лекции биология

Введение в биологию.

1)Фундаментальные свойства живого;

1)Уровни организации органического мира;

2)Методы исследований биологии;

3)Значение биологии для медицины.

Биология – наука о жизни, об общих закономерностях существования и развития живых существ. Предмет её изучения – живые организмы, их строение, функции, развитие, взаимоотношения со средой обитания и происхождения.

Биология – одна из старейших естественных наук, хотя термин «биология» был предложен в 18 веке.

Задачей биологии является познание жизни с целью управления биологическими процессами.

1. Фундаментальные свойства живого.

1. Обмен веществ и энергии.

Организмы представляют собой открытые системы, через которые происходит непрерывный поток вещества и энергии. Это приводит к самообновлению на всех уровнях организации живого, конечным результатом которого является рост и развитие организмов. С прекращением обмена веществ, прекращается и жизнь, так как идет разложение белковых молекул.

2. Самовоспроизведение (репродукция).

Самовоспроизведение обеспечивает преемственность между сменяющими друг друга генерациями биологических систем. На клеточном уровне это свойство связано с потоком информации.

3. Раздражимость.

Раздражимость – это реакция живого на внешние раздражения (свет, температура, звук). У организмов, лишенных нервной системы (растения, простейшие одноклеточные), раздражимость выражается тропизмами, таксисами и настиями. У организмов, имеющих нервную систему, раздражимость проявляется в виде рефлексов.

4. Саморегуляция.

Саморегуляция основана на гомеостазе (постоянство среды) и адаптации. Саморегуляция осуществляется по принципу обратной связи с участием ферментов.

5. Дискретность.

Дискретность, то есть каждый живой организм состоит из клеток, тканей, органов.

6. Целостность.

Каждый орган – это часть целого организма. Органический мир целостен, поскольку существование одних организмов зависит от других. В то же время он дискретен, так как складывается из отдельных организмов.

7. Онтогенез.

Онтогенез – это индивидуальное развитие, рост организма путем увеличения размеров, усложнения структуры и функций.

8. Филогенез.

Филогенез – процесс исторического развития организма.

9. Наследственность.

Наследственность – материальная преемственность между поколениями.

10. Изменчивость.

Изменчивость связана с появлением у организмов признаков отличных от исходных.

2.Уровни организации живого.

1)Молекулярно-генетический уровень, представлен биологическими молекулами: нуклеиновыми кислотами, белками и так далее, находящимися в клетке. На этом уровне осуществляется кодирование и передача наследственной информации, обмен веществ и энергии, изменчивость и так далее. Макромолекулы универсальны, то есть, построены по одному плану у всех организмов, независимо от их видовой принадлежности. Механизмы метаболических процессов, происходящих на этом же уровне также универсальны, то есть биосинтез нуклеиновых кислот, аминокислот и белков протекают по сходной схеме у всех организмов. На молекулярном уровне осуществляется превращение энергии в биологически доступную в форме АТФ

ипереход её в механическую, химическую и другие виды работ.

2)Клеточный уровень. Этот уровень организации живого представлен клетками, либо самостоятельными организмами (бактерии, простейшие), либо клетками многоклеточных организмов.

3)Тканевый уровень. Совокупность клеток сходных по структуре и функциям, объединяет ткань.

4)Органный уровень. Элементарной единицей этого уровня является орган – совместно функционирующие клетки, относящиеся к разным тканям.

5)Организменный (онтогенетический) уровень. Особь на этом уровне рассматривается с момента зарождения до смерти.

6)Популяционно-видовой уровень. Элементарной единицей этого уровня является популяция, характеризующаяся определенным генофондом.

7)Биогеоценотический уровень. Биогеоценоз - экосистемы являются элементарными системами, где осуществляется круговорот веществ и энергии различными живыми организмами.

8)Биосферный уровень. Высшая форма организации живых систем представлена биосферой. На этом уровне объединяются все круговороты в единый биосферный круговорот веществ и энергии.

3. Методы исследования в биологии.

1. Описательный.

Самый старый из методов. Дал возможность накопить и систематизировать огромный фактический материал по ботанике, зоологии, анатомии.

2. Сравнительный.

Позволяет устанавливать сходства и различия между предметами и явлениями. Он был использован при создании теории эволюции в 19 веке. В биологии родились методы сравнительной анатомии, сравнительной эмбриологии, палеонтологии, которые часто объединяют под общим названием: тройной метод изучения филогенеза.

3. Во второй половине 19 века стал применяться исторический метод (Ч.Дарвин). Метод, позволяющий изучать закономерности появления и развития организмов.

4. Экспериментальный. Этот метод широко распространен с 19 века, особенно в физиологии, в которой стали использовать большое количество экспериментальных методик.

4. Значение биологии для медицины.

Ученые древности были выдающимися биологами, но биология, как теоретическая основа медицины, стала формироваться в 19 веке.

1)Создание клеточной теории Шлейденом и Шванном.

2)Труды Пастера и его последователей, изучавших микроорганизмы в качестве возбудителей инфекционных болезней, заложили научные основы инфекционных патологий, ускорили развитие хирургии.

3)Учение об иммунитете И.И.Мечникова.

4)Успехи генетики позволили развивать медико– генетическое консультирование с целью диагностики, профилактики, лечения наследственных болезней.

Генетика.

Молекулярная генетика.

1.Этапы развития генетики 2.Структурно-функциональная организация наследственного материала. Свойства гена. 3.Доказательство генетической роли ДНК.

4.Репликация ДНК.

5.Генетический код и его характеристика.

6.Классификация генов (строение, функции), фракционный состав ДНК эукариот. 7.Биосинтез белка и его регуляция.

1. Этапы развития генетики.

Генетика - наука, изучающая закономерности наследственности и изменчивости.

Наследственность - свойство организмов повторять в ряду поколений сходные признаки, обеспечивать специфический характер индивидуального развития в определенных условиях среды. Вследствие этого каждый вид организмов воспроизводит себя из поколения в поколение.

Изменчивость – заключается в изменении наследственных задатков, а также в различном их проявлении в процессе развития организмов при взаимодействии с внешней средой.

История развития генетики начинается с имени Г. Менделя. Основные законы наследственности, открытые им в результате проведения экспериментов на растениях, он опубликовал в 1866г. в статье «Опыт над растительными гибридами», но эта работа не привлекла внимания учёных. Законы Менделя были вторично открыты в 1900г.

1900г. – год рождение генетики. Генетика прошла несколько этапов развития:

1.С 1900-1910 гг. Закономерности наследования с помощью гибридологического анализа изучали на уровне организма у растений, животных, микроорганизмов.

2.С 1911-1924гг. Связан с работами Т. Моргана и его учеников на плодовой мушке дрозофиле. Т. Морган – основатель хромосомной теории наследственности. На этом этапе закономерности наследования изучали на клеточном уровне. К этому периоду развития генетики относятся работы Н. И. Вавилова.

3.С 1925г. Характеризуется открытием искусственного мутагенеза у грибов под действием рентгеновского облучения. К этому периоду относятся работы Дубинина, Тимофеева-Рисовского, Четверикова.

4.Развитие генетики на молекулярном уровне в 40-е годы XX века: была расшифрована структура ДНК в 1953 Уотсоном и Криком, открыты свойства гена.

5.С 1955г – широкое проведение экспериментальных исследований на молекулярном уровне, расшифрован генетический код, разработана гипотеза биосинтеза белка в клетке, его регуляция, искусственно синтезированные гены, что привело к рождению нового научного направления – генной инженерии.

2. Структурно-функциональная организация наследственного материала. Свойства гена.

Закономерности наследования и изменчивости признаков вытекают из принципов структурно – функциональной организации генетического материала. Различают три уровня наследственного материала: генный, хромосомный, геномный.

Ген – функциональная единица наследственного материала, определяющая развитие признака. По химической структуре это участок ДНК, расположенный в определённом участке (локусе) хромосомы. В нём с помощью генетического кода записана последовательность аминокислот в белке. Гены распределены группами по хромосомам.

Хромосома – структура, состоящая в основном из ДНК и белка. Количество хромосом всегда меньше числа генов, т. е. каждая хромосома – комплекс генов, поэтому выделяют хромосомный уровень организации хромосомного материала. Вся совокупность генов образует единую систему, представляющую геномный уровень организации наследственного материала.

Геном - набор генов в гаплоидном наборе хромосом данного вида организмов (1n).

Генотип - сбалансированная система взаимодействующих между собой генов диплоидного набора хромосом =кариотипа.

Свойства гена:

1. Способность к самовоспроизведению (редупликации ДНК)

2. Стабильность - передается из поколения в поколение в неизмененном виде.

3. Лабильность - способность изменяться, т.е. мутировать. Мутационный процесс идёт постоянно и не направленно, поэтому в генофонде вида возникают и сохраняются много различных аллелей одного гена. Это явление называется множественным аллелизмом, характеризуется наличием многих вариантов отдельных признаков у представителей данного вида.

4. Дискретность действия – развитие различных признаков контролируется разными генами.

5. Специфичность – ген обуславливает развитие определённого признака или их групп.

6. Плейотропия – один ген обеспечивает развитие нескольких признаков.

7. Дозированность действия – присутствует в клетках организма в одном экземпляре, аллель обеспечивает развитие признака до определённого количественного предела. Некоторые хромосомные болезни человека возникают при изменении дозы генов определённых хромосом. При болезни Дауна увеличивается до трёх доз генов 21-ой хромосомы – трисомия по 21-ой хромосоме.

8. Способность взаимодействовать с другими генами. Химическая природа гена долго оставалась неясной. В настоящее время известно, что носитель наследственной информации – ДНК.

3. Доказательства генетической роли ДНК:

1.Опыт с бактериофагами. Бактериофаги – вирусы, поражающие бактерии, состоят из белковой капсулы и ДНК. Белок фага был помечен S*, ДНК – P*. Оказалось, что вновь образованные фаги содержали только P*, S* не было обнаружено ни в одной частице, т. е. генетическая информация от

внедрившегося фага его потомка передаётся только проникающей в клетку нуклеиновой кислотой.

2.Опыты Гриффитса с пневмококками – явление трансформации.

Вирулентный штамм имеет белковую оболочку, авирулентный – нет, если вирулентный штамм подвергали действию высокой температуры, то они становились безвредными не вызывая заболевания, введение животным смеси из авирулентного и убитого вирулентного штамма приводило к гибели животного. Из крови мышей были выделены живые вирулентные микроорганизмы. Произошла трансформация штамма авирулентного в вирулентный под влиянием какого-то фактора не белковой природы. Механизм этого процесса был открыт через 20 лет. Он заключен в рекомбинации между молекулами ДНК клеток двух штаммов.

3.Трансдукция (перемещение) заключается в том , что вирусы покидая бактерии, которые они паразитировали могут захватить с собой часть их ДНК и перемещаясь в новые клетки передавать новым хозяевам свойства прежних.

Свойства ДНК как вещества наследственности.

1.ДНК с помощью генетического кода записывает информацию о последовательности аминокислот в белке.

2.Репликация ДНК – способность передавать генетическую информацию, т.е. реплицироваться.

3.Репарация – способность к самовосстановлению, т.е. к исправлению возникающих повреждений.

ДНК способна хранить информацию о первичной структуре белка благодаря особенностям своего строения. ДНК – двойная цепочка, состоящая из нуклеотидов (азотистое основание + дезоксирибоза + остаток фосфорной кислоты), спирально закрученная вправо, при онкологии – влево. Цепочки ДНК расположены антипараллельно. Напротив 3′-ОН конца одной цепочки расположен 5′ конец другой цепочки. Цепочки ДНК комплементарны друг другу. Напротив А одной цепочки находится Т другой, и наоборот. Напротив Ц – Г и наоборот. Азотистые основания соединены друг с другом водородными связями.

5. Свойства генетического кода

Генетический код – система сигналов, кодирующая аминокислоты.

1.Триплетность – три рядом стоящих нуклеотида кодируют одну аминокислоту.

2.Специфичность – каждый триплет кодирует свою аминокислоту.

3.Избыточность – аминокислота может кодироваться несколькими триплетами.

4.Однонаправленность – считка информации происходит только в одном направлении.

5.Неперекрываемость – каждый нуклеотид занимает определённое место в одном триплете.

6.Универсальность – одинаковый для всех живых организмов.

4.Редупликация ДНК (самоудвоение).

Репликация основана на 4-х принципах: 1. комплементарности; 2. антипараллельности; 3. прерывистости; 4. полуконсервативности.

Репликация - сложный процесс, происходящий в несколько этапов при участии ферментов.

1. Разрываются водородные связи между цепочками ДНК.

2. Спецбелки удерживают материнские цепочки от смыкания.

3.Для синтеза дочерних цепочек ДНК необходима РНК-затравка: одна для лидирующей цепи (синтезируется непрерывно) и для каждого фрагмента запаздывающей цепи.

4.Запаздывающая цепь вначале состоит из участков РНК и ДНК, затем РНК-затравки удаляются. На их месте синтезируются участки ДНК, и всё сшивается.

Репарация – способность к самовосстановлению.

Световая репарация. Это явление открыто в опытах на бактериях. Под действием УФ-лучей в ДНК возникают димеры пиримидинов (Т-Т, Т-Ц, Ц-Ц). Если бактерии поместить в темноту – они погибают. На свету под действием ферментов димеры разрушаются, восстанавливается структура ДНК.

Грубые повреждения ДНК под действием радиации и др. ликвидируются благодаря темновой репарации, которая происходит в несколько этапов. Если повреждения не ликвидируются, то возникают генные мутации, которые бывают трех вариантов:

1.миссенс мутация – замена одного нуклеотида на другой.

2.«сдвиг рамки» - вставка или выпадение нуклеотида.

3.нонсенс мутация – не на своё место встаёт стоп-кодон (УАА, УАГ, УГА), который обозначает конец считки информации.

В 1977г. Гильберт установил, что у эукариот в ДНК выделяют структурные гены экзоны - кодирующие аминокислоты, интроны – « молчащие ДНК» и спейсеры

– участки между генами.

ДНК непосредственного участия в сборке белковой молекулы не принимает. ДНК находится в ядре, сборка белковой молекулы происходит на рибосомах в цитоплазме, куда поступает и-РНК и т-РНК с аминокислотами.

7. Биосинтез белка и его регуляция.

Биосинтез белка у эукариот.

1.Транскрипция – синтез и-РНК.

2.Посттранскрипционные процессы (процессинг) – образование зрелой и-РНК.

3.Трансляция – сборка полипептидной цепи.

4.Посттрансляционные процессы.

Синтез и-РНК происходит при участии фермента РНК-полимеразы, которая находит особый участок ДНК промотор, присоединяется к нему и, передвигаясь по цепи ДНК от 3´ к 5´концу, синтезирует по принципу комплементарности и антипараллельности и-РНК. Дойдя до стоп-кодона, фермент прекращает свою работу. Так образуется незрелая и-РНК – первичный транскрипт.

В результате процессинга выщепляются спейсеры и интроны, экзонные участки сшиваются – образуется зрелая и-РНК, на 5´конце которой расположен колпачок (кэп) с помощью которого и-РНК находит малую субъединицу рибосомы. С помощью лидера присоединяется к ней. За лидером расположен стартовый кодон (АУГ), затем кодоны (триплеты нуклеотидов), кодирующие аминокислоты, последним расположен стоп-кодон, за ним поли-адениловая последовательность из остатков адениловой кислоты (до 200 остатков).

Трансляция происходит в 3 этапа на рибосомах:

1.инициация (начало сборки белковой молекулы);

2.элонгация (наращивание цепи);

3.терминация (окончание сборки).

т-РНК доставляют аминокислоты к рибосомам. т-РНК имеет структуру, по форме напоминающую лист клевера. В т-РНК выделяют 3´конец, к которому присоединяется транспортируемая кислота. Средняя петля содержит антикодон - три нуклеотида, комплементарные кодону и-РНК, которые шифруют аминокислоту, транспортируемую данной т-РНК к рибосоме.

Инициация – с помощью колпачка и-РНК находит малую субъединицу рибосомы, с помощью лидера присоединяется к ней. К ним присоединяется большая субъединица. В рибосоме выделяют два участка, связывающие т-РНК, аминоациальный (АЦ) и пептидильный (ПЦ) участки. В АЦ участке находится АУГ. К нему присоединяются т-РНК с аминокислотой – метианином. Происходит передвижка на один триплет. АУГ попадает в ПЦ участок, тогда как в АЦ участке располагается следующий за стартовым кодон.

Элонгация – циклически повторяющиеся события, при которых происходит узнавание антикодоном т-РНК кодона и-РНК, находящихся в АЦ участке, и их комплементарное взаимодействие.

Между двумя аминокислотами, находящимися в АЦ и ПЦ участках, образуется пептидная связь, в результате предыдущая аминокислота теряет связь со своей т-РНК и присоединяется к т-РНК, расположенной в АЦ участке. Т-РНК из ПЦ участка высвобождается и уходит в цитоплазму. Перемещение т-РНК, нагруженной пептидной цепочкой, из АЦ в ПЦ участок сопровождается продвижением рибосомы по и-РНК на один кодон. Так повторяется до тех пор, пока в АЦ не поступит стопкодон, для которого нет т-РНК. Сборка белка осуществляется со скоростью: у эукариот – 2 аминокислоты в секунду, у прокариот – 17 аминокислот в секунду.

Регуляция биосинтеза белка у прокариот. Модель Оперона (модель Жакобо и Моно).

Оперон – участок ДНК, который состоит из промотора (П), оператора (О) и структурных генов (А, В, С).

Работу оперона регулирует белок-репрессор, который присоединяется к оператору и блокирует работу оперона.

Уэукариот регуляция генной активности очень сложна. Большая часть генома

вклетках, находится в неактивном состоянии и только ~10% активны. Какие гены находятся в активном состоянии, зависит от тканевой принадлежности клетки, онтогенеза, периода её жизнедеятельности. Регуляция активности генов может осуществляться на всех стадиях биосинтеза белка, но наиболее экономически выгодно - на стадии транскрипции.

У эукариот не установлена оперонная организация генов. В ДНК имеется несколько областей, которые узнаются несколькими белками– регуляторами. Одной из них является область, расположенная вблизи промотора, другая область – энхансер (усиливать). Эти элементы – последовательности нуклеотидов, которые связываются с белками-регуляторами, и происходит включение или выключение генов.

У эукариот осуществляется генетический контроль, то есть активация небольшой части генома, так как это более экономично, чем репрессия генов. В регуляции биосинтеза принимают участие гистоновые белки, входящие в состав хромосомы. Регуляция может происходить и на других этапах биосинтеза.

Генная инженерия.

1.Цель, задачи и методы генной инженерии.

2.Искусственный синтез гена.

3.Создание рекомбинантных (гибридных) молекул ДНК:

3.1.выделение чужеродной ДНК;

3.2.внедрение чужеродной ДНК в плазмиду;

3.3.трансформация рекомбинантных плазмид в бактериальные клетки;

3.4.клонирование и скрининг клонов;

3.5.молекулярная гибридизация.

4.Достижения генной инженерии.

1.Цель, задачи и методы генной инженерии.

Генная инженерия – область молекулярной биологии и генетики, задачей которой является конструирование генетических структур по заранее намеченному плану, создание организмов с новой генетической программой.

Основные методы генной инженерии были разработаны в 60-80е г.г.

ХХв.. Они включают 3 основные этапа:

1.получение генетического материала; либо искусственный синтез генов, либо выделение природных генов;

2.включение этих генов в векторную молекулу, т.е. в автономно реплецирующуюся генетическую структуру, и создание рекомбинантной молекулы ДНК;

3.введение векторной молекулы с включенным в нее геном в клетку реципиент, где она встраивается в хромосомный аппарат. Экспериментальный перенос генов в другой геном называется трансгенезом.

2.Искусственный синтез гена.

Известны 2 пути искусственного синтеза генов:

1.химический;

2.ферментативный.

Для химического синтеза необходимо иметь полностью расшифрованную последовательность нуклеотидов. Последовательность нуклеотидов в ДНК определяют по и-РНК.

Впервые в 1970г. в США индийский ученый Корана осуществил искусственный синтез гена. Но этот ген не работал инвитро (в пробирке). Причиной являлся синтез только структурной части гена (в нем не было регуляторной части).

В 1976г. был синтезирован ген, состоящий не только из структурного участка, но и регуляторных частей. Этот искусственный ген был введен в

бактерию и функционировал в ней как природный. Химическим путем можно синтезировать небольшие по размеру гены прокариот. Синтез генов эукариот, состоящих из 1000 и более нуклеотидов путем химического синтеза создавать не удается. Кроме этого это метод очень трудоемкий и практически не применяется на практике.

Наиболее успешным оказался ферментативный синтез. Это метод поколебал центральную догму молекулярной генетики, утверждающую, что считка информации происходит в направлении ДНК → и-РНК → белок.

Оказалось, что РНК может быть предшественником ДНК. Подобное наблюдается у онкогенных РНК содержащих вирусов. С РНК вируса,