4. Клетка как открытая живая система: потоки вещества, энергии и информации в клетке, их связь с различными клеточными структурами.

Жизнедеятельность клетки обеспечивается совокупностью взаимосвязанных обменных процессов, упорядоченных во времени и пространстве, связанных с определенными клеточными структурами. Процессы образуют три потока: информации, энергии, веществ.

Поток информации: благодаря ему клетка приобретает структуру, отвечающую критериям живого, поддерживает ее и передает в ряду поколений. В ПИ участвует ядро (ДНК хромосом), макромолекулы, переносящие информацию в цитоплазму (мРНК), цитоплазматический аппарат трансляции (рибосомы, полисомы, тРНК, ферменты активации аминокислот).

В ПИ происходит перенос информации с ДНК на белок. Символами кода ДНК служат нуклеотиды. Кодовая группа – кодон (3 нуклеотида). Символ кода белка – аминокислоты. 20 аминокислот, 64 кодона, из них 3 – кодоны-терминаторы, служат сигналом прекращения считывания информации.

Поток энергии: у разных групп организмов обеспечивается различными механизмами энергоснабжения, брожением, фото- и хемосинтезом, дыханием. Центральная роль – дыхательный обмен. Он вкл в себя реакции расщепления глюкозы, жирных кислот, аминокислот, а также использование выделяемой энергии для образования АТФ. Энергия АТФ преобразуется в работу – химическую (синтез), осмотическую (поддержание перепадов концентрации веществ), механическую, регуляторную.

Макроэргическое соединение – в химических связях запасена энергия в форме, доступной для использования в биологических процессах. АТФ – универсальное макроэргическое соединение. Основное количество энергии в связи, присоединяющей третий остаток фосфорной кислоты.

В клетке: митохондрии выполняют функцию окислительного фосфориллирования, в матриксе плазмы протекает анаэробный гликолиз – процесс бескислородного расщепления глюкозы, который менее эффективен (не боле 10% энергии). Недоокисленные продукты (пируват) поступают в митохондрии, где при полном окислении отдают остатки энергии.

Особенность ПЭ в растительной клетке – фотосинтез – механизм преобразования энергии солнечного света в энергию химических связей органических веществ.

Поток веществ: основная роль – цикл Кребса, который связывает метаболические пути расщепления и образования углеводов, белков, жиров, нуклеиновых кислот.

5. Клеточный цикл, его периодизация и характеристика. Значение интерфазы и митоза. Проблема клеточной пролиферации в медицине. Понятие о митотической активности ткани. Ингибиторы и стимуляторы митоза. Роль кейлонов.

Клеточный цикл – период существования клетки от момента ее образования в результате деления материнской до ее собственного деления или смерти. Важный компонент КЦ – митотический (пролиферативный) цикл – комплекс взаимосвязанных и согласованных во времени и пространстве событий, происходящих в процессе подготовки клетки к делению и на протяжении самого деления. Кроме того в ЖЦ (КЦ) вкл период выполнения клеткой многоклеточного организма специфических функций, а также периоды покоя. После покоя клетка может приступить к делению или к специализации и выполнению функций.

МЦ может длиться 10-50 часов. У млекопитающих митоз – 1-1,5 ч, G2 – период интерфазы – 2-5 ч, S-период - 6-10 ч.

МЦ обеспечивает преемственность хромосом в ряду клеточных поколений, образование клеток, равноценных по объему и содержанию наследственной информации. Главное событие МЦ – редупликация наследственного материала материнской клетки и распределение поровну между дочерними. Происходят изменения химической и морфологической организации хромосом.

В МЦ выделяют репродуктивную фазу (интерфаза) и разделительную (митоз).

Интерфаза: G1-период (пресинтетический или постмитотический) – самый долгий. Завершение формирования клетки, формирование ядрышка, синтез белка, рост клетки. Если дальше деление – синтез химических предшественников ДНК, ферментов, катализирующих реакцию редупликации ДНК, синтез белка, начинающего эту реакцию.

S-период (синтетический). Редупликация ДНК. Расхождение спирали ДНК на 2 цепи с синтезом на каждой комплементарной цепочки.

G2-период (предмитотический, пост синтетический). Синтез белка, РНК, завершается удвоение массы цитоплазмы.

Митоз: профаза – спирализация хромосом, разрушение ядрышка, распадается ядерная оболочка. Центриоли расходлятся к полюсам, образуется веретено деления.

Метафаза: хромосомы – на экваторе (метафазная пластинка). Веретено деления связано с кинетохорами хромосом. Каждая хромосома продольно расщепляется на 2 хроматиды.

Анафаза: разделение хроматид, расхождение к полюсам.

Телофаза: реконструкция интерфазных ядер, деспирализация хромосом, образование ядрышек, разрушение веретена деления, материнская клетка делится на две дочерние.

Временная организация ядра:

период	Набор хромосом	Набор хроматид
Интерфаза G1	2n	2c
Интерфаза S	2n	4c
интерфазаG2	2n	4c
Профаза митоза	2n	4c
Метафаза митоза	2n	4c
Анафаза митоза	4n	4c
Телофаза митоза	2n, 2n	2c, 2c

Клеточная пролиферация – разрастание ткани путем деления клеток. Термин – Рудольф Вирхов. Пролиферация регулирует постоянство клеточного гомеостаза либо направлена на восстановление организма вследствие нарушения его целостности. Основа регенерации. регенерация: физиологическая, патологическая, репаративная (связана с восстановлением тканей при их повреждении либо в результате гибели тканей).

По способности клеток к делению:

- постоянно делящиеся (базальный эпителий)

- постмитотические не делятся (нервные)

- условно постмитотические - не делятся, но могут (скелет, сердечная мышца).

Митотическая активность, митотический индекс. Процент делящихся клеток от общего числа. Световой микроскоп, клетки с видимыми хромосомами – делящиеся.

Ингибиторы митоза: колхицин. Стимуляторы митоза: в цитоплазме митотической клетки присутствует фактор (или факторы), стимулирующий митоз, или, иначе, М-стимулирующий фактор (МСФ, от англ. M-phase-promoting factor, MPF).

Впервые «фактор стимуляции митоза» был открыт в зрелых неоплодотворенных яйцах шпорцевой лягушки, находящихся в М-фазе клеточного цикла. Цитоплазма такого яйца, инъецированная в ооцит, приводила к преждевременному переходу в М-фазу и к началу созревания ооцита (первоначально сокращение MPF означало Maturation Promoting Factor, что переводится как «фактор, способствующий созреванию»).

Кейлоны – специфичные гормоны местного действия, белки или пептиды различной молекулярной массы. Тормозят пролиферацию.

6. Строение и свойства нуклеиновых кислот, их роль в передаче, хранении и воспроизведении наследственной информации (правила Чаргаффа, работы Ф. Крика и Д. Уотсона). Современные представления о механизме редупликации ДНК.

ДНК, дезоксирибонуклеиновая кислота. Биополимер, две нуклеотидные цепочки. Мономер – нуклеотид.

Нуклеотид:

- остаток фосфорной кислоты

- дезоксирибоза

- пуриновые азотистые основания ( аденин и гуанин) и пиримидиновые ( тимин и цитозин)

Цепочка ДНК 5’ – 3’ кодогенная (смысловая), 3’– 5’ матричная.

Св-ва ДНК:

Репликация – самоудвоение. Обеспечивает точную передачу генетической информации.

Репарация – восстановление структуры при повреждении (при мутации).

Поддержание стабильности за счет водородных, фосфорно-диэфирных и др связей.

Функции:

- хранение генетической информации. Обеспечивается стабильностью ДНК и репарацией.

- Передача генетической информации в процессе деления клеток на основе репликации и реализация ген инф в ходе матричных синтезов, транскрипции и трансляции.

- Матрица для РНК.

РНК

Одна полинуклеотидная цепь. Мономер – нуклеотид. Остаток фосфорной к-ты, РИБОЗА, азотистые основания пуриновые (А и Г) и пиримидиновые (УРАЦИЛ и Ц)

Функции:

- и(нформационная)РНК или м(атричная)РНК – матрица для синтеза белка. 1%

- т(ранспортная)РНК – перенос аминокислот из цитоплазмы к рибосомам. 10-15%

- р(ибосомальная)РНК – входит в состав рибосом, участвует в акте инициализации и терминации синтеза белка. Ее больше всего.

- м(алые)я(дерные)РНК – регуляторы в ходе реализации генетической информации.

Центр тРНК, где присоединятся а/к –акцепторный. Антикодон – триплет нуклеотидов, комплементарный кодону матрицы.

Правило Чаргаффа: А=Т, Г=Ц. Количество пуринов = количеству пиримидинов: А+Г = Т+Ц

(А+Т): (Г+Ц) не должно быть равно 1.

Репликация ДНК:

- полуконсервативный способ (матрицами служат обе цепочки)

- синтез на цепочках идет антипараллельно

- новая цепь синтезируется в 5’-3’ направлении

- синтез идет от начала до конца матрицы

Этапы: (полуконсервативный - одна цепь молекулы ДНК, образовавшейся в результате репликации, является вновь синтезированной, а вторая — материнской)

Раскручивание спирали днк c разрушением Н-связей и обр репликационной вилки ИНИЦИАЦИЯ (ДНК-ХЕЛИКАЗА – спец дестабилизирующие белки, связ c цеп днк и препятствующие образ Н-связей)

Цепочки фиксируются ДНК-связывающими белками

Белок-праймаза синтезирует праймеры – затравки.

ДНК-полимераза синтезирует новые цепочки ДНК. Одна цепочка – лидирующая (5 - 3), синтез непрерывен, вторая – запаздывающая (3 - 5), синтез идет короткими фрагментами (фрагменты Оказаки)

Синтез дочерней ДНК - ЭЛОНГАЦИЯ

На отстающей цепи ДНК-полимераза лидирующая цепь строится на базе матричной беспрерывно

На базе кодогенной цепи, новая цепь ДНК синтез в виду отдельных элементов – фрагментов оказаки

ДНК-лигаза сшивает соседние участки.

Уотсон и Крик открыли структуру дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) – вещества, которое содержит всю наследственную информацию. Через несколько месяцев после исторического заявления в пабе вышла осторожная публикация работы двух исследователей в журнале Nature (Watson J.D., Crick F.H.C. Molecular structure of nucleic acids // Nature. 1953. V. 171. P. 738-740). Статья заканчивалась предположением о том, что открытие структуры ДНК может объяснить механизмы копирования генетического материала.

К пятидесятым годам было известно, что ДНК – большая молекула, которая состоит из тысяч соединенных между собой в линию маленьких молекул четырех разных видов – нуклеотидов. Также ученые знали, что именно ДНК отвечает за хранение и передачу по наследству генетической информации, похожей на текст, написанный алфавитом из четырех букв. Неизвестными оставались пространственная структура этой молекулы и механизмы, по которым ДНК передается по наследству от клетки к клетке и от организма к организму.

По словам Уотсона, после этого открытия в их лаборатории была популярна гипотеза о спиральном строении ДНК. Уотсон и Крик сотрудничали с ведущими специалистами по рентгеноструктурному анализу, а Крик умел практически безошибочно обнаруживать признаки спирали на снимках, полученных таким способом.

7. Принцип кодирования и реализации генетической информации в клетке, свойства генетического кода их биологический смысл. Этапы реализации информации, их характеристика. Понятие о прямой и обратной транскрипции. Роль ревертаз.

Ген – участок молекулы ДНК или РНК характеризующийся определенной последовательностью нуклеотидов, составляющий единицу функции, отличный от функции других генов и способный меняться путем мутирования. Первичный продукт гена – белок или полипептидная цепь.

У прокариот гены имеют цистронное строение. Цистрон –это участок ДНК, кодирующий одну полипептидную цепь.

У эукариот гены имеют мозаичное строение. Есть кодирующие участки – экзоны и некодирующие – интронов. (интронов больше)

Принцип генетического кодирования:

Ген несет информацию о строении ДНК или РНК. Последовательность амк в белке закодирована с помощью генетического кода. (расшифрован гамовым)

Генетический код – система записи информации в молекулах нуклеиновых кислот в виде последовательности нуклеотидов, определяющая последовательность амк в молекуле белка.

Принцип: 1 аминокислоту кодируют три нуклеотида(триплет).

Кодовая группа – кодон(триплет). Всего в генетическом коде имеется 64 кодона. 61 из них смысловые и 3 нонсенс – стоп-кодоны и кодоны-терминаторы.

Свойства генетического кода:

Триплетность – одну ак кодирует один триплет

Универсальность – для всех живых организмов один и тот же триплет кодирует одну и ту же ак

Вырожденность – одну ак могут кодировать несколько триплетов (нонсенс кодоны – УАА УАГ, УГА и инициации – АУГ, ГУГ)

«Без запятых» - считывание идет в одном направлении и без остановок

Специфичность – один триплет=одна ак

Коллинеарность – соответствие линейного расположения триплетов в нуклеиновой кислоте и ак в полипептиде

Реализация генетической информации в клетке:

Центральная догма молекулярной биологии(Уотсон):

Реакция обратной траскрипции характерна для ретровирусов. Она представляет собой многостадийный процесс, включающий в себя так называемые «прыжки» - ревертазы. Реакция начинается не с 3’ конца, как у прямой транскрипции, а с синтеза расположенного на 5’ конце короткого фрагмента путем удлинения 3’ конца тРНК. Синтез вирусоспецифичной ДНК происходит в цитоплазме, затем линейная ДНК поступает в ядро, где переходит в кольцевую форму. Затем происходит интеграция вирусного генома в клеточную ДНК и при митозе вирусоспецифичная ДНК передается дочерней клетке.

8. Особенности молекулярного строения генов и потока информации у про- и эукариотических организмов. Процессинг, его этапы и значение.

Строение генов у прокариот:

1. Цистронное. Цистрон – участок ДНК, кодирующий одну полипептидную цепь.

2. Наследственный материал содержится в единственной кольцевой молекуле ДНК, которая располагается в цитоплазме клетки.

3. Экспрессия генов: ДНК (путем транскрипции) => иРНК (путем трансляции)=> белок.

ДНК c негистоновыми белками. Наличие плазмид-инф о конъюгации и устойчив к лекарствам.

2000 генов, 1 мм

Строение генов эукариот:

Наследственный материал по объему больше, чем у прокариот и расположен он в хромосомах.

Мозаичное строение: кодирующие участки – экзоны, некодирующие – интроны.

Экспрессия генов: ДНК (путем транскрипции)=> про-и-РНК (путем процессинга)=> зрелая иРНК (путем трансляции)=> белок.

ДНК в органеллах (нет интронов, большая плотн упаковки). 23000генов.

Транскрипция:

Считывание генетической информации с ДНК на иРНК.

Матрицей служит матричная цепочка ДНК(3’=>5’).

Копируется небольшой участок матрицы – оперон(прокариоты), транскриптон(эукариоты), ограниченный промотером и терминатором.

Синтез ведет фермент РНК-полимераза.

Присходит в ядре.

Этапы:

РНК-полимераза соединяется с промотером

РНК-полимераза разделяет цепочки ДНК, образуется транскрипционный глазок. Первым в строющуюся цепь включается пуриновый нуклеотид.

Удлинение цепи(синтез нуклеотидов) – примерно 30 нуклеотидов в секунду.

Терминация с участием белковых факторов, которые способствуют отщеплению РНК-полимеразы от матрицы.

После транскрипции у прокариот сразу начинается траснляция, у эукариот сначала процессинг(созревание пре-и-РНК).

Процессинг:

Происходит в ядре клетки.

Пре-иРНК содержит участки комплементарные экзонам и интронам.

Зрелая иРНК содержит участки комплементарные только экзонам.

Проводится специфическими ферментами эндо- и эктонуклеазами.

Этапы процессинга:

Фермент рестриктаза дробит пре-и-РНК на экзоны и интроны.

Интроны удаляются, экзоны сшиваются ферментами липазами в кодирующую зону(сплассинг) - «шапочка» рибосомы узнает место на матрице.

Образование КЭП-структуры в области 5’конца матрицы – защищают зону кодирования от повреждений.

Образование Poly-A(хвост) в области 3’конца – терминатор, разрушитель. АУГ(5’)=>кодирующая зона=>Poly-A(3’).

Образование информосомы (комплекс c белком-переносчиком) и выход зрелой иРНК из ядра.

Трансляция: биосинтез белка в рибосомах гран ЭПС, мономер – АК 20 типов

Активация АК (соединение АК c тРНК), Е-затратный процесс

Аминоацил-тРНК-синтетаза

ИНИЦИАЦИЯ: соединение 2 субъединиц рибосом в 1 целое и встраивание между ними иРНК

2 функц центра: амино-ацильный – узнавание АК

Пептидальный – формирование пептидных связей мж АК

Кодон инициации  МЕТИАМИН, c него начин синтез любой белок

ЭЛОНГАЦИЯ – синтез нового полипептида – построение и формирование пептидных связей c пом ПЕПТИДИЛТРАНСФЕРАЗЫ

ТЕРМИНАЦИЯ – в амино-ацильном центре оказывается 1 из 3 стоп-кодонов  АК сюда больше не зайдут

Эти кодоны распознаются белковыми факторами терминации, рибосома распадается на 2 субед., полипептид идет в А.Г. для дальнейших превращений – посттрансляционная модификация, 2 3 4 структуры

Молекула иРНК распадается на отдельные фрагменты – ЭНДОНУКЛЕАЗЫ.

9.Геном, особенности его молекулярной организации у про- и эукариот. Понятие о нестабильности генома (мобильные генетические элементы).

Геном – генетический материал ядра в гаплоидном наборе хромосом; суммарная длина молекул ДНК в гаплоидном наборе хромосом. Функциональная единица – ген.

Основная функция – обеспечение жизнедеятельности клеток, тканей и органов и передача информации о наследственных свойствах организма следующему поколению. Геномы про- и эукариот имеют некоторые сходства и принципиальные различия:

Прокариоты	Эукариоты
Объем = 1мм. Классы генов: -структурные -регуляторные -гены тРНК -гены рРНК Кольцевая молекула ДНК в цитоплазме – нуклеотид. Информативная емкость генома = 2000-4000 генов. Нет избыточности ДНК.	Объем(человека) = 187 см. Классы генов: -структурные -регуляторные -гены тРНК -гены рРНК -гистоновые Линейная молекула ДНК в ядре. Информативная емкость генома человека до 30 тысяч генов. Избыточность ДНК

Дуплицирующиеся гены эукариот:

Уникальные – до 10 на геном(структурные гены).

Умеренно-повторяющиеся – 10² -10⁵ на геном(регуляторные, гистоновые, тРНК, рРНК).

Многократно-повторяющиеся – 1 млн и более на геном:

-обращенные повторы(перевертыши, календромы) – имеют вид крестов, выполняют регуляторную роль транскрипции и трансляции.

-тандемные повторы(системная ДНК) – короткие нуклеотидные последовательности, идущие рядом друг с другом, выполняют регуляторную функцию.

-диспергированные повторы (транспазоны-прыгающие гены) – короткие, длинные; регулируют генную активность.

-псевдогены (молчащие гены) – до 20.000 в геноме: гены обоняния.

Мобильные генетические элементы (МГЭ), или "прыгающие гены" были открыты в 1947 г. американской исследовательницей Барбарой Мак-Клинток при изучении наследственности у кукурузы .

Отличительной особенностью мобильных элементов является способность существовать как в интегрированном с хромосомой виде, так и в виде отдельных макромолекул - эписом , плазмид , вирусных частиц. Почти 50 различных семейств мобильных элементов описаны у дрозофилы. Вместе эти последовательности составляют около 12% гаплоидного набора.

Транспозоны

Инсерционные элементы

ДНК-транспозоны;

Ретротранспозоны;

Плазмиды, например, половой фактор кишечной палочки (F-плазмида);

Бактериофаги, например, Mu, интегрирующиеся случайно в участки генома;

Интроны второй группы.