего клеточного цикла гетерохроматин Конденсированный, транскрипционно неактивный хроматин факультативный Способен переходить в эухроматин

Женский кариотип Мужской кариотип

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. Размер генома 3× 109 п. н. 30 000 генов Молекулы ДНК линейные Опероны отсутствуют Мозаичная (интронно-экзонная) структура генов Большее (по сравнению с прокариотами) количество регуляторных элементов Наличие мультигенных семейств и псевдогенов Наличие уникальных и повторяющихся последовательностей. Особенности ядерного генома человека

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Кольцевая суперспирализованная двухцепочечная молекула ДНК. Длина молекулы ДНК – 16 569 п. н. 37 генов: 2 гена р. РНК, 13 генов, кодирующих белки, 22 гена т. РНК. Есть перекрывающиеся гены Комплементарные цепи различаются по удельной плотности. Одна цепь – тяжелая (содержит много пуринов), другая – легкая (содержит много пиримидинов). 2 промотора (по одному на каждой цепи) Синтезируются полицистронные РНК Митохондриальная ДНК человека

Биологические свойства бактериальных плазмид Плазмида –внехромосомный ген элемент (вектор для клонирования генов) Термин «Плазмида» введен Дж. Ледербергом в 1952 г. для обозначения полового фактора бактерий. Конъюгативные (трансмиссивные) плазмиды. переносят ДНК от клетки-донора к клетке-реципиенту. Неконъюгативные плазмиды не могут передавать информацию.

ПЛАЗМИДЫ обеспечивают клетке свойства: Существование в различных Экологических нишах 1500 до 400 000 пар нуклеотидов Устойчивость к антибиотикам Продукция факторов патогенности Способность к синтезу антибиотиков Расщепление молекул (нафталин, толуол, ксилол, пестициды) Образование ферментов рестрикции и модификации Определяют вирулентность Col-плазмиды Вступление в симбиоз бактерий бактериоциногенные Виды плазмид R-плазмиды устойчивость к антибиотикам F-плазмиды половой фактор бактерий Факторы (гибель бактерий) Ent-плазмиды выработка энтеротоксина

Гибридизация векторной и чужеродной ДНК, слипание «липких» концов Разрезание векторной плазмиды с образованием «липких» концов, к ним «пришиваются» искусственные Плазмида, встроенная в бактериювектор переносчик нового гена, который реплицируется Конструирование рекомбинантной ДНК селекция, отбор бактерий с плазмидой

Клеточный уровень организации живой материи

(1635 -1703) английский естествоиспытатель Опубликовал труд "Микрография", где изложил результаты своих исследований. Рассматривая тонкий срез пробки под микроскопом, он обнаружил существование множества мелких ячеек и назвал их "клетками". Так возник этот термин. 1665 Роберт Гук Micrographia

(1632 - 1723) нидерландский натуралист, самоучка, шлифовальщик линз, создал микроскоп с 500 -кратным увеличением 1680 год Описал с большой точностью, наблюдаемые под микроскопом микроорганизмы. Он назвал их "микроскопическими животными", открыл эритроциты, описал бактерии, дрожжи, волокна хрусталика, чешуи эпидермиса, глаз насекомых, инфузории, зарисовал Антони ван Левенгук

II. Этап Возникновение клеточной теории

(1773 – 1858) шотландский ботаник исследовал пыльцу под микроскопом 1831 год Впервые описал ядро в растительной клетке. Роберт Браун

(1804 – 1881) немецкий исследователь профессор ботаники и антропологии труды по эмбриологии и анатомии растений «. . . всякая клетка зарождается из протоплазмы другой клетки, но одни клетки зарождаются путем кариокинетического деления, другие образуются из протоплазмы без деления самой клетки, внутри её » Вклад в развитие клеточной теории Маттиас Шлейден 1838 год Сделал первые шаги к раскрытию и пониманию роли ядра в растительной клетке.

(1810 – 1882) немецкий цитолог, гистолог, физиолог, автор клеточной теории Помимо известен также работами Действие кислорода на развитие птиц из яйца Брожение Открыл пепсин в 1836 1839 год Используя свои собственные данные и результаты М. Шлейдена, обобщил знания о клетке и сформулировал клеточную теорию. Основное положение этой теории: клетка является элементарной единицей строения всех растительных и животных организмов. Теодор Шванн