Биология человека

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Важнейшим научным доказательством единства всего живого послужила клеточная теория Т. Шванна и М. Шлейдена (1839)

Основные положения:

· Клетка является общим структурным элементом животных и растений. Этот элемент - единица строения организмов.

· Существует универсальный путь развития всех организмов, он заключается в клеткообразовании. Принципы клеткообразования являются основой клеточной теории.

· Клетки растений и животных гомологичны по своему строения и происхождению.

· Клетки являются неким индивидуумом, элементарной биологической единицей.

Современное состояние клеточной теории:

· Клетка - элементарная единица всех существующих биосистем.

· Клетки возникают из клеток путем митоза, т. о. митоз есть универсальный способ клеткообразования у всех организмов на земле.

· Все клетки у всех имеющихся в природе организмов являются гомологичными образованиями, т. к. для них характерен единый план строения и путь образования.

· Важным доказательством гомологичности клеток является принципиальное сходство в них метаболических, энергетических процессов, а также информационной взаимодействие, в частности и генетического кода. Генетический код универсален.

· Клетка является важным этапом в развитии биологических систем из небиологических компонентов, от неживого к живому.

· Клетки обладают важным свойством - способностью к многоклеточности, что служит основой для возникновения организменного уровня организации.

· В процессе фило- и онтогенеза клетки гомологичны, но постепенно перестают быть аналогичными, следствием чего является дифференциация и специализация клеток.

Дифференциация и специализация клеточных структур это один из основных механизмов индивидуального развития биосистем, в т. ч. организма. Несмотря на дифференциацию и специализацию клеток многоклеточный организм представляет собой сложноорганизованную интегрированную систему, состоящую из функционирующих и взаимодействующих между собой клеток. Организм не представляет собой простую сумму клеток, а их единство в целом. Свойства организма не объясняются свойствами составляющих его клеток. В жизнедеятельности клеток принимают участие ядро и цитоплазма. Но в жизни клеток очень важная роль принадлежит компартментации ее содержимого. Разнокачественные клетки в организме образуют структурно-функциональные единицы органов и тканей, выполняющих органные и тканевые функции. В генетическом аппарате клетки находятся единицы наследственности (гены).

Существование в природе вирусов подтверждают универсальность клеточного строения организма, т. к. вирусы неспособны к самостоятельному функционированию, они ведут паразитический образ жизни. Изучение общей ультраструктурной организации клеток и ее процессов, а также закономерностей клеткообразования, взаимодействия между клетками, клеточного гомеостаза существенно укрепило значение клеточной теории.

Клетка - важнейшая составляющая часть живых организмов, их главный морфофизиологический компонент. Клетка - это основа многоклеточного организма, место протекания биохимических и физиологических процессов в организме. На клеточном уровне в конечном итоге происходят все биологические процессы. Клеточная теория позволила сделать вывод о сходстве химического состава всех клеток, общем плане их строения, что подтверждает филогенетическое единство всего живого мира.

2. Формы клеточной и доклеточной организации жизни на земле. Сходство и различие про и эукариот. Вирусы, вироиды. Их характеристика и медицинское значение

Все живые организмы на Земле принято подразделять на доклеточные формы, которые не имеют типичного клеточного строения (это вирусы и бактериофаги), и клеточные, имеющие типичное клеточное строение. Эти организмы в свою очередь подразделяют на две категории:

1) доядерные прокариоты, которые не имеют типичного ядра. К ним относят бактерии и сине-зеленые водоросли;

2) ядерные эукариоты, которые имеют типичное четко оформленное ядро. Сходство и отличия

Вирусы: Вирусы являются возбудителями многих опасных заболеваний человека, животных и растений. В то же время, вирусы - возбудители заболеваний у нежелательных для человека организмов («враги наших врагов»). Они передаются при непосредственном физическом контакте, воздушно-капельным, половым путем и другими способами. Вирусы могут также переноситься и другими организмами (переносчиками). Вирусы, вироиды широко используются как объекты молекулярно-генетических исследований. В генной инженерии вирусы применяются для переноса генетического материала.

Вироиды - инфекционные агенты, представляющие собой низкомолекулярную одноцепочечную кольцевую РНК, не кодирующую собственные белки.

3. Основные химические компоненты клетки, роль макро- и микроэлементов в жизнедеятельности организма

Химические компоненты клетки: Живые организмы - это автономные самовоспроизводящиеся химические системы. Они построены из специфического и вместе с тем ограниченного набора углеродсодержащих малых молекул, как правило, одних и тех же для всех видов живых существ. Основные группы этих молекул представлены сахарами, жирными кислотами, аминокислотами и нуклеотидами. Сахара служат важнейшим источником энергии для клеток и запасают ее, образуя резервные полисахариды. Жирные кислоты, как и сахара, имеют важное значение для запасания энергии, но самая главная их функция - образование клеточных мембран. Полимеры, построенные из аминокислот, представлены удивительно разнообразными и многофункциональными молекулами белков. Нуклеотиды участвуют во внутриклеточной передаче сигналов и играют центральную роль в переносе энергии, однако их уникальное значение состоит в том, что они являются субъединицами информационных молекул РНК и ДНК.

Роль макро- и микро-элементов:

Макроэлементы - химические элементы, содержание которых исчисляется в организме человека граммами. К макроэлементам относят кальций, фосфор, магний, калий, хлор, железо и др. Потребность организма в минералах-макроэлементах велика.

Микроэлементы - это цинк, медь, йод, фтор и прочие. Их количество в организме измеряется в микрограммах.

Макро- и микроэлементы обеспечивают нормальную работу главных систем организма (мышечной - участвуют в процессе сокращения мышц, пищеварительной и сердечно-сосудистой). Их нехватка или полное отсутствие могут привести как к серьезным заболеваниям, так и к гибели организма

4. Клеточные органеллы, их структура и роль

Органелла	Строение	Функции	Структура	Организмы	Заметки
Эндоплазматический ретикулум	Система разветвленных каналов, цистерн (вакуолей), пузырьков, создающих подобие рыхлой сети в цитоплазме. Стенки каналов и полостей образованы элементарными мембранами	Трансляция и свёртывание новых белков (гранулярный эндоплазматический ретикулум), синтез липидов (агранулярный эндоплазматический ретикулум)	Одномембранная	Эукариоты	На поверхности гранулярного эндоплазматического ретикулума находится большое количество рибосом, свёрнут как мешок; агранулярный эндоплазматический ретикулум свёрнут в трубочки
Аппарат Гольджи	система плоских дисковидных замкнутых цистерн, которые располагаются одна над другой в виде стопки и образуют диктиосому. От цистерн отходят во все стороны мембранные трубочки и пузырьки	сортировка и преобразование белков	Одномембранная	все эукариоты	асимметричен - цистерны, располагающиеся ближе к ядру клетки (цис-Гольджи) содержат наименее зрелые белки, а от транс-Гольджи отпочковываются пузырьки, содержащие полностью зрелые белки
Митохондрия	неотъемлемые компоненты всех эукариотических клеток. Они представляют собой гранулярные или нитеподобные структуры толщиной 0,5 мкм и длиной до 7-10 мкм. Митохондрии ограничены двумя мембранами - наружной и внутренней. Между внешней и внутренней мембранами имеется так называемое перимитохондриалъное пространство, которое является местом скопления ионов водорода Н+ Наружная митохондриальная мембрана отделяет ее от гиалоплазмы.	Энергетическая	Двумембранная	большинство эукариот	имеют свою собственную митохондриальную ДНК; предполагают, что митохондрии возникли в результате симбиогенеза
Вакуоль	крупные мембранные пузырьки или полости в цитоплазме, заполненные клеточным соком. Вакуоли образуются в клетках растений и грибов из пузыревидных расширений эндоплазматического ретикулума или из пузырьков комплекса Гольджи. Содержимое вакуолей -клеточный сок. Он представляет собой водный раствор различных неорганических и органических веществ.	запас, поддержание гомеостаза, в клетках растений- поддержание формы клетки (тургор)	Одномембранная	эукариоты, более выражена у растений
Ядро	Ядро состоит из хроматимна, ямдрышка, кариопламзмы (или нуклеоплазмы) и ядерной оболочки.	Хранение ДНК, транскрипция РНК	Двумембранная	все эукариоты	содержит основную часть генома
Рибосомы	мельчайшие сферические гранулы диаметром 15-35 нм, являющиеся местом синтеза белка из аминокислот. Они обнаружены в клетках всех организмов, в том числе про-кариотических. В состав рибосом входит множество молекул различных белков и несколько молекул рРНК. Полная работающая рибосома состоит из двух неравных субъединиц (рис. 1.15). Малая субъедин ица имеет палочковидную форму с несколькими выступами. Большая суб-единица похожа на полусферу с тремя торчащими выступами. При объединении в рибосому малая субъединица ложится одним концом на один из выступов большой субъединицы. В состав малой субъединицы входит одна молекула РНК, в состав большой - три.	синтез белка на основе матричных РНК при помощи транспортных РНК	РНК/белок	эукариоты, прокариоты
Везикулы	относительно маленькие внутриклеточные органоиды, мембрано-защищенные сумки, в которых запасаются или транспортируются питательные вещества. Везикула отделена от цитозоля минимальным липидным слоем.	запасают или транспортируют питательные вещества	Одномембранная	все эукариоты
Лизосомы	это мембранные пузырьки величиной до 2 мкм. Внутри лизосом содержатся гидролитические ферменты, способные переваривать белки, липиды, углеводы, нуклеиновые кислоты. Лизосомы образуются из пузырьков, отделяющихся от комплекса Гольджи.	мелкие лабильные образования, содержащие ферменты, в частности гидролазы, принимающие участие в процессах переваривания фагоцитированной пищи и автолиза (саморастворение органелл)	Одномембранная	большинство эукариот
Центриоли (клеточный центр)	представляют собой полые цилиндры длиной не более 0,5 мкм. Они располагаются парами перпендикулярно одна к другой. Каждая центриоль построена из девяти триплетов микротрубочек.	Центр организации цитоскелета. Необходим для процесса клеточного деления (равномерно распределяет хромосомы)
Меланосома	Меланосомы строят липидную мембрану в основном в виде колбасоподобных или сигарообразных форм. Форма зависит от вида, а также от типа меланоцита.	хранение пигмента	Одномембранная	животные
Миофибриллы	нитевидная структура, состоящая из саркомеров. Каждый саркомер имеет длину около 2 мкм и содержит два типа белковых филаментов: тонкие миофиламенты из актина и толстые филаменты из миозина. Границы между филаментами (Z-диски) состоят из особых белков, к которым крепятся концы актиновых филаментов. Миозиновые филаменты также крепятся к границам саркомера с помощью нитей из белка титина (тайтина). С актиновыми филаментами связаны вспомогательные белки - небулин и белки тропонин-тропомиозинового комплекса.	Сокращение мышечных волокон	сложно организованный пучок белковых нитей	животные

5. Хромосомы, их форма, строение, химический состав, биологическая роль. Строение и функции интерфазных и метафазных хромосом

Хромосомы- нуклеопротеидные структуры в ядре эукариотической клетки, в которых сосредоточена большая часть наследственной информации и которые предназначены для её хранения, реализации и передачи. Хромосома может быть одинарной (из одной хроматиды) и двойной (из двух хроматид). Хроматида - это нуклеопротеидная нить, половинка двойной хромосомы.

Участки хромосомы

Рис.1.Строениенормальнойхромосомы. А - внешний вид; Б - внутреннее строение: 1-первичная перетяжка; 2 - вторичная перетяжка; 3 -спутник; 4 - центромера.

Центромера (первичная перетяжка) это место соединения двух хроматид; к центромере присоединяются нити веретена деления. По сторонам от центромеры лежат плечи хромосомы. В зависимости от места расположения центромеры хромосомы делят на равноплечие (метацентрические), неравноплечие (субметацентрические), палочковидные (акроцентрические) - имеется только одно плечо.

Вторичная перетяжка - ядрышковый организатор, содержит гены рРНК, имеется у одной - двух хромосом в геноме.

Теломеры - концевые участки хромосом, содержащие до 10 тысяч пар нуклеотидов с повторяющейся последовательностью ТТАГГГ. Теломеры не содержат генов, они защищают концы хромосом он действия нуклеаз - ферментов, разрушающих ДНК обеспечивают прикрепление концов хромосом изнутри к ядерной оболочке защищают гены от концевой недорепликации.

Форма хромосомы.

В зависимости от расположения первичной перетяжки хромосомы подразделяют на:

- метацентрические (оба плеча равной или почти равной длины),

- субметацентрические (плечи неравной длины) и

- акроцентрические (центромера смещена на конец хромосомы).

Химический состав хромосом

Хромосомы - нуклеопротеидные образования, состоящие из ДНК и белка. Кроме того, в хромосомах присутствует некоторое количество РНК, образующейся при транскрипции, и ионы Са+ и Mg+. Каждая хроматида, а в промежутке времени анафаза- S -период интерфазы и хромосома, содержит одну молекулу ДНК, которая определяет все функции хромосомы, связанные с хранением наследственной информации, её передачей и реализацией. Молекула ДНК в хромосомах тесно связана с двумя классами белков- гистонами (основные белки) и негистонами (кислые белки). Гистоны - это небольшие по величине белки с высоким содержанием заряженных аминокислот (лизина и аргинина). Суммарный положительный заряд позволяет гистонам связываться с ДНК независимо от нуклеотидного состава. Им принадлежит в основном структурная функция. Это очень стабильные белки, молекулы которых могут сохраняться в течение всей жизни клетки. В эукариотической клетке присутствуют 5 типов гистонов, которые распределяются на две основные группы: первая группа (их обозначают как Н2А, Н2В, НЗ, Н4), отвечает за формирование специфических дезоксирибонуклеопротеидных комплексов - нуклеосом. Вторая группа гистонов (HI) располагается между нуклеосомами и фиксирует укладку нуклеосомной цепи в более высокий уровень структурной организации (супернуклеосомную нить). Среди гистоновых белков, кроме структурных, встречаются такие, которые способны ограничивать доступность ДНК для ДНК - связывающих регуляторных белков и тем самым участвовать в регуляции активности генов. Негистоновые белки весьма разнообразны. Число их фракций превышает 100. Они присутствуют в меньших количествах в хромосомах в сравнении с гистонами и выполняют в основном регуляторную функцию. Участвуют в регуляции транскрипционной активности генов, в обеспечении редупликации и репарации ДНК. Большинство негистоновых белков хроматина присутствуют в клетках в небольшом количестве (минорные) - это регуляторные белки, узнающие специфические последовательности ДНК и связывающиеся с ними. Они вовлечены во многие генетические процессы, но известно о них пока что немного. Количественно преобладают негистоновые белки (мажорные), высокоподвижные, относительно малого размера, с большим электрическим зарядом - они всегда соединяются с нуклеосомами, содержащими активные гены. Кроме того, в группу негистоновых белков входит много ферментов.

Биологическая роль:

- хромосомы являются носителями наследственной информации

- хранит, реализует и передает наследственную информацию.

Строение и функции интерфазных и метафазных хромосом.

хромосома кариотип генетический белок



Рис. 63. Схема строения интерфазной (вверху) и метафазной хромосом

Метафазная:

· В метафазе ядрышки неконденсированы и не окрашиваются.

· Районы ядрышкового организатора примыкают к находящимся на конце короткого плеча хромосомы конденсированным участкам хроматина - спутникам.

· Спутники не содержат генов и являются полиморфными участками

· В небольшой части клеток удается выявить другие деконденсированные в метафазе участки, так называемые ломкие участки , где могут происходить «полные» разрывы хромосомы.

· Клиническое значение имеют нарушения в единственном подобном участке, расположенном на конце длинного плеча Х-хромосомы. Такие нарушения вызывают синдром ломкой Х-хромосомы.

· Неоднородность метафазных хромосом, как уже упоминалось, можно увидеть даже при световой микроскопии.

Интерфазная:

· По окончании синтеза ДНК каждая хромосома оказывается удвоенной - состоящей из двух сестринских хроматид.

· В генетическом отношении хроматиды полностью идентичны друг другу, так как их ДНК состоит из одной материнской и второй вновь синтезированной цепи.

· Сестринские хроматиды тесно сближены и соединены в том районе хромосомы, который обеспечивает ее движение при делении клетки. Он называется центромерным районом хромосомы.

· После полного удвоения хромосом наступает постсинтетический период (G2) . В это время клетка готовится к делению: синтезируются белки микротрубоче, которые во время митоза будут формировать веретено деления, запасается энергия. Продолжительность G2-периода меньше, чем у S- и Gi-периодов, и обычно составляет 3-6 ч.

· Если содержание ДНК в гаплоидном наборе хромосом обозначить через С, то сразу после деления в диплоидной клетке имеется 2С-содержание ДНК, а по окончании синтетического периода в диплоидном (2n) наборе хромосом содержится 4С-количество ДНК.

6. Кариотип человека. Принципы составления идиограмм

Кариотип - совокупность признаков (число, размеры, форма и т. д.) полного набора хромосом, присущая клеткам данного биологического вида (видовой кариотип), данного организма (индивидуальный кариотип) или линии (клона) клеток. Кариотипом иногда также называют и визуальное представление полного хромосомного набора (кариограммы).

Классический и спектральный кариотипы



Рис. 2. Пример определения транслокации по комплексу поперечных меток (полоски, классический кариотип) и по спектру участков (цвет, спектральный кариотип).

Для получения классического кариотипа используется окраска хромосом различными красителями или их смесями: в силу различий в связывании красителя с различными участками хромосом окрашивание происходит неравномерно и образуется характерная полосчатая структура (комплекс поперечных меток, англ. banding), отражающая линейную неоднородность хромосомы и специфичная для гомологичных пар хромосом и их участков (за исключением полиморфных районов, локализуются различные аллельные варианты генов). Первый метод окраски хромосом, позволяющий получить такие высокодетализированные изображения, был разработан шведским цитологом Касперссоном (Q-окрашивание)^[2] Используются и другие красители, такие методики получили общее название дифференциального окрашивания хромосом:

Q-окрашивание - окрашивание по Касперссону акрихин-ипритом с исследованием под флуоресцентным микроскопом. Чаще всего применяется для исследования Y-хромосом (быстрое определения генетического пола, выявление транслокаций между X- и Y-хромосомами или между Y-хромосомой и аутосомами, скрининг мозаицизма с участием Y-хромосом). G-окрашивание - модифицированное окрашивание по Романовскому - Гимзе. Чувствительность выше, чем у Q-окрашивания, поэтому используется как стандартный метод цитогенетического анализа. Применяется при выявлении небольших аберраций и маркерных хромосом (сегментированных иначе, чем нормальные гомологичные хромосомы). R-окрашивание - используется акридиновый оранжевый и подобные красители, при этом окрашиваются участки хромосом, нечувствительные к G-окрашиванию. Используется для выявления деталей гомологичных G- или Q-негативных участков сестринских хроматид или гомологичных хромосом. C-окрашивание - применяется для анализа центромерных районов хромосом, содержащих конститутивный гетерохроматин и вариабельной дистальной части Y-хромосомы. T-окрашивание - применяют для анализа теломерных районов хромосом. В последнее время используется методика т. н. спектрального кариотипирования (флюоресцентная гибридизация in situ, англ. Fluorescence in situ hybridization, FISH), состоящая в окрашивании хромосом наборомфлуоресцентных красителей, связывающихся со специфическими областями хромосом^[4]. В результате такого окрашивания гомологичные пары хромосом приобретают идентичные спектральные характеристики, что не только существенно облегчает выявление таких пар, но и облегчает обнаружение межхромосомных транслокаций, то есть перемещений участков между хромосомами - транслоцированные участки имеют спектр, отличающийся от спектра остальной хромосомы. Анализ кариотипов. Сравнение комплексов поперечных меток в классической кариотипии или участков со специфичными спектральными характеристиками позволяет идентифицировать как гомологичные хромосомы, так и отдельные их участки, что позволяет детально определять хромосомные аберрации - внутри- и межхромосомные перестройки, сопровождающиеся нарушением порядка фрагментов хромосом (делеции, дупликации, инверсии,транслокации). Такой анализ имеет большое значение в медицинской практике, позволяя диагностировать ряд хромосомных заболеваний, вызванных как грубыми нарушениями кариотипов (нарушение числа хромосом), так и нарушением хромосомной структуры или множественностью клеточных кариотипов в организме (мозаицизмом).

Принципы составления идиограмм.

Если расположить фотографии гомологичных хромосом по мере возрастания их размеров, то можно получить так называемую идиограмму кариотипа. Таким образом, идиограмма - это графическое изображение хромосом. На идиограмме пары гомологов располагаются рядами в порядке убывающего размера.

У человека на идиограмме среди 46 хромосом различают три типа хромосом в зависимости от положения в хромосоме центромер:

1. Метацентрические - центромера занимает центральное положение в хромосоме, оба плеча хромосомы имеют почти одинаковую длину;

2. Субметацентрические - центромера располагается ближе к одному концу хромосомы, в результате чего плечи хромосомы разной длины.

7. Политенные хромосомы, механизм формирования, биологическое значение

Политенные хромосомы - это гигантские хромосомы, обнаруживаемые в интерфазных клетках некоторых тканей у мух и других двукрылых. Такие хромосомы есть у них в клетках слюнных желез, мальпигиевых сосудов и средней кишки. Они содержат сотни нитей ДНК, которые редуплицировались, но не подверглись расхождению. При окраске в них выявляются четко выраженные поперечные полосы или диски. Многие отдельные полосы соответствуют местоположению отдельных генов. Ограниченное число определенных полос в некоторых дифференцированных клетках образует вздутия, или пуфы, выступающие за пределы хромосомы. Эти вздутые участки находятся там, где гены наиболее активны в отношении транскрипции. Политенные хромосомы развиваются из хромосом диплоидных ядер за счёт последовательных дупликаций каждого элемента. Помимо увеличения размеров ядра и размеров клетки, политенные хромосомы, так как содержат большое число копий генов, усиливают их экспрессию (процесс, в ходе которого наследственная информация от гена преобразуется в функциональный продукт - РНК или белок). Это, в свою очередь, увеличивает производство необходимых специализированной клетке белков. Например, чтобы образовывать большое количество клейкого вещества до окукливания. В других случаях тандемная дупликация участков приводит к возникновению мутации - изменению формы глаза.

При этом образуются так называемые политенные хромосомы, содержащие многие сотни копий ДНК. Такие хромосомы обнаруживаются, например, в неделящихся клетках слюнных желез личинок некоторых насекомых при обычной световой микроскопии. В ходе митотического деления обеспечивается закономерное распределение сестринских хроматид каждой хромосомы между дочерними клетками. В составе дочерних хромосом (бывших сестринских хроматид) каждая клетка нового поколения получает одну из двух молекул ДНК, образовавшихся в результате репликации материнской двойной спирали. Следовательно, новое поколение клеток получает одинаковую генетическую информацию в составе каждой группы сцепления.

8. Белки, их химический состав, уровни структурной организации. Биологическая роль белков. Понятие о гистоновых и негистоновых белках. Прионовые белки и их медицинское значение

Белки - непериодические полимеры, мономерами которых являются аминокислоты. Все белки представляют собой полимеры, состоящие из длинных цепей субъединиц, соединенных вместе в линейную структуру. Субъединицы - это 20 разных аминокислот. Общим признаком для всех аминокислот является наличие в их составе карбоксильной и аминогрупп, соединенных атомом углерода. Кроме этих общих атомов, каждая аминокислота содержит свои особые боковые цепи, присоединенные к центральному атому углерода. Таким образом, хотя все аминокислоты принадлежат к одному классу соединений и имеют некоторые общие химические свойства, отдельные аминокислоты резко отличаются друг от друга.

Уровни структурной организации.

В строении молекул белков различают 4 уровня организации:

· Первичная структура - полипептидная цепь из аминокислот, связанных в определенной последовательности ковалентными пептидными связями;

· Вторичная структура - полипептидная цепь в виде спирали. Между пептидными связями соседних витков и другими атомами возникают многочисленные водородные связи, обеспечивающие прочную структуру;

· Третичная структура - специфическая для каждого белка конфигурация - глобула. Удерживается малопрочными гидрофобными связями или силами сцепления между неполярными радикалами, которые встречаются у многих аминокислот.

· Четвертичная структура возникает при соединении нескольких макромолекул, образующих агрегаты. Так, гемоглобин крови человека представляет агрегат из четырех макромолекул.

Нарушение природной структуры белка называют денатурацией. Она возникает под воздействием высокой температуры, химических веществ, лучистой энергии и др. факторов.

Биологическая роль белков.

· Строительная (структурная) функция: белки - строительный материал организма (оболочки, мембраны, органоиды, ткани, органы);

· Каталитическая функция - ферменты, ускоряющие реакции в сотни миллионов раз;

· Опорно-двигательная функция - белки, входящие в состав костей скелета, сухожилий; движение жгутиковых, инфузорий, сокращение мышц;

· Транспортная функция - гемоглобин крови;

· Защитная - антитела крови обезвреживают чужеродные вещества;

· Энергетическая функция - при расщеплении белков 1 г освобождает 17,6 кДж энергии;

· Регуляторная и гормональная - белки входят в состав многих гормонов и принимают участие в регуляции жизненных процессов организма;

· Рецепторная - белки осуществляют процесс избирательного узнавания отдельных веществ и их присоединение к молекулам.

Понятие о гистоновых и негистоновых белках.

Гистоны - обширный класс ядерных белков, выполняющих две основные функции: они участвуют в упаковке нитей ДНК в ядре и во вторичной регуляции таких ядерных процессов, как транскрипция, репликация и репарация, проявляют сильно оснувные свойства.

Негистоновые белки - это все белки хроматина, кроме гистонов, выделяющиеся с хроматином или хромосомами. Это сборная группа белков, отличающихся друг от друга как по общим свойствам, так и по функциональной значимости. Около 80% из негистоновых белков относится к белкам ядерного матрикса, обнаруживаемых как в составе интерфазных ядер, так и митотических хромосом. Гистоновые и негистоновые белки принимают участие в экспрессии генов, участвуют в создании структуры молекулы ДНК. Гистоновые белки - факторы репрессии (блокирования) генов, негистоновые - наоборот способствуют считыванию информации. Взаимодействие гистоновых и негистоновых белков - механизм блокирования и разблокирования молекулы ДНК.

Прионовые белки и их медицинское значение.

Прионы - модифицированные прионовые белки (содержат > 50 полиглютаминовых фрагментов). Прионовые белки - нейромедиаторы и регуляторы циркадных ритмов. Попадая в организм человека, прионы модифицируют (переделывают под себя) нормальные прионовые белки и вызывают следующие болезни: Куру, Кройцфельта-Якоба, смертельная семейная бессонница, Подострый спонгиозный трансмиссийный энцефалит и проч. Способы «заражения»: спонтанное возникновение в мозге прионов, ятрогения, наследственность, употребление в пищу «зараженного» мяса

9. Нуклеиновые кислоты. ДНК, её состав и структурная организация, локализация в клетке. Биологическая роль

Нуклеиновые кислоты - природные высокомолекулярные органические соединения, обеспечивающие хранение и передачу наследственной (генетической) информации в живых организмах.

В природе существуют нуклеиновые кислоты двух типов, различающиеся по составу, строению и функциям. Одна из них содержит углеводный компонент дезоксирибозу и названа дезоксирибонуклеиновой кислотой (ДНК). Другая содержит рибозу и названа рибонуклеиновой кислотой (РНК).

ДНК, её состав.

ДНК представляет собой двухцепочечный биологический полимер, мономерами которого являются нуклеотиды, содержащие одно из азотистых оснований, дезоксирибозу и остаток фосфорной кислоты. Нуклеотиды ДНК: пуриновые основания аденин (А) и гуанин (Г) и пиримидиновые основания цитозин (Ц) и тимин (Т).

Структурная организация

Полинуклеотидные цепи молекулы ДНК антипараллельны и соединены друг с другом водородными связями по принципу комплиментарности в двойную спираль.

Локализация в клетке

ДНК находится в ядре клетки в виде комплекса с ядерными белками (гистонами).

Еще есть своя особенная (кольцевая) ДНК в митохондриях (мтДНК) и в хлоропластах у растений (хлДНК). У бактерий ядра нет, поэтому и ДНК свободно плавает в цитозоле (внутриклеточная жидкость, матрикс цитоплазмы).

Биологическая рольж

Функция у ДНК одна - хранение генетической информации.

10. РНК. Типы РНК, их структура и химический состав, биологическая роль. Сплайсинг (процессинг) РНК, альтернативный сплайсинг и-РНК структурных генов эукариот. Понятие о рибозимах

В отличие от молекул ДНК рибонуклеиновые кислоты представлены одной полинуклеотидной цепью, которая состоит из четырех разновидностей нуклеотидов, содержащих сахар, рибозу, фосфат и одно из четырех азотистых оснований - аденин, гуанин, урацил или цитозин. РНК синтезируется на молекулах ДНК при помощи ферментов РНК-полимераз с соблюдением принципа комплементарности и антипараллельности, причем аденину ДНК в РНК комплементарен урацил. Все многообразие РНК, действующих в клетке, можно разделить на три основных вида: мРНК, тРНК, рРНК.

Матричная, или информационная, РНК (мРНК, или иРНК).

Транскрипция. Для того чтобы синтезировать белки с заданными свойствами, к месту их построения поступает «инструкция» о порядке включения аминокислот в пептидную цепь. Эта инструкция заключена в нуклеотидной последовательности матричных, или информационных РНК (мРНК, иРНК), синтезируемых на соответствующих участках ДНК. Процесс синтеза мРНК называют транскрипцией. Синтез мРНК начинается с обнаружения РНК-полимеразой особого участка в молекуле ДНК, который указывает место начала транскрипции - промотора.

После присоединения к промотору РНК-полимераза раскручивает прилежащий виток спирали ДНК. Две цепи ДНК в этом месте расходятся, и на одной из них фермент осуществляет синтез мРНК. Сборка рибонуклеотидов в цепь происходит с соблюдением их комплементарности нуклеотидам ДНК, а также антипараллельно по отношению к матричной цепи ДНК. В связи с тем, что РНК-полимераза способна собирать полинуклеотид лишь от 5'-конца к 3'-концу, матрицей для транскрипции может служить только одна из двух цепей ДНК, а именно та, которая обращена к ферменту своим 3'-концом (3' > 5'). Такую цепь называют кодогенной. Антипараллельность соединения двух полинуклеотидных цепей в молекуле ДНК позволяет РНК-полимеразе правильно выбрать матрицу для синтеза мРНК. Продвигаясь вдоль кодогенной цепи ДНК, РНК-полимераза осуществляет постепенное точное переписывание информации до тех пор, пока она не встречает специфическую нуклеотидную последовательность - терминатор транскрипции. В этом участке РНК-полимераза отделяется как от матрицы ДНК, так и от вновь синтезированной мРНК. Фрагмент молекулы ДНК, включающий промотор, транскрибируемую последовательность и терминатор, образует единицу транскрипции-транскриптон. В процессе синтеза, по мере продвижения РНК-полимеразы вдоль молекулы ДНК, пройденные ею одноцепочечные участки ДНК вновь объединяются в двойную спираль. Образуемая в ходе транскрипции мРНК содержит точную копию информации, записанной в соответствующем участке ДНК. Тройки рядом стоящих нуклеотидов мРНК, шифрующие аминокислоты, называют кодонами. Последовательность кодонов мРНК шифрует последовательность аминокислот в пептидной цепи. Кодонам мРНК соответствуют определенные аминокислоты. Матрицей для транскрипции мРНК служит кодогенная цепь ДНК, обращенная к ферменту своим 3'-концом

Транспортная РНК (тРНК). Трансляция. Важная роль в процессе использования наследственной информации клеткой принадлежит транспортной РНК (тРНК). Доставляя необходимые аминокислоты к месту сборки пептидных цепей, тРНК выполняет функцию трансляционного посредника. Молекулы тРНК представляют собой полинуклеотидные цепи, синтезируемые на определенных последовательностях ДНК. Они состоят из относительно небольшого числа нуклеотидов -75-95. В результате комплементарного соединения оснований, которые находятся в разных участках полинуклеотидной цепи тРНК, она приобретает структуру, напоминающую по форме лист клевера. В ней выделяют четыре главные части, выполняющие различные функции. Акцепторный «стебель» образуется двумя комплементарно соединенными концевыми частями тРНК. Он состоит из семи пар оснований. 3'-конец этого стебля несколько длиннее и формирует одноцепочечный участок, который заканчивается последовательностью ЦЦА со свободной ОН-группой. К этому концу присоединяется транспортируемая аминокислота. Остальные три ветви представляют собой комплементарно спаренные последовательности нуклеотидов, которые заканчиваются неспаренными участками, образующими петли. Средняя из этих ветвей - антикодоновая - состоит из пяти пар нуклеотидов и содержит в центре своей петли антикодон. Антикодон - это три нуклеотида, комплементарные кодону мРНК, который шифрует аминокислоту, транспортируемую данной тРНК к месту синтеза пептида. Между акцепторной и антикодоновой ветвями располагаются две боковые ветви. В своих петлях они содержат модифицированные основания - дигидроуридин (D-петля) и триплет TшC, где \у - псевдоуриаин (Т^С-петля). Между аитикодоновой и Т^С-ветвями содержится дополнительная петля, включающая от 3-5 до 13-21 нуклеотидов. В целом различные виды тРНК характеризуются определенным постоянством нуклеотидной последовательности, которая чаще всего состоит из 76 нуклеотидов. Варьирование их числа связано главным образом с изменением количества нуклеотидов в дополнительной петле. Комплементарные участки, поддерживающие структуру тРНК, как правило, консервативны. Первичная структура тРНК, определяемая последовательностью нуклеотидов, формирует вторичную структуру тРНК, имеющую форму листа клевера. В свою очередь, вторичная структура обусловливает трехмерную третичную структуру, для которой характерно образование двух перпендикулярно расположенных двойных спиралей. Одна из них образована акцепторной и ТшС-ветвями, другая -антикодоновой и D-ветвями. На конце одной из двойных спиралей располагается транспортируемая аминокислота, на конце другой - антикодон. Эти участки оказываются максимально удаленными друг от друга. Стабильность третичной структуры тРНК поддерживается благодаря возникновению дополнительных водородных связей между основаниями полинуклеотидной цепи, находящимися в разных ее участках, но пространственно сближенных в третичной структуре. Различные виды тРНК имеют сходную третичную структуру, хотя и с некоторыми вариациями. Одной из особенностей тРНК является наличие в ней необычных оснований, возникающих вследствие химической модификации уже после включения нормального основания в полинуклеотидную цепь. Эти измененные основания обусловливают большое структурное многообразие тРНК при общем плане их строения. Наибольший интерес представляют модификации оснований, формирующих антикодон, которые влияют на специфичность его взаимодействия с кодоном. Например, нетипичное основание инозин, иногда стоящий в 1-м положении антикодона тРНК, способен комплементарно соединяться с тремя разными третьими основаниями кодона мРНК - У, Ц и А. Установлено также существование нескольких видов тРНК, способных соединяться с одним и тем же кодоном. В результате в цитоплазме клеток встречается не 61 (по количеству кодонов), а около 40 различных молекул тРНК. Этого количества достаточно, чтобы транспортировать 20 разных аминокислот к месту сборки белка. Наряду с функцией точного узнавания определенного кодона в мРНК молекула тРНК осуществляет доставку к месту синтеза пептидной цепи строго определенной аминокислоты, зашифрованной с помощью данного кодона. Специфическое соединение тРНК со «своей» аминокислотой протекает в два этапа и приводит к образованию соединения, называемого аминоацил-тРНК.

Присоединение аминокислоты к соответствующей тРНК:

I-1-й этап, взаимодействие аминокислоты и АТФ с выделением пирофосфата;

II-2-й этап, присоединение аденилировашюй аминокислоты к 3'-концу РНК

На первом этапе аминокислота активируется, взаимодействуя своей карбоксильной группой с АТФ. В результате образуется адепилированная аминокислота. На втором этапе это соединение взаимодействует с ОН-группой, находящейся на 3'-конце соответствующей тРНК, и аминокислота присоединяется к нему своей карбоксильной группой, высвобождая при этом АМФ. Таким образом, этот процесс протекает с затратой энергии, получаемой при гидролизе АТФ до АМФ. Специфичность соединения аминокислоты и тРНК, несущей соответствующий антикодон, достигается благодаря свойствам фермента аминоацил-тРНК-синтетазы. В цитоплазме существует целый набор таких ферментов, которые способны к пространственному узнаванию, с одной стороны, своей аминокислоты, а с другой - соответствующего ей антикодона тРНК. Наследственная информация, «записанная» в молекулах ДНК и «переписанная» на мРНК, расшифровывается в ходе трансляции благодаря двум процессам специфического узнавания молекулярных поверхностей. Сначала фермент аминоацил-тРНК-синтетаза обеспечивает соединение тРНК с транспортируемой ею аминокислотой. Затем аминоацил тРНК комплементарно спаривается с мРНК благодаря взаимодействию антикодона с кодоном. С помощью системы тРНК язык нуклеотидной цепи мРНК. транслируется в язык аминокислотной последовательности пептида. Рибосомная РНК (рРНК). Рибосомный цикл синтеза белка. Процесс взаимодействия мРНК и тРНК, обеспечивающий трансляцию информации с языка нуклеотидов на язык аминокислот, осуществляется на рибосомах. Последние представляют собой сложные комплексы рРНК и разнообразных белков, в которых первые образуют каркас. Рибосомные РНК являются не только структурным компонентом рибосом, но и обеспечивают связывание их с определенной нуклеотидной последовательностью мРНК. Этим устанавливаются начало и рамка считывания при образовании пептидной цепи. Кроме того, они обеспечивают взаимодействие рибосомы и тРНК. Многочисленные белки, входящие в состав рибосом наряду с рРНК, выполняют как структурную, так и ферментативную роль.

Типы РНК.

1. Матричная РНК переносит генетический код из ядра в цитоплазму, определяя таким образом синтез разнообразных белков.

2. Транспортная РНК переносит активированные аминокислоты к рибосомам для синтеза полипептидных молекул.

3. Рибосомная РНК в комплексе примерно с 75 разными белками формирует рибосомы - клеточные органеллы, на которых происходит сборка полипептидных молекул.

4. Малые ядерные РНК (интроны) Учавствует в сплайсинге.

5. Малые цитоплазмотические РНК

6. мякРНК. Она же малая ядрышковая. В ядрышках клеток эукариотов.

7. РНК вирусов

8. РНК вироидов

После полиаденилирования мРНК подвергается сплайсингу, в ходе процессе которого удаляются интроны (участки, которые не кодируют белки), а экзоны (участки, кодирующие белки) сшиваются и образуют единую молекулу [2]. Сплайсинг катализируется крупным нуклеопротеидным комплексом - сплайсосомой, состоящей из белков и малых ядерных РНК. Многие пре-мРНК могут быть подвергнуты сплайсингу разными путями, при этом образуются разные зрелые мРНК, кодирующие разные последовательности аминокислот (альтернативный сплайсинг).

Коротко: сплайсинг это когда уходят интроны которые ничего не кодируют и из экзонов фомируется зрелая молекула, способная кодировать белок.

Альтернативный сплайсинг-из одной молекулы пре-иРНК можно получить различные белки. То есть мы имеем дело с вариациями выпадания интронов и различным сшиванием экзонов.

Рибозимы.

Молекулы РНК, обладающие ферментативной активностью (как правило, свойством автокатализa)

Регуляция экспрессии генов с помощью антисмысловых РНК характеризуется высокой специфичностью. Это обусловлено большой точностью процесса РНК-РНК-гибридизации, основанной на комплементарном взаимодействии друг с другом протяженных последовательностей нуклеотидов.

Однако сами по себе антисмысловые РНК не инактивируют необратимо мРНК-мишени, и для подавления экспрессии соответствующих генов требуются высокие (по крайней мере, эквимолярные по отношению к мРНК) внутриклеточные концентрации антисмысловых РНК. Эффективность действия антисмысловых РНК резко повысилась после того, как в их состав были введены молекулы рибозимов - коротких последовательностей РНК, обладающих эндонуклеазной активностью. Известно множество других ферментативных активностей, ассоциированных с РНК. Поэтому рибозимами в широком смысле называют молекулы РНК, обладающие любой ферментативной активностью.

На модельных системах опробован РНК-овый вариант подавления ВИЧ-инфекции. Для этой цели используется необычное свойство некоторых молекул РНК - их способность разрушать другие виды РНК. Американцы Т. Чех и С. Альтман за это открытие получили в 1989 году Нобелевскую премию. Считалось, что все биохимические реакции в организме происходят благодаря высокоэффективным специфическим катализаторам, которыми служат белки - ферменты. Однако оказалось, что некоторые виды РНК, подобно белкам, обладают высокоспецифической каталитической активностью. Эти РНК назвали рибозимами.

Рибозимы содержат внутри себя антисмысловые участки и участки, осуществляющие ферментативную реакцию. Т.е. они не просто присоединяются к мРНК, а еще и разрезают ее. Суть приема подавления ВИЧ-инфекции с помощью рибозимов изображена на рис. 32 . Присоединяясь к комплементарной РНК-мишени, рибозим расщепляет эту РНК, результатом чего является прекращение синтеза белка, кодируемого РНК-мишенью. Если такой мишенью для рибозима будет вирусная РНК, то рибозим ее «испортит», и соответствующий вирусный белок образовываться не будет. В результате вирус прекратит свое размножение в клетке. Такой подход применим и к некоторым другим патологиям человека, например, для лечения рака.

11. Авторедупликация ДНК: суть явления, роль ферментов, структурная единица репликации - репликон, лидирующая и запаздывающая цепи, фрагменты Оказаки. Биологическое значение

Структура оперона бактериальной клетки и регуляция синтеза ферментов.

Генетическая информация в клетке может сниматься как с отдельного гена, так, и с целого их комплекса, в случае, если они контролируют синтез ферментов, участвующих в осуществлении целостного биохимического процесса. В хромосомах такие гены находятся, как правило, вместе, образуя функциональный комплекс - оперон, а вернее его структурную или информативную зону. Так, если расщепление некоего вещества А до конечного продукта обмена вещества Д происходит через промежуточные продукты В и С (по схеме А>В>С>Д), то для осуществления этого процесса требуется 3 типа белков-ферментов. И в этом случае в составе оперона, контролирующего данный процесс, находится три структурных гена. С некоторых оперонов (генов) информация в клетке снимается постоянно (например, с оперонов, контролирующих синтез ферментов для расщепления глюкозы). Такие опероны (гены) получили название конститутивных. С других же информация снимается только при определённых условиях. Такие опероны (гены) называются адаптивными. Деятельность таких адаптивных генов в свою очередь контролируется участком ДНК, расположенным перед структурными генами оперона - о п е р а т о р о м. Сами операторы не несут генетической информации. Их функция - управление деятельностью оперона. Поэтому участок оперона, соответствующий операторам, получил название управляющей, неинформативной или акцепторной зоны. (В клетках эукариот акцепторная зона значительно превосходит структурную). В эту же зону входит и небольшой участок ДНК перед опероном, с которого начинается синтез и-РНК, получивший название п р о м о т о р а. Позади структурных генов находится зона т е р м и н а т о р а. Таким образом, оперон состоит из структурной и управляющей зон, промотора и терминатора. Генетическая информация снимается со всего оперона в виде одной молекулы и-РНК. На рибосомы же попадает лишь та её часть, которая соответствует информативной зоне.

Регуляция синтеза ферментов в бактериальной клетке.

Регулирующая деятельность оператора заключается в том, что он, в зависимости от условий существования клетки, то «открывает» то «закрывает» доступ ферменту РНК-полимеразе к структурным генам оперона («открыт» - «закрыт»), и сам контролируется специальными белками-репрессорами. Эти белки проявляют строгую специфичность, взаимодействуя только с определёнными операторами, а их структура закодирована в специальных генах - регуляторах (в состав оперона эти гены не входят). Очевидно, что генов-регуляторов столько, сколько адаптивных оперонов (генов) присутствует в конкретном геноме. Белки-репрессоры являются аллостерическими белками, т.е. имеют два центра, способных менять свою активность в зависимости от условий существования клетки. Один из них, будучи в в активном состоянии, способен соединяться с зоной оператора, блокируя весь оперон и закрывая доступ РНК-полимеразе к структурным генам. Второй центр - центр узнавания с у б с т р а т а реакции или конечного продукта ее. Активация (индукция) репрессоров осуществляется двояким образом - различным в биохимических реакциях синтеза и расщепления. Соответственно, различно контролируется и деятельность оперонов по синтезу ферментов в этих реакциях.

Регуляция синтеза ферментов в биохимических реакциях расщепления.

В биохимических реакциях расщепления индуктором (побудителем деятельности оперона является само расщепляемое вещество (субстрат реакции). В отсутствии субстрата реакции белки-репрессоры активны относительно оператора, соединяются с ним, и информация со структурных генов на синтез ферментов для расщепления субстрата не снимается. И, наоборот, если к питательной среде, на которой растет клетка, добавляется субстрат, то последний вступает во взаимодействие с репрессорами, делая их неактивными относительно оператора. При этом открывается доступ к структурным генам оперона, и снимается информация на синтез ферментов.

Регуляция синтеза ферментов в биохимических реакциях синтеза.

В биохимических реакциях синтеза, роль регуляторов активности репрессоров выполняют конечные продукты синтеза. Если клетка полностью использует образующийся при синтезе продукт, то в отсутствии лишних молекул этого продукта белки-репрессоры неактивны в отношении оператора. Структурные гены доступны для РНК-полимеразы, осуществляющей синтез и-РНК для синтеза ферментов. Как только потребности клетки в синтезируемом продукте будут удовлетворены полностью и в цитоплазме появятся неиспользованные молекулы, они соединяются с белками-репрессорами. Такой комплекс проявляет повышенную активность относительно операторов, блокируя их. Синтез ферментов прекращается.

12. Транскрипция: суть явления, особенности в клетках про- и эукариот. Биологическое значение

Транскрипция (от лат. transcriptio - переписывание) - процесс синтеза РНК с использованием ДНК в качестве матрицы, происходящий во всех живых клетках. Другими словами, это перенос генетической информации с ДНК на РНК. Транскрипция катализируется ферментом ДНК-зависимой РНК-полимеразой. Процесс синтеза РНК протекает в направлении от 5'- к 3'- концу, то есть по матричной цепи ДНК РНК-полимераза движется в направлении 3'->5'^[1]Транскрипция состоит из стадий инициации, элонгации и терминации. Инициация транскрипции - сложный процесс, зависящий от последовательности ДНК вблизи транскрибируемой последовательности (а у эукариот также и от более далеких участков генома - энхансеров и сайленсеров) и от наличия или отсутствия различных белковых факторов. Момент перехода РНК-полимеразы от инициации транскрипции к элонгации точно не определен. Три основных биохимических события характеризуют этот переход в случае РНК-полимеразы кишечной палочки: отделение сигма-фактора, первая транслокация молекулы фермента вдоль матрицы и сильная стабилизация транскрипционного комплекса, который кроме РНК-полимеразы включает растущую цепь РНК и транскрибируемую ДНК. Эти же явления характерны и для РНК-полимераз эукариот. Переход от инициации к элонгации сопровождается разрывом связей между ферментом, промотором, факторами инициации транскрипции, а в ряде случаев - переходом РНК-полимеразы в состояние компетентности в отношении элонгации (например, фосфорилирование CTD-домена у РНК-полимеразы II). Фаза элонгации заканчивается после освобождения растущего транскрипта и диссоциации фермента от матрицы (терминация). На стадии элонгации в ДНК расплетено примерно 18 пар нуклеотидов. Примерно 12 нуклеотидов матричной нити ДНК образует гибридную спираль с растущим концом цепи РНК. По мере движения РНК-полимеразы по матрице впереди нее происходит расплетание, а позади - восстановление двойной спирали ДНК. Одновременно освобождается очередное звено растущей цепи РНК из комплекса с матрицей и РНК-полимеразой. Эти перемещения должны сопровождаться относительным вращением РНК-полимеразы и ДНК. Трудно себе представить, как это может происходить в клетке, особенно при транскрипции хроматина. Поэтому не исключено, что для предотвращения такого вращения двигающуюся по ДНК РНК-полимеразу сопровождают топоизомеразы. Элонгация осуществляется с помощью основных элонгирующих факторов, необходимых, чтобы процесс не останавливался преждевременно^[2]. В последнее время появились данные, показывающие, что регуляторные факторы также могут регулировать элонгацию. РНК-полимераза в процессе элонгации делает паузы на определенных участках гена. Особенно четко это видно при низких концентрациях субстратов. В некоторых участках матрицы длительные задержки в продвижении РНК-полимеразы, т. н. паузы, наблюдаются даже при оптимальных концентрациях субстратов. Продолжительность этих пауз может контролироваться факторами элонгации.

...