Введение в молекулярную биологию и генетику Молекулярная биология - современная наука, накопившая за 50 лет большой запас знаний и фактов, но продолжает развиваться и изучает новые проблемы. В течение 20 лет получены следующие знания в области молекулярной и клеточной биологии: 1. Как работает клетка, каков ее химический состав, т. е. строения макромолекул белков, нуклеиновых кислот, липидов, углеводов. 2. Изучены составные части, органеллы клетки. 3. Был завершен проект «Геном» , который позволил установить полную последовательность нуклеотидов ДНК, образующей геном человека.
• Это позволило изучить гены, кодирующие многие ферменты, патогенез многих болезней, особенно наследственных, связанных с мутациями генов, которые вызывают патологические изменения в молекулах и вызывают клинические симптомы.
Медицинская генетика изучает: • 1. Роль наследственности в патологии человека; • 2. Закономерности передачи от поколения к поколению наследственных болезней; • 3. Разрабатывает методы диагностики, лечения и профилактики наследственной патологии.
• Медицинская генетика, составляя важнейшую часть теоретической медицины, рассматривает в связи с патологией следующие вопросы: 1. Какие наследственные механизмы поддерживают гомеостаз организма и определяют здоровье индивида; • 2. Каково значение наследственных факторов (мутации или сочетание определенных аллелей) в этиологии болезней; • 3. Каково соотношение наследственных и средовых факторов в патогенезе болезней;
• 4. Какова роль наследственных факторов в определении клинической картины болезней (и наследственных, и ненаследственных); • 5. Влияет ли (и если влияет, то как) наследственная конституция на процесс выздоровления человека и исход болезней; • 6. Как наследственность определяет специфику фармакологического и других видов лечения.
Для врача образование по медицинской генетике включает в себя: • основы общей генетики (менделизм, учение о хромосомах, химические основы наследственности), • основные положения генетики человека (человек как объект генетического исследования) и клиническую генетику.
• В настоящее время клиническая генетика основывается на геномике, цитогенетике, биохимической генетике, иммуногенетике, генетике соматических клеток и молекулярной генетике.
• Человечество, сталкиваясь с новыми факторами среды ( избыток информации, стрессы, загрязнение атмосферы) увеличивает уровень мутационного процесса. • Поэтому знание медицинской генетики позволяет выбрать правильные методы лечения и правильно диагностировать наследственные болезни.
• Клиническая генетика в строгом смысле слова – прикладной раздел медицинской генетики, т. е. применение достижений последней для решения клинических проблем у пациентов или в их семьях. Эти проблемы следующие: что у больного (диагноз), как ему помочь (лечение), как предупредить рождение больного потомства (прогноз и профилактика).
Молекулярное строение и функциональные компоненты клеточных мембран • Основные функции мембран: • 1. Барьерная – т. е. формирование барьера, который избирательно пропускает молекулы в клетку и из клетки. • 2. Обеспечение межклеточных контактов – для их осуществления используются гликолипиды и гликопротеины. На поверхности мембраны из белков формируются антигены, которые делают мембрану иммуногенной.
• 3. Регуляторная (регулируют обмен между клеткой и средой • 4. Транспортная • 5. Делят клетку на отсеки или компартменты, предназначенные для раздельного протекания биохимических процессов
Строение мембран • В настоящее время принята жидкомозаичная модель Сингера и Николсона –мембрана составлена из 2 -х слоев липидов, т. е. липиды образуют бислой, в котором плавают белки. • Из-за разной степени погружения белковых молекул образуется своеобразная мозаика, что отражает название модели.
• При изучении биологических мембран определили следующие положения: • 1. Разные типы мембран имеют толщину от 5 до 10 нм. • 2. Мембраны – это липопротеиновые структуры. Кроме того, на внешней стороне к липидам или белкам прикреплены углеводы, их доля 2 -10%.
• 3. Липиды спонтанно образуют бислой, т. к. их молекулы имеют полярные гидрофильные головки и неполярные хвосты (гидрофобная часть). • 4. Мембранные белки выполняют множество различных функций. • 5. Углеводные компоненты образуют надмембранный комплекс – гликокаликс, который участвует в механизмах распознавания сигналов.
Типы и функции мембранных липидов • В состав мембран входят липиды нескольких классов: • 1. Фосфоглицериды, Фосфолипиды • 2. Гликолипиды, сфинголипиды • 3. Стероиды (холестерол)
• В мембранах животных клеток – 50% фосфолипидов, которые обладают способностью образовывать бислои. • Липиды могут перемещаться, двигаться, переходить из слоя в слой (флип-флоп переход), что лежит в основе барьерной функции мембраны.
• Мембранные липиды обеспечивают «жидкое» состояние мембран. Это нужно для транспорт веществ через мембрану, для активность мембранных белков и для слияния мембран соседних клеток.
Свойствами липидного бислоя : • 1. Способность к самосборке ( обеспечивает целостность мембраны). • 2. Полупроницаемость ( избирательная проницаемость) – это свойство лежит в основе транспорта через мембраны. • 3. Диэлектрические свойства – не позволяют передавать заряд, поэтому на внутренней и наружной поверхности мембраны образуется разность потенциалов (мембранный потенциал).
Мембранные белки 2 группы: • 1 группа – Структурные – это белки цитоскелета. • 2 группа –– Другие , выполняющие транспортную, маркировки и рецепции, ферментативную, участвуют в преобразовании энергии в процессе дыхания и фотосинтеза.
• Функция маркировки и рецепции обеспечивает узнавание и специфическое связывание с белками какого-либо фактора • Так клетка принимает различные сигналы, поступающие из внешней среды.
В состав мембраны входят белки 2 -х типов: • 1. Периферические – находятся на поверхности мембраны. • 2. Интегральные – эти белки погружены в толщу липидного слоя (полупогруженные) или пронизывают мембрану насквозь (трансмембранные белки). • Трансмембранные белки способны связываться с информационными молекулами и передавать сигналы внутрь клетки. Такие мембранные белки называются рецепторами.
Углеводы –в мембранах находятся: • 1. В соединении с белками – гликопротеины • 2. С липидами – гликолипиды. • Углеводные цепи представляют собой цепи олиго- или полисахаридные, образуя ветвистые образования, напоминающие антенны.
• Нарушение гликокаликса приводит к внедрению в клетку вирусов, метастазированию (прорастанию) опухолей.
Транспорт веществ через мембрану • 1. Пассивный транспорт – не требует затрат энергии • 2. Активный транспорт – протекает с потреблением энергии.
Виды пассивного транспорта • 1. Осмос или диффузия воды. Пассивная диффузия характерна и для незаряженных молекул или ионов. • 2. Диффузия по градиенту концентрации, т. е. из области с высокой концентрацией в более низкую (характерно для малых молекул, с массой не более 150 ДА) и О , СО , N. Эти вещества проходят по каналам туннельных белков.
• Спирт, глицерол, яды и лекарственные вещества попадают в клетку также путем пассивной диффузии • 3. Облегченная диффузия. (всасывании сахаров из просвета кишечника, при транспорте глюкозы в эритроциты, аминокислот, азотистых оснований).
Принцип работы белков-переносчиков • Это образование канала в молекуле белка из-за конформационных подвижек, или механизм понг-пинга. • Понг – участок для соединения белкапереносчика с веществом открыт во внешную сторону. • Пинг – участок снаружи закрывается и открывается вовнутрь клетки.
Механизм работы транспортных белков • Различают 3 вида механизма: • 1. Унипорт – транспорт вещества через мембрану, независимо от других соединений • 2. Симпорт – когда перенос одного вещества сопряжен с переносом другого, однонаправленный перенос (глюкоза и Na). • 3. Антипорт – одновременный перенос веществ как вовнутрь клетки, так и из клетки ( калий, натриевый насос). • Принцип работы белков – понг-пинг.
Figure 5. 12 Three Types of Proteins for Active Transport
• Перенос веществ через мембраны. Способы переноса: Эндоцитоз. Экзоцитоз. • Эндоцитоз – захват клеткой крупных молекул или частиц. • Экзоцитоз – выход крупных молекул их клетки. • Общим для них является то. Что вещество окружено мембраной и находится в виде пузырька – везикулы. • Механизм образования везикулы и ее судьба в клетке зависит от типа эндоцитоза.
Эндоцитоз • Различают 2 основных типа: • 1. Фагоцитоз – поглощение крупных частиц – вирусов, бактерий, клеток, обломков. Фагоцитоз осуществляется с помощью макрофагов и гранулоцитов. • 2. Пиноцитоз – присущ всем клеткам – поглощение жидкости и мелких гранул.
Figure 5. 15 Endocytosis and Exocytosis
Механизм эндоцитоза • 1. Этап впячивание или инвагинация плазматической мембраны. Образование эндоцитозной везикулы, похожей на колбу. • 2. Шейка везикулы сливается, отшнуровывается от мембраны и везикула – внутри клетки. • Судьба везикул различна: • 1. Они могут направляться к комплексу Гольджи. • 2. Сливаться с лизосомами, образуя вторичные лизосомы или фаголизосомы.
• Эндоцитоз различают 2 -х типов: • 1. Жидкофазный неспецифичный • 2. Адсорбционный рецепторный (с очень быстрым избирательным захватом макромолекул. Судьба везикул при адсорбционном эндоцитозе зависит от типа поглощаемого вещества. Если это гормон – то такая везикула снабжена рецепторами, которые помогают ей достичь комплекса Гольджи. Такая везикула называется рецептосома.
• Если везикула сливается с лизосомой, то такие везикулы называются окаймленные пузырьки, т. к. содержат белок-клатрин. Ряд вирусов (СПИД, гепатит, полимиелит) – попадают по механизму эндоцитоза.
• Экзоцитоз – имеет большое значение. Клетка обновляет мембраны, осуществляет секреторную деятельность. • Механизм экзоцитоза. 1) вещества в везикулах отпочковываются от комплекса Гольджи или ЭПС; 2) транспортируются к мембране; 3) сливается с ней. Везикула выполнила свое предназначение.
• Экзоцитоз может быть: 1) непрерывным (конститутивный); 2) регулируемый. • Вещества, высвобождаемые в процессе экзоцитоза деля на 3 группы: • 1. Антигены (остаются связанными с клеточной поверхностью). • 2. Вещества внеклеточного матрикса • 3. Сигнальные молекулы (гормоны, медиаторы).
Патологии Мембраны • Мембраны, как структуры клеток, могут играть роль в развитии патогенеза генных болезней. • 1. Отсутствие некоторых белковых рецепторов на клеточной поверхности приводят к семейной гиперхолестеринемии. • 2. Клиника витамин Д-резистентного рахита обусловлена дефектом рецептора 1, 25 – дигидроксихолекальций ферола.
• 3. При муковисцидозе нарушается регуляция транспорта хлоридов через мембрану эпителиальных клеток, которая в норме регулируется кистофиброзным транспортным регулятором.
• 4. Синдром полной нечувствительности к андрогенам (тестикулярная феминизация). Отсутствие чувствительности клеток приводит к развитию женского фенотипа при хромосомном наборе ХУ. • Причина: мутация в Х-сцепленном гене, кодирующем синтез рецептора андрогенов.
Структура и функции внутриклеточных органелл • Клетка – это элементарная, структурная, функциональная единица живого. • Клетка – основа строения и одноклеточных и многоклеточных организмов.
История изучения клетки • Р. Гук – 1665 – изучая среды растительных и животных тканей увидел ячеистые образования и назвал их клетки. • Антон Ван Левенгук впервые увидел простейших, рассматривая прудовую воду (инфузорию туфельку, бактерии в зубном налете, сперматозоиды в сперме.
Создание клеточной теории • В 1838 -1839 г Теодор Шванн и Матиасс Шлейден обобщили материал и вывели основные положения клеточной теории. • В современном изложении клеточная теория включает 3 главных положения:
• 1. Жизнь, какие бы сложные или простые формы она ни принимала, в ее структурном, функциональном и генетическом отношении обеспечивается только клеткой • 2. Единственным способом возникновения новых клеток является деление клеток (Р. Вирхов).
• 3. Структурными, функциональными единицами многоклеточных существ являются клетки. • Это положение показывает проблему соотношения части и целого.
Типы клеточной организации • 1. Прокариотический • 2. Эукариотический Для прокариот характерно: • Малые размеры клеток (0, 5 -3 мкм) • Отсутствие обособленного ядра • Генетический аппарат представлен единственной кольцевой хромосомой.
• 4. Нет гистонов (ядерных белков) • 5. Отсутствует развитая система мембран. • 6. Имеется цитоплазма, мембрана, рибосомы, включения, гликоген и липиды. • 7. Цитоплазма не способна к движению.
Типы клеток Прокариотические – безъядерные клетки Эукариотические –ядерные клетки
• Эукариотический тип представлен двумя подтипами: • 1. Подтип для простейших • 2. Подтип для многоклеточных • У простейших клетка выполняет функцию целостного организма. Ее структуры: цитостом, цитофарингс, порошица, сократительные вакуоли.
• Клетки растений и животных имеют некоторые отличия (есть пластиды, вакуоли, клеточная стенка). • Размеры клеток не зависят от размеров организма. Но существует зависимость между функцией клеток, размерами и формой (яйцеклетки, нервные клетки, мышечные, эритроциты).
• Клетка – это объект в котором выделяют мембрану, ядро, цитоплазму. • Внутреннее пространство разделено на отсеки или компартменты. • Выделяют 7 компартментов клетки: • 1. Цитоплазма • 2. Ядро • 3. ЭПС • 4. Комплекс Гольджи
• 5. Митохондрии • 6. Лизосомы • 7. Хлоропласты • В клетке есть и немембранные компоненты клетки: рибосомы, клеточный центр, ядрышко.
Лизосомы Оболочка Клеточный центр Ядро Цитоплазма Митохондрия ЭПС Рибосома Комплекс Гольджи
Цитоплазма Отграниченная от внешней среды клетки полужидкая среда, представляющая собой коллоидный раствор различных солей и органических веществ цитоскелетом Система белковых нитей, пронизывающих цитоплазму, называется цитоскелетом. Функция Она объединяет в одно целое ядро и все органоиды, обеспечивает их взаимодействие. Цитоплазма Митохондрия Ядрышко
Цитоплазма • Состоит из основного вещества – цитозоля, органелл и включений. • Цитозоль на 90% состоит из воды, в которой находятся биомолекулы (сахара, аминокислоты, белки, минеральные вещества). • Внешний слой цитоплазмы вязкий (гель) называется эктоплазмой (кортикальный слой).
• Центральная часть ближе к золям и называется эндоплазмой. • Функции цитозоля: • 1. Хранение биомолекул • 2. Место протекания различных метаболических процессов (гликолиз). • Цитоплазма способна к вязкому течению – циклозу.
Оболочка Ядерный сок Ядрышко Хромосомы
Оболочка ядра Двухслойная пористая мембрана, образующая комплекс с остальными мембранами клетки. На оболочке находится множество пор, через которые поступают и выделяются белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты, вода, ионы. . . - Оболочка ядра
Ядро • Форма – чаще округлая • Размеры – зависят от размеров клетки ( от 2 – 100 мкм) • Ядра присутствуют во всех эукариотических клетках, за исключением зрелых эритроцитов и тромбоцитов • В клетке чаще 1 ядро, но есть и двуядерные клетки ( макронуклеус и микронуклеус)
• Функции ядра • Хранение информации т. к. в ядре располагаются хромосомы • Передача информации в реду поколений • Определение специфики клетки, путем регуляции дифференциальной активности генов • Трофический центр клетки
СТРОЕНИЕ ЯДРА • Ядро отделено от цитоплазмы ядерной оболочкой, состоящей из двух мембран. Пространство между двумя ядерными мембранами называется перинуклеарным. • Внутреннее содержимое ядра называется нуклеоплазма или ядерный сок.
• На наружной ядерной мембране могут находиться рибосомы. Ядерная оболочка пронизана порами, которые образуются при смыкании наружной и внутренней мембран. К внутренней мембране примыкает сетеподобная волокнистая структура белковой природы – ламина.
Ядрышко Органоид ядра клетки, размером от 1 до 10 мкм. По форме он круглый. В состав ядрышка входят РНК и белки Функция В ядрышке происходит синтез РНК и формирование рибосом. Ядрышко *На картинке ядрышко изображено зелёным цветом.
Функция ламины • 1. Поддержание определенной формы ядра. • 2. Участвует в растворении и ресинтезе ядерной мембраны
• • Ядерно-поровый комплекс В ядерной оболочке содержится 30004000 ядерно-поровых комплексов. С диаметром 9 нм. черезных происходит обмен между ядром и цитоплазмой. Из ядра уходят м – РНК и рибосомы, в ядро проникают белки, макроэрги. В нуклеоплазме содержится ядрышко, оно имеет сложную структуру и не имеет мембраны. Оно содержит 3 зоны:
1. Зона – содержит скопления генов р. РНК и называется ядрышковый организатор. 2. Зона – содержит зрелые субъединицы рибосом. 3. Зона – в ней проходит транскрипция генов рибосомальной РНК. Основная функция ядрышка синтез р РНК и сборка рибосом
Органоиды общего назначения 1. Элементы канальцевой и вакуолярной системы (ЭПС) 2. Митохондрии 3. Рибосомы 4. Лизосомы 5. Пероксисомы 6. Клеточный центр и элементы цитоскелета 7. Пластиды (в раст. клетке)
1. Канальцевая и вакуолярная система образована трубчатыми и уплощенными мембранными образованиями в виде цистерн, которые пронизывают всю клетку. Различают 2 вида ЭПС: 1. Шероховатая – мембраны и связаны с рибосомами 2. Гладкая
Функции шероховатой ЭПС 1) Участие в синтезе белка 2) Образование белков и липидов плазматической мембраны. 3) Упаковка, транспорт и хранение белков.
Эндоплазматическая сеть Различают шероховатую (на её мембранах есть рибосомы) и гладкую ЭПС
Функции гладкого ЭПР 1. Синтез липидов и стероидов, которые транспортируются в комплекс Гольджи. 2. Депонирование ионов Са 3. Синтез углеводов. 4. Участие в процессах детоксикации в клетках печении.
Клеточный центр
Клеточный центр Состоит из 2 х центриолей и центросомы. Центросомы – это полые цилиндрические структуры, содержащие. РНК, белки, полисахариды. Центриоли состоят из 9 триплетов микротрубочек и лежат они в центросом центре скопления микротрубочек.
Основные функции клеточного центра. 1. Участие в делении клетки 2. Поддержание цитоскелета
Митохондрия Функция В митохондриях синтезируется АТФ. Не редко их называют "Силовые станции клетки". внутренняя мембрана имеет складчатую структуру, внешняя прочная и гладкая. *
Митохондрии • Содержатся во всех аэробных эукариотических клетках в количестве от 50 до 5000. • Форма – цилиндрическая. Митохондрии двигаются по цитозолю с помощью микротрубочек. Локализуется в местах активного потребления энергии (сперматозоиды).
• Митохондрии окружены двумя мембранами. Наружная мембрана содержит белок – порин, который образует каналы или поры. Между мембранами находится межмембранное пространство, по химическому составу идентично цитозолю.
• Рабочая поверхность митохондрий – это внутренняя мембрана, образующая выросты листовидной формы-кристы, или трубчатой тубулы. • Внутреннее пространство митохондрий – матрикс, в нем находятся ДНК, РНК, рибосомы, ферменты. ДНК митохондрий кольцевой формы, в ней есть гены,
• Кодирующие синтез митохондриальных р-РНК, т-РНК, белков. • Основная функция митохондрий синтез АТФ. • Дополнительная – синтез стероидных гормонов и глутаминовой кислоты.
Рибосомы • Есть у прокариот и эукариот. Мелкие органеллы размером до 20 нм. Состоит из 2 -х субъединиц, которые отличаются числом молекул р-РНК и белка. • Основная функция – синтез белка.
Рибосома Функция: В рибосомах синтезируются все необходимые клетке белки. *
• Встречаются 2 популяции рибосом: • 1. Свободные – синтезируют белки для своей клетки. • 2. Связанные с ЭПС – сиинтезируют белки, которые секретируются из клетки.
Комплекс Гольджи Функция К нему транспортируются продукты синтетической деятельности: клетки, жиры, углеводы и в нём накапливаются, а уже потом либо поступают в цитоплазму, либо наружу из клетки
Комплекс Гольджи • Был открыт в 1898 г Камилло Гольджи. Содержится во всех эукариотических клетках, представляет собой стопку уплощенных мембранных цистерн и связанных с ними систему пузырьков – пузырьки Гольджи. • Комплекс Гольджи располагается возле ядра.
• Цистерны напоминают стопку тарелок и называются стопкой Гольджи или диктиосомой (часть в стопке находится 6 цистерн). • Много стопок Гольджи в секреторных клетках. На одном конце стопки образуются новые цистерны, за счет слияния пузырьков. Это выпуклая сторона или цис - сторона.
• Затем происходит созревание цистерн и распад на пузырьки. Это происходит на внутренней вогнутой стороне (транс-сторона). • Функция аппарата Гольджи • 1. Сортировка, химическая модификация биомолекул. • 2. Транспорт веществ, участие в экзоцитозе • 3. Образование лизосом.
Лизосомы
ЛИЗОСОМЫ • Открыты в 1949 г, представляют собой округлые мембранные мешочки, наполненные гидролитическими ферментами. • Различают 2 класса лизосом: • 1. Первичные, содержат только ферменты. • 2. Вторичные – содержат субстрат и набор гидролаз.
• Возникают путем слияния первичных лизосом с субстратом, окруженным мембраной. • Первичные лизосомы отделяются от комплекса Гольджи. Гидролазы синтезируются в ЭПС, в комплексе Гольджи они подвергаются процессингу или модификациям. • Лизосомы принимают участие в эндоцитозе, экзоцитозе, автофагии, автолизе.
• Функция лизосом – внутриклеточное расщепление молекул. • Автофагия – это разрушение старых ненужных структур клетки, которые сливаются с лизосомами и данная структура переваривается. • Автолиз – саморазрушение клетки в результате высвобождения содержимого лизосом.
• Иногда автолиз – это нормальное явление (метаморфоз головастики – удаление хвоста). • Пероксисомы или микротельца. Это небольшие круглые органеллы диаметром 0, 3 -1, 5 мкм. Пероксисомы ведут свое происхождение от эндоплазматического ретикулума.
• Пероксисомы играют важную роль во внутриклеточном метаболизме: а) обезвреживая достаточно сильный окислитель пероксид водорода с помощью каталазы; б) являясь центром утилизации кислорода (до 10%); в) окисляя этанол до ацетальдегида; г) катализируя распад жирных кислот.
• Клеточные включения: жировые капли, гликоген, в клетках поджелудочной железы – зимоген. • Между собой клетки могут быть связаны посредством образования специальных структур – межклеточных контактов.
• Контакты подразделяются на 3 вида: 1) Запирающие или плотны соединения. 2) Прикрепительные контакты. 3) Коммуникационные контакты.
• Запирающие соединения характерны для клеток эпителиальной ткани. Их основная функция – барьерная. • Прикрепительные контакты встречаются во многих тканях, но больше всего их в тканях, подверженных высоким механическим нагрузкам, например, сердечная мышца, шейка матки и т. д.
• Прикрепительные контакты образуются путем скрепления элементов цитоскелета соседних клеток между собой. • Коммуникационные или щелевые контакты наблюдаются в большинстве тканей. Щелевые контакты образуется с помощью трансмембранных белков, формирующих единый канал, соединяющий питозоль соседних клеток.
Скачать презентацию Введение в молекулярную биологию и генетику Молекулярная биология
Лек.2 Клет.мемб..ppt