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. лет назад Химическая эволюция клетка 200 тыс. лет назад Биологическая эволюция Социальная эволюция 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 –рибоза • Сахар – • Азотистые дезоксирибоза основания: А. У, Г, Ц • Азотистые 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 Ххромосому 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 организации Элементарная Элементарное единица явление (пример) Молекулярногенетический Ген Клеточный Клетка Онтогенетический Особь Популяционновидовой Популяция, вид Биогеоценотический Биогеоценоз (экосистема) Биосферный Биосфера Земли Удвоение ДНК Синтез белка, митоз Онтогенез – индивидуальное развитие особи Эволюция видов Круговорот веществ и преобразование 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 С 4 С 3 С 2 пентоза азотистое основание
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 OH 5’ - конец
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 (доядерные) Эукариоты (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 5’ Репликативная вилка раскрывается 5’ 3’ праймеры 3’ 3’ Отстающая цепь 3’ 5’ Фрагменты Оказаки
Отличия репликации в клетках прокариот и эукариот
В репликации участвуют многие белки Лидирующая цепь ДНК-полимераза Расплетающие белки (SBB) ДНК-полимераза Праймер Отстающая цепь ДНК-лигаза Геликаза Праймаза- синтезирует праймеры Фрагмент Оказаки 100 – 1000 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 РНКпраймер (primer) ДНК-полимераза использует 3’-конец праймера для синтеза новой цепи ДНК полимераза I: Удаляет РНК-праймеры и застраивает пробелы цепочкой ДНК 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). РНК Фермент 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. Fфактор 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 структуру ДНК Дневной свет Фермент восстанавливает структуру ДНК на дневном свету
2. Эксцизионная репарация ( «режь-латай» ) Тиминовый димер узнавание повреждения Ферменты репарации разрезание цепи ДНК ресинтез и лигирование репарируемой цепи. ДНК-полимераза, ДНК-лигаза
3. Пострепликативная репарация (рекомбинационная) Если не сработала фото- или эксцизионная репарация, то димер сохраняется и после репликации образуется «брешь» . ДНК Тиминовый димер репликация + «брешь» рекомбинация и достраивание цепи
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, атаксиятелеангиоэктазия, 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
Скачать презентацию Приветствие Тема лекции Биология Жизнь Молекулярно-генетический уровень
Zhizn_Molekulyarno-geneticheskiy_uroven_organizatsii_zhivogo.ppt