Приветствие Тема лекции:

Приветствие

Тема лекции: «Биология. Жизнь. Молекулярно-генетический уровень организации живого» Хрущова Ольга Николаевна Кафедра биологии ПФ РНИМУ им. Н. И. Пирогова Москва, 2014

План лекции 1. Биология – наука о живом. 2. Определение живого. 3. Свойства живых систем. 4. Уровни организации жизни. 5. Молекулярно-генетический уровень организации жизни. Строение, свойства и функции ДНК.

Немного о себе: Хрущова Ольга Николаевна. Я доцент кафедры биологии, закончила лечебный факультет 2 МОЛГМИ в 1980 году, с тех пор на кафедре. Мне нравится преподавать. Интересы – клиническая генетика и генетическое консультирование. Ненаучные – плавание, сбор грибов, английский язык.

Нужна ли врачу биология? нужна ли биология врачу? • Да, потому что это теоретическая основа медицины • Да, потому что медицина пытается противостоять некоторым биологическим законам

Курс биологии в медицинском вузе 1. Цитология 2. Генетика 3. Эмбриология 4. Эволюция 5. Паразитология

Рекомендую как пособия по медицинской генетике

Ничто в биологии не имеет смысла, кроме как в свете эволюции. Феодосий Добржанский Ф. Г. Добржанский 1900 - 1975

Предмет биологии (как я это понимаю) 3, 5 млрд. 200 тыс. лет назад Химическая Социальная эволюция Биологическая эволюция клетка человек

Итак, биология – наука о живом

Что такое жизнь? ? ?

Существует много определений жизни, приведу некоторые • Сент-Дьерди, лауреат Нобелевской премии: «Я не знаю, что такое жизнь, но точно могу сказать, жива или нет моя собака» . • Энгельс: «Жизнь – это способ существования белковых тел, состоящий в постоянном самообновлении частей этих тел» . • Энциклопедический словарь: «Жизнь это активное, идущее с затратой полученной извне энергии, поддержание и самовоспроизведение молекулярной структуры. • Я (прочитав Р. Докинза): «Жизнь – это избирательное размножение репликаторов. »

Клинтон Ричард Докинз

Видно, что дать определение жизни непросто. Поэтому учёные предпочитают описывать свойства живых объектов.

Свойства живого (свойства живых систем)

1. Особый химический состав: Живые организмы состоят из биополимеров – белков и нуклеиновых кислот. Белки (состоят из примерно 20 разных аминокислот, соединенных пептидными связями)

Образование пептидной связи между остатками двух аминокислот

Первичная, вторичная, третичная и четвертичная структура гемоглобина

Белки выполняют множество функций

Нуклеиновые кислоты – ДНК и РНК состоят из нуклеотидов, соединенных фосфодиэфирными связями Азотистое основание Фосфат Пентоза Нуклеотид

Нуклеиновые кислоты ДНК РНК • Сахар – • Сахар –рибоза дезоксирибоза • Азотистые основания: А. У, Г, Ц основания: А. Т, Г, Ц • Небольшие короткоживущие • Стабильная одноцепочечные гигантская молекула молекулы в виде двойной спирали Строение и функции ДНК мы обсудим чуть позже

Есть много видов РНК: • м. РНК – несет к рибосоме информацию о первичной структуре белка, следовательно, она кодирует белок. Остальные виды РНК названы некодирующими. • Виды некодирующих РНК (nc. RNA): • р. РНК (r. RNA) - рибосомальная • т. РНК (t. RNA) - транспортная • Длиннные нк. РНК (long nc. RNAs, lnc. RNA) • Короткие нк. РНК (микро. РНК, mi. RNA) • Малые ядрышковые (sno. RNA) • Малые интерферирующие РНК (si. RNA) • PIWI РНК (pi. RNA) • Есть и другие…

Длинные нк. РНК (более 200 нуклеотидов) • Их обнаружено десятки тысяч • Они отвечают за геномный импринтинг. Например, Xist, ген, подавляющий Х- хромосому с образованием тельца Барра. С него образуется РНК длиной в 17 000 нуклеотидов • Другие длинные РНК регулируют дифференцировку клеток, в частности активность НОХ-генов.

Короткие нк. РНК (20 – 24 нуклеотида) – микро. РНК, mi. RNA • Их описано не менее 100 • Их мишень не ДНК, а м. РНК. • Связываясь с 3’-нетранслируемой областью м. РНК, нарушают ее трансляцию и ускоряют разрушение м. РНК (действуют как сайленсеры). • Регулируют работу многих генов.

Другие нк. РНК • Малые ядрышковые (sno. RNA) участвуют в химической модификации р. РНК • si RNA участвуют в интерференции РНК, подавляя активность генов • pi RNA взаимодействуют с белком PIWI и отвечают за сайленсинг ретротранспозонов, а также поддержание стволовых клеток и сперматогенез. Их выделено более 50 000

2. Обмен веществ и энергии. Живые тела – это открытые системы. Живой организм постоянно обменивается веществом и энергией с внешней средой. В живых телах энтропия (мера хаоса, неупорядоченности) понижается.

3. Pитмичность. Все процессы в живых организмах связаны с космическими ритмами.

4. Самовоспроизведение (на основе наследственности и изменчивости). «Конвариантная редупликация» - редупликация живых частиц, включая наследственные вариации. (Тимофеев-Ресовский)

5. Рост и развитие (онтогенез)

6. Эволюция (Филогенез. )

7. Дискретность – живые объекты представляют собой отдельные единицы

8. Иерархичность – более простые живые объекты формируют сложные системы

Иерархичность позволяет выделить несколько уровней организации живого

Уровни организации живого Уровень Элементарная Элементарное организации единица явление (пример) Молекулярно- Ген Удвоение ДНК генетический Клеточный Клетка Синтез белка, митоз Онтогенетический Особь Онтогенез – индивидуальное развитие особи Популяционно- Популяция, видовой Эволюция видов Биогеоценотический Биогеоценоз Круговорот веществ и (экосистема) преобразование Биосферный Биосфера Земли оболочек Земли

Самый низший уровень – молекулярно-генетический. Жизнь на Земле началась с появления реплицирующихся единиц.

Ген – это участок молекулы ДНК* (дезоксирибонуклеиновой кислоты), содержащий информацию о первичной структуре белка или т-, р- и других видов нк. РНК. Это единица наследственной информации. *(Гены некоторых вирусов представлены РНК).

Уотсон и Крик в 1953 году у модели ДНК

Нуклеиновые кислоты – ДНК и РНК (состоят из нуклеотидов, соединенных фосфодиэфирными связями) Азотистое основание Фосфат Пентоза Нуклеотид

Нуклеотид состоит из 3 частей • 5 -атомного сахара (пентозы) – рибозы или дезоксирибозы. Атомы углерода в пентозе нумеруются по часовой стрелке С 1’, C 2’, C 3’, C 4’ и C 5’. • Азотистого основания: пуринового (аденин, гуанин) или пиримидинового (цитозин, тимин (ДНК) или урацил (РНК). Азотистое основание присоединено к С 1’ пентозы • Остатков фосфорной кислоты (от 1 до 3), они присоединены к С 5 пентозы. • ОН-группа в положении С 3’ служит для образования фосфодиэфирной связи с другим нуклеотидом.

Нуклеотид фосфат С 5 С 1 азотистое основание С 4 С 3 С 2 пентоза

Схема строения нуклеотида трифосфат

Азотистые основания образуют между собой водородные связи. Это получило название принципа комплементарности

Комплементарность и антипараллельность в строении ДНК 3’ - конец 5’ - конец OH 3’ - конец 5’ - конец OH

Эти особенности химического строения ДНК сделали возможным протекание ряда процессов с ее участием. Эти процессы: • Репликация (удвоение ДНК) • Рекомбинация (обмен участками между молекулами ДНК) • Репарация (восстановление ДНК) • Транскрипция (синтез РНК на ДНК) • Обратная транскрипция (синтез ДНК на РНК – у некоторых вирусов) • Мутирование (изменение строения ДНК)

Удвоение (репликация) ДНК Удвоение всей клеточной ДНК обычно происходит в S-периоде клеточного цикла, перед делением. Но могут удваиваться и отдельные участки ДНК, тогда это называется амплификацией.

Репликация ДНК полуконсервативна.

Отступление: живые организмы делятся на два больших надцарства: Прокариоты Эукариоты (доядерные) (ядерные)

У прокариот (бактерий) репликация монорепликонная. Начинается в точке ori* и идёт в обе стороны кольцевой молекулы ДНК *оri - от origin - начало Репликон это область ДНК, которая реплицируется, начиная с одной точки.

У эукариот репликация полирепликонная – начинается в нескольких местах Репликативный глазок Репликон – участок между двумя точками начала репликации.

Репликация полунепрерывна – лидирующая цепь (5’ 3’) нарастает непрерывно, отстающая -- (3’ 5’) – фрагментами Оказаки, которые потом сшиваются 3’ 5’ Лидирующая цепь Репликативная вилка раскрывается 3’ 5’ праймеры 3’ Отстающая цепь 3’ 5’ Фрагменты Оказаки

Отличия репликации в клетках прокариот и эукариот

В репликации участвуют многие белки Лидирующая цепь ДНК-полимераза Расплетающие Отстающая белки (SBB) цепь ДНК-полимераза Праймер Геликаза ДНК-лигаза Праймаза- Фрагмент Оказаки синтезирует 100 – 1000 праймеры нуклеотидов

Геликазы – ферменты, которые расплетают спираль ДНК SSB - белки (single-stranded binding proteins) связывают однонитевую ДНК и удерживают матрицу Топоизомеразы, в том числе ДНК-гираза – вносят временные разрывы в материнской цепи и устраняют суперспирализацию ДНК Праймаза синтезирует РНК- праймер (primer) ДНК-полимераза использует 3’-конец праймера для синтеза новой цепи ДНК полимераза I: Удаляет РНК-праймеры и застраивает пробелы цепочкой ДНК полимераза III присоединяет новые нуклеотиды к ДНК Лигаза – соединяет фрагменты Оказаки Основные белки репликации

Итак, репликация • Полуконсервативна • Идет по принципам комплементарности и антипараллельности на обеих цепях ДНК • Направлена в обе стороны • Полунепрерывна (лидирующая цепь нарастает непрерывно, отстающая - фрагментами Оказаки) • Полирепликонна у эукариот • Монорепликонна у прокариот

Теломераза Из-за необходимости каждый раз начинать репликацию с образования праймеров, которые потом удаляются, на концах хромосом, теламерах, образуются недореплицированные участки цепи ДНК. Специальный фермент теломераза способен к их восстановлению (активен в эмбриональных и половых клетках). Фермент РНК теломераза ДНК нуклеотиды

Теломераза осуществляет обратную транскрипцию, т. е. построение ДНК по матрице РНК и, таким образом, достраивает недореплицированный конец ДНК.

Рекомбинация ДНК -способность молекул ДНК обмениваться участками.

Примеры рекомбинации • Естественная: Кроссинговер во время мейоза Рекомбинация у бактерий Мобильные генетические элементы (транспозоны) • Искусственная: Получение трансгенных организмов

В профазе 1 деления мейоза между гомологичными хромосомами происходит обмен участками – кроссинговер. При этом образуются новые сочетания аллелей генов, что резко повышает генетическое разнообразие. А. Схема. Б. фигуры перекрёста (хиазмы), как они выглядят под микроскопом. Кроссинговер

Бактерии для рекомбинации образуют выросты - пили F-фактор - короткий фрагмент ДНК, находящийся в цитоплазме бактерии. F- фактор обеспечивает передачу себя (вместе с куском наследственной информации самой бактерии) через специальный вырост — пиль. Это ещё не размножение, а просто рекомбинация — «перетасовывание» генетической информации.

Генетическая инженерия – пример искусственной рекомбинации Человек научился использовать способность ДНК к рекомбинации в своих целях – нужный ген (зелёный) встраивают, к примеру, в ДНК бактерии (красная)

Схема получения трансгенного растения

Репарация ДНК – восстановление ДНК после повреждений

В клетках постоянно происходят повреждения ДНК • Изменения отдельных нуклеотидов – например, дезаминирование (потеря аминогруппы). При этом цитозин превращается в урацил. • Изменения пары нуклеотидов, например, образование тиминовых димеров. • Поперечные сшивки одной или двух цепей ДНК • Разрывы цепей ДНК

Примеры повреждений ДНК: ГЦААЦГ ЦГТ ТГЦ дезаминирование, разрывы хромосом, образование тиминовых димеров.

Существует несколько видов репарации • Фоторепарация (описана у бактерий) • Дорепликативная (эксцизионная) –» режь-латай» . Несколько видов: репарация отдельных оснований; репарация отдельных нуклеотидов; нескольких нуклеотидов. • Пострепликативная (рекомбинационная) у бактерий • SOS-репарация Рассмотрим их схематично на примере репарации тиминовых димеров Т Т А А

1. Фоторепарация (у бактерий) Ультрафиолет нарушает Дневной свет структуру ДНК Фермент восстанавливает структуру ДНК на дневном свету

2. Эксцизионная репарация ( «режь-латай» ) Тиминовый димер Ферменты репарации узнавание повреждения разрезание цепи ДНК ДНК-полимераза, ДНК-лигаза ресинтез и лигирование репарируемой цепи.

3. Пострепликативная репарация (рекомбинационная) Если не сработала фото- или эксцизионная репарация, то димер сохраняется и после репликации образуется «брешь» . ДНК Тиминовый димер репликация рекомбинация и + достраивание цепи «брешь»

Получаем одну нормальную молекулу ДНК и одну, по-прежнему, с тиминовым с димером +

Репарация у E. coli

SOS-система репарации выявлена не только у бактерий, но и у животных и человека. Эта система включается тогда, когда повреждений в ДНК становится настолько много, что возникает угроза жизни клетки. Может быть неточной.

При мутациях генов, ответственных за репарацию, возникают болезни репарации, например, анемия Фанкони, атаксия- телеангиоэктазия, синдром Блума, пигментная ксеродерма

Самая известная болезнь репарации ДНК – пигментная ксеродерма. При ней солнечный свет повреждает ДНК в клетках кожи, что может привести к раку.

Пигментная ксеродерма – болезнь, связанная с нарушением репарации ДНК

Пигментная ксеродерма Фото из учебника У. Клаг и М. Каммингс Основы генетики.

Продолжим говорить о реакциях с участием ДНК • Репликация (удвоение ДНК) • Рекомбинация (обмен участками между молекулами ДНК) • Репарация (восстановление ДНК) • Транскрипция (синтез РНК на ДНК) • Обратная транскрипция (синтез ДНК на РНК – у некоторых вирусов) • Мутирование (изменение строения ДНК)

Транскрипция - синтез РНК (любых видов) по матрице ДНК В качестве матричной выступает цепь ДНК 3’ 5’. Цепь 5’ 3’ в транскрипции не участвует. Эту цепь называют кодогенной, т. к. последовательность нуклеотидов РНК (кодонов) совпадает с ее последовательностью. Кодогенная, она же смысловая, она же цепь Крика. Матричная, она же антисмысловая, она же цепь Уотсона. О транскрипции поговорим в следующей лекции

Обратная транскрипция – синтез ДНК по матрице РНК • В 1970 году Г. Темин и Балтимор независимо друг от друга открыли фермент, названный обратной транскриптазой (ревертазой). В 1975 году им была присуждена Нобелевская премия в области физиологии и медицины. • Обратная транскрипция происходит при размножении ретровирусов (например, ВИЧ) • При перемещениях ретротранспозонов • При восстановлении теломерных участков хромосом • До этого открытия центральная догма молекулярной биологии имела вид: ДНК РНК белок

Теломераза осуществляет обратную транскрипцию, т. е. построение ДНК по матрице РНК и, таким образом, достраивает недореплицированный конец ДНК. А. М. Оловников в 1971 году предположил наличие теломеразы.

Медицинские приложения • В молекулярной биологии существует метод полимеразной цепной реакции с обратной транскрипцией (ОТ-ПЦР). Он используется для различных видов диагностики. • Обратная транскриптаза используется в генетической инженерии. Так, для производства белков, гены которых имеют интроны, используется зрелая м. РНК, имеющая только экзоны. С нее образуется к. ДНК (комплементарная ДНК), которая значительно короче и может быть встроена в геном бактерий или дрожжей. • Ингибиторы обратной транскриптазы используются для лечения СПИДа

О способности ДНК мутировать и о генных мутациях речь пойдет в следующей лекции