Лекция №1

Структурно-функциональная организация наследственного материала и его реализация в признак

Основополагающими являются законы Менделя. Важность его открытия не была оценена, однако через 35 лет в 1900 году учеными Де Фризом, Корренсом (открыл явление цитоплазматической наследственности) и Чермаком были подтверждены его исследования. Чермак и Де Фриз подтвердили закономерности наследования признаков. После работ Де Фриза, Корренса, Чермака появилась новая терминология – сама наука начала называться генетикой, а менделеевскую единицу наследственности Иогансен назвал геном.

В 1909 году Морган (основоположник генетики, обосновал хромосомную теорию наследственности), Бриджес, Миллер сформулировали хромосомную теорию наследственности.

В начале 20 века Белозерский (доказал, что в состав хромосом входит ДНК), Надсон и Филлипов впервые получили искусственные мутации. Николай Тимофеев-Ресовский вместе с Дельбрюком определил площадь гена (10^-8 м²). Николай Кольцов – руководитель школы генетиков в 30е годы. Четвериков изучал мутации. Николай Вавилов собрал величайшую коллекцию растений и вывел закон гомологических рядов, устанавливающий параллелизм в изменчивости организмов (все организмы имеют сходные мутации).

С 1940 по 1956 генетика в СССР была запрещена (период отрицания существования генов и хромосом, причина – Лысенко).

В настоящее время генетика занимается исследованием признаков на молекулярном уровне.

Существуют три этапа развития генетики:

1. Исторический – наследование на организменном уровне (Мендель)

2. Клеточный (Томас Морган)

3. Молекулярный уровень

История открытия химической природы ДНК:

В 1928 году Гриффит провел эксперементы по заражению мышей пневмококком. Он взял 2 штамма – S штамм (патогенный) и R штамм (непатогенный) и нагреванием добился того, что гены S штамма стали непатогенными, однако смесь генов вызывала пневмонию. Он назвал это явление трансформацией.

Эйвери (основоположник молекулярной генетики), МакЛеод и Маккарти установили трансформационную теорию агента. Последующие опыты ученых на бактериях доказали, что носителем генетической информацией является ДНК, а не белки, жиры и углеводы. Доказано, что белок является главным материальным носителем, а синтез белка находится под влиянием генов.

В 1951 году Чаргаф впервые открыл нуклеотидный состав ДНК.

В 1953 году Джеймс Уотсон (биохимик) и Френсис Крик (физик) в лаборатории сформулировали строение ДНК.

ДНК имеет форму спирали и состоит из двух цепей, которые, в свою очередь, состоят из азотного основания (аденина,гуанина (пуриновые) или тимина, цитозина (пиримидиновые)), дезоксирибозы и остатка фосфорной кислоты. ДНК является полинуклеотидом. При полном гидролизе расщепляется до пуриновой или пиримидиновой кислоты, дезоксирибозы и фосфорной кислоты. В сопряжении А-Т - 2 связи, в Г-Ц - 3. Процесс удвоения ДНК называется редупликацией.

Первичная структура ДНК – ковалентная, вторичная – водородная. Третичная структура - правильная спираль, расстояние между нитями - 3,4 нм, в каждый виток входит 10 пар нуклеотидов. Диаметр молекулы – 2 нм.

Функции ДНК:

1. Гетерокаталитическая (контроль над синтезом полипептидов)

2. Аутокаталитическая (редупликация)

Свойства ДНК:

1. Содержание генетическую информацию посредством записи генетического кода

2. Передача информации благодаря репарации

3. Изменение наследственной информации благодаря кроссинговеру и мутации

РНК – одноцепочная молекула. В составе - рибоза, остаток фосфорной кислоты, азотные основания (вместо тимина – урацил).

Типы РНК:

• про-иРНК (переписывает всю информацию с генов, содерит смысловую и несмысловую информацию)

• иРНК (образуется в ядре в результате процессинга (вырезания несмысловых участков, врезание смысловых), состоит из 80-100 нуклеотидов)

• рРНК (синтезируется в области вторичной перетяжки хромосом)

• вирусная РНК

Лекция №2

Генный уровень организации наследственной информации

В 20 веке начался новый этап развития генетики – этап установления роли ДНК как хранителя и переносчика генетической информации.

Генетический код открыл русский математик Георгий Гамов.

Аминокислота кодируется тремя нуклеотидами. В 1962 году Ниренберг, Маттей, Очоа определили триплеты для всех 20 аминокислот. Способность одного триплета кодировать определенную аминокислоту называют специфичностью.

Крик и Бреннер доказали, что 3 из 64 кодонов являются бессмысленными: УАА, УАГ, УГА. Наличие их свидетельствует о прекращении процесса биосинтеза белка (это стоп-кодоны). Таким образом, они определяют границу между генами, передают сигнал для транскрипции.

Изучение ДНК доказало, что генетический код универсален. Генетический код – это единая система записи наследственной информации в молекулах нуклеотидов, которые соответствуют последовательности аминокислот в полипептидах. Гены представляют собой полинуклеотидные цепи. Совокупность генов в клетке называется геномом.

До 1996 ученые не могли изучить организм целиком. Геном человека - наиболее яркое достижение науки конца 20 - начала 21 века. Секвенирование - изучение порядка расположения генов.

Расшифровка генома человека - итог работы ученых 1996 – 2003 годов по программе «Геном человека». Джеймс Уотсон был вдохновителем программы, далее руководителем стал Френсис Коллинс. В программе участвовали многие страны, кроме СССР. В апреле 2000 года КрейгВентер сообщил о завершении программы «Геном человека». Секвенирование 1/3 части генома было завершено в 2000 году, а всего генома в 2003 году.

Размер генома составляет около 3 миллионов полинуклеотидных оснований. Ген - единица транскрипции, которая может транскрипцироваться в одну или несколько аминокислотных последовательностей (всего 60-70 тысяч). Идентифицировано 11 тысяч генов, из которых 6 тысяч транскрипцируются на хромосомах. Клонированы и исследуются гены 330 наиболее частых и 170 более редких наследственных болезней. Одновременное секвенирование обрезков ДНК с последующей обработкой данных позволяет расположить участки в правильной последовательности. Наличие фрагментов открывает возможность для картинирования мультифакторных заболеваний (опухоли, сердечно-сосудистые заболевания).

Геномы всех людей (кроме однояйцовых близнецов) различны. Основная задача программы геном – определение последовательности нуклеотидов – выполнена.

В 50 годы 20 века Бидл и Татум определили ген как фрагмент ДНК, ответственный за синтез одного белка. В 1998 году Инге-Вечтомов определил ген как копируемый на хромосомах локус, ответственный за тот или иной фенотипический признак.

В молекулярной биологии ген рассматривается как фрагмент ДНК, соответствующий определенной единице транскрипции.

В программе геном ген – единица транскрипции в одну или несколько последовательностей (Филдс, 1994).

Классификация генов:

1. РНК-кодирующие

   1. тРНК

   2. регуляторные РНК

2. Протеин-кодирующие

   1. Гены домашнего хозяйства (отвечают за метаболизм)

   2. Гены терминальной дифференцировки

   3. Транскрипционные факторы SRY

3. Митохондриальные гены

РНК-кодирующие гены отвечают за синтез ДНК, обеспечение сплайсинга (вырезание несмысловых участков), синтез рибосом, процессы трансляции, дают информацию для синтеза тРНК, рРНК, яРНК. Эти гены обладают регуляторным действием.

Протеин кодирующие – гены домашнего хозяйства (отвечают за метаболизм, дыхание), гены специальных функций (отвечают за кодирование белков и определения их основной функции (например, гемоглобин в эритроцитах и мышечные белки)).

95% ДНК находится в ядре, 5% - в многочисленных митохондриях (примерно 1000 в клетке). Митохондрии - двумембранные органоиды, отвечающие за дыхание и энергетические процессы, позволяют проследить филогенез материнской клетки.

мРНК - двухцепочная кольцевая молекула, меньше чем яРНК. Особенности белка митохондрий – отсутствие связи с гистонами.

Гены кодируются яРНК (хранитель информации). мяРНК были открыты в 21 веке, они помогают удалять интроны из про-РНК. Экзоны никогда не разобщаются, они соединяются с помощью молекул мяРНК, которая играет роль матрицы, взаимоудерживающей экзоны рядом.

В 1965 году была присуждена нобелевская премия Моно и Жакобу за открытие непостоянного действия генов в ходе эксперимента: кишечную палочку поместили на глюкозу и лактозу (рост заканчивался, когда заканчивалась глюкоза), однако через определенный промежуток времени палочка вновь начинает активно жить. Она питалась глюкозой, когда её съедала, выделялся фермент, который расщеплял лактозу, и кишечная палочка начинала питаться ей. В какой-то период времени гены не работали, включались только, когда кишечная палочка попадала в среду, где отсутствовала глюкоза.

Моно и Жакоб доказали, что гены не всегда работают, включаются, когда организм попадает в неблагоприятные условия. Они разработали структуру оперона (участка ДНК, где имеется группа генов, которые контролируются единым образом): оперон состоит из структурных и регуляторных генов.

Синтез белка находится под двойным контролем. Репрессия – подавление действия гена. Дерепрессия - включение действия гена. В опытах были изучены основы регуляции, генной репрессии, активность генов. Ген работает не всегда, у каждого гена есть время действия и место действия.

Лекция №3

Хромосомный и геномный уровни организации

Генетический материал эукариот имеет сложную надмолекулярную организацию, основной компонент – хромосома (термин введен в 1888 году Валдейером).

В 1972 году Кольцов писал: «в основе каждой хромосомы лежит тончайшая нить, которая представляет собой спиральный ряд молекул генов или является 1 гигантской молекулой».

Хромосома – нуклеопротеид, основой которого служит ДНК-гистон. Из двух компонентов хромосом, ДНК наиболее устойчива, гистоны постоянно обновляются. ДНК с гистонами связана ионными связями.

Количество ДНК на клетку для организмов 1 вида является величайшей постоянной. Количество ДНК в соматических клеток превосходит вдвое количество ДНК в яйцеклетках и сперматозоидах.

Каждая из хромосом имеет индивидуальную форму и соединение. Сохраняет полноту ген информации, хромосомы меняют длину в зависимости от клеточного цикла. Они максимально вытянуты в интерфазе, а в метафазе – максимально сокращены (путем спирализации). Хромосома – большая нить огромной поверхностью. При переходе от интерфазы к метафазе нарастает спирализация и упаковка хромосом.

1966 – Сассаки и Норманн выделили деспирализованную интерфазную хромосому из клеточного ядра человека, её длина - 7,5см. Передать такую нить из материнской в дочернюю невозможно. Преобразование интерфазной хромосомы. Которая идет во всей профазе митоза осуществляется от упакованной.. В результате самая крупная хромосома в кариотипе=6-8микрон. Таким образом, происходит уменьшение длины хромосомы в 10 тысяч раз. В профазе хромосомы виде структурной оформленных образований. В метафазе хромосомы принимают индивидуальную форму в экваториальной пластинке. Хромосома из2 сестринских хроматид, связанных центромерой. Центромера соединяет содержащую в хромосоме молекулу ДНК с митотическим веретеном. Центромера(кикитохор)-роль в осуществлении процесса расхождения сестринских хроматид. Хромосома – удлиненная палочковидная структура с 2 плечами. На конце-теломера(ее кольцевые участки имеют связь с делением). Центромера может находиться в разном положении в хромосоме. Метацинтрические ( по середине), акроцентрические (смещена от центра), субметацинтрические (сильно смещены), телоцентрические (1 перетяжки не хватает), спутничная (1 перетяжка,а 2 перетяжка со спутником)

В хромосоме иметься эу-и гетерохроматиновые участки. Участки эухроматина плохо воспринимают красители, в них записана вся ген информация организма в дисперимизов виде). Гетеро- :хорошо воспринимает красители в спирализ-м состоянии. Не явл-я ген информацией, не транскрибируеться. Изучение и анализ их показал, что для каждого вида характерно число 46 хромосом.

Парность: 23 пары хромосом. Гомологи(парные хромосомы) имеют одинаковое строение и число генов. 1 хромосома отца, другая-матери. Большое значение ауторепродукция хромосом (воспроизведение самой себя). Ген информация 2х дочерних клеток возникает путем деления материнских. Она происходит в синтетический период интерфазы.

Навашин и Левицкий – кариотип (совокупность числа и величины хромосом)-ген критерий вида. 1956г – Гу и Ливан определили, что нормальный кариотип=46 хромосом. Это открытие подтолкнуло к классификации хромосом, все уточнялось. На международных совещаниях Дервин, Лондон(1963), Чикаго(1966)-согласно конференций хромосомы располагаются в порядке уменьшения длины. Все разделены на 7 групп, обозначены английскими буквами. Все пары хромосом пронумерованы арабскими цифрами. Это классификация используется для системы описания человека в норме и по патологии.

Группа А – самый большие в кариотипе.

Хромосома 1 – 10% генома человека. Число генов – 3000. Более 160 генов связаны с разнообразными заболеваниями (Гаше, рак протоков молочной железы, катаракта, лейкемия, рак простаты, атеросклероз)

Хромосома 2 – меньше чем I. Тем не менее число заболеваний, связанных с мутациями в генах большое (цисцинурия, диабет, рак прямой кишки, ожирение, трубофлибия, аутосомно-рецессивная глухота, дистрофия мышц)

Хромосома 3 – гены связаны более чем 90 различными заболеваниями – кардиомиопатия, рак прямой кишки, лейкоз, миотоническая дистония, шизофрения)

Группа В - 2 пары крупных субметцентрических хромосом

Хромосома 4 – общее число генов ниже среднего. С этой хромосомой связана болезнь Паркинсона, фенилкетонурия, иммунный дефицит, склонность к алкоголизму.

Хромосома 5 – с генами связаны заболевания – мегапластическая анемия, коллатеральный рак, дистрофия роговицы, аутосомно-доминантная глухота, астма)

Группа С – самая большая, субметоцентричские и Х-хромосомы, определяя пол ребенка.

Хромосома 6 – диабет, лейкимия, тромбофилия, б.Паркинсона, чувствительность к туберкулезу.

Хромосома 7 – хронический грамалатоз, рак прямой кишки, вялая кожа, карликовость, панкреотит, б. коронарных артерий

Хромосома 8 – число генов мало. Мутации приводят – хондросапрома, эпилепсия, атеросклероз

Хромосома 9 – альбинизм, галактозимия, меланома, дистония, рак.

Хромосома 10 – кардиомиопатия, почечная гиперплозия, лейкимия, глиобастома, катаркта, шизоэнцефалия

Хромосома 11 – альбинизм, рак груди, глухота, иммунодефицит, мужское бесплодие, телосимия, остеропороз

Хромосома 12 – неравномерно распределены – эмфизема легких, неопатия, фенилкетонурия, синдром слезных желез

Группа D – акроцентрические хромосомы средних размеров. Характерно нарушение числа и структур

Хромосома 13 – гены синверованы недостаточно! Бедна генами – рак мочевого пузыря, глухота, недостаточность к свертыванию крови, рак поджелудочной железы

Хромосома 14 – гены важные для имуннойй системы. С мутациями связаны б. Альцгеймера, кардиомиопатия, фенилкетонурия

Хромосома 15 – не полностью секвенирована – альбинизм, синдром Байтера, Блюма, гипомилоноз, гененомастия.

Группа Е – средние, метацентрические(16,17), акроцентрические.

Хромосома 16 – рак желудка, лейкимия, полинистозная б.почек, мукополисахаридоз

Хромосома 17 – много генов: рак груди, прямой кишки, диабет, анемия, рак языка, лейкимия, дистрофия, рак яичника

Хромосома 18 – мутации в генах мало: амилоидоз, рак прямой кишки, поджелудочной железы, лимфома

Группа F - маленькие

Хромосома 19 – наиболее богата г=-ц парами нуклеотиды, иметься последовательности гомологичные на 16 хромосоме. Патологии: рак прямой кишки, атеросклероз

Хромосома 20 - 2% генома. Ожирение, экзема, слабоумие, катаракта, болезни сердца

Группа G + Y-хромосома

Хромосома 21 – 200 генов маленькие. При наличии 3 коний: б.Дауна, синдром Оушена

Хромосома 22 – нерасшифровано около 3% (I секвенирована) – шизофрения, б. Паркинсона, трисомия и моносамия, обмен хромосом

Х-хромосома (в норме ХХ)

Y-хромосома – 100 генов(мало). Объем мутаций в 100 раз выше, чем в Х. Содержаться гены, отвечающие за дифференцировку мужского пола. Ген SRY(ген самцовости) кодирует белок, ктр включает в работу многие гены других хромосом. Вызывает каскад биохимических реакций – образование яичек – синдром Мориса

Лекция №4

Воспроизведение на молекулярном и клеточном уровнях

Актуальность определяется тем, что современные данные по структуре ДНК человека достаточны для понимания всех главных особенностей. В настоящее время не требуется доказательств, что почти все свойства живых организмов такие как активный перенос через клеточные мембраны, передача нервного импульсамогут быть поняты на молекулярном уровне. Центральными явлениями в процессе воспроизведения живого является аутрепродукция: ДНК,…Все эти являются направлены на то, чтобы дочерние клетки получили всю долготу.

Принципы самопроизведения ДНК заложена основа устойчивого сохранения всей специфики ген информации данного виды информации.

Воспроизведение днк

Для осуществления аутрепродукции необходимы ферменты 4 типов нуклеотидов для полимерации полинуклеотидной цепи, энергия. Синтез ДНК идет с затратой энергии, поэтому он не может состояться при использовании простых нк – они должны быть обогащены энергией ( присоединения пирофосфата АТФ – фосфолирование). АТФ-аккумулятор и переносчик энергии имеет адениновую кислоту, в составе нуклеиновых кислот. От АТФ выпадает фосфорный остаток, который переноситься на другую кислоту, которая является основой А,Т,Г,Ц.

Согласно модели Уотсона и Крика(полуконсервативный метод)разрыв между водородными связями воды к одноклеточным. В результате разрыва водородных связей образуется 2 цепочечный полинуклеотид – каждая из них становиться матрицей для новой цепи. Репликация ДНК сов-ся в 2 этапа:

1.Раскручивание и разделение

2.Каждая цепь действует как матрица, действующая как 2 ДНК.

1958 – Мэссельсон и Сталь подтвердили гипотезу Уотсона и Крика-кишечная палочка. Прослеживая изменение, происходящее в палочке они полностью доказали правильность гипотезы о полуконсервативном способерепликации ДНК. В процессе репликации ДНК работает фермент ДНК-полимераза. Кормберг обнаружил фермент, способный синтезировать ДНК-полимеразу.

1959 - Кормберн и Очуа получили Нобелевскую премию за открытие биомеханизма синтеза ДНК и РНК. Этот синтез невозможен без высокомолекулярной ДНК-затравки. ДНК-полимераза не может определить ДНК нуклеотида, она способна регулярной.. фермент может работать в присутствии ДНК-затравки, которая определяет порядок расположения нуклеотид в продуктах синтеза.

Фрагмент ДНК от 1 точки до другой образует единицу репликации – репликон. Спираль род-й ДНК распределяется и потом разделяется. Область распределения полицепей – репликационная вилка. В каждой области при участии фермента к освобод-ся связям присоединяться свободные нуклеозитриптофазы из нуклеоплазмы. В синтезе инвитро было установлено, что комплементарные нити ДНК синтезируются в противоположных направлениях. И каждый тип ДНК имеет уникальную динукл-ю последовательность – 1 из 2 репликационной цепей репликируются непрерывно и синтез быстрей – лизирующая. Синтез другой медленный, так как из отдельных фрагментов – запаздывающая(рестриктаза разрезает, объединение реплик-м фрагментов в единое целое с помощью ДНК-лигазы-сшивает)

1970 – I рестриктаза. 1978 – Нобелевская премия Натансу, Смит, Арбер за открытие фермента. Вэсрих открыл фермент днк-лигазу.

Синтез ДНК инвитро – биологический процесс. Подтверждаеться гипотеза Уотсона и Крика о структуре хром ДНК после разделения мышцы. Репликация я-РНК происходит в синтезируемый период интерфазы. Аутрепродукция хромосом и деление клетки направлены на то, чтобы дочерние клетки получили всю информацию в клетке. Чередование – основа клеточного цикла (повторение событий, занимаемый определенное время). Клетка делиться примерно 50 раз и отмирает.

Клеточный цикл состоит из 3 стадий:

Интерфаза: G1(пресинтетический), S(синтетический), G2(постсинтетический)

Митоз:

Профаза – длительна. Интерфазные деконденсированные и репликационные нити хромосом, нити проходят в компактную форму. Образование аппарата веретена деления (выстраивание d-хромосом из 2х сестринских хроматид)

Метафаза – хромосомы состоят из 2х хроматид. Выстраиваеться на экваторе клетки, формируя метафазную пластинку

Анафаза – расщепление центромерной области каждой S-хромосом – полностью разделяеться (каждая по 46 хромосом в дочерних)

Телофаза – у каждого полюса – деспирилизация хромосом в обратном порядке от хромосомного уровня. Наследственное в-во принимает вид упаковок. Образование ядрышка\. Ядерной оболочки в ядре парноплазмы. Цитокинез – деление цитоплазмы.

Роль митоза: 2 дочерние клетки, что и материальная. Механизм поддержания гомеостаза(способность организма сохранять равновесие среды в условиях изменяющихся условий среды)

Здоровье поддерживается за счет гомеостаза. Нарушение – дисгомеостаз, болезнь