Предмет, задачи и методы биологии и генетики

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Биологические основы жизни

Термин биология (от греч. bios- жизнь, logos - наука) введен в 1802 г. французским ученым Ж.Б. Ламарком и немецким ученым Г.Р. Тревиранусом для обозначения науки о жизни. Биология - наука о жизни, её формах и закономерностях существования и развития. Современная биология - комплексная наука, которая занимается изучением многообразных форм живых организмов, их строения, функций, эволюции, индивидуального развития и взаимоотношений с окружающей средой. Вместе с физикой, химией, геологией, астрономией и другими науками изучающими природу, биология относится к естественным наукам.

Предметом изучения биологии является жизнь во всех её проявлениях. Объектом изучения биологии являются все живые организмы, включая человека.

Основные методы биологии.

1. Метод наблюдения - описание и анализ биологического явления.

2. Сравнительный метод - сопоставление, нахождение закономерностей, общих для различных явлений.

3. Исторический метод - познание процессов развития живой природы.

4. Экспериментальный метод (опыт) - искусственно создаётся ситуация, которая помогает изучить свойства биологических объектов.

5. Метод моделирования - имитируются отдельные биологические процессы или явления.

Использование в биологии методов, подходов, идей физики, химии, математики и других наук позволило:

а) обогатить методический арсенал биологии;

б) изучать биологические процессы на различных уровнях: от молекулярного и субклеточного до биосферного.

Современная биология включает в себя комплекс таких наук как: зоология, ботаника, анатомия, физиология, микробиология, генетика, цитология, гистология, антропология, экология и другие. Биологические науки имеют большое теоретическое и практическое значение: в производстве продовольствия; в выведении новых и улучшении существующих пород животных, сортов растений, штаммов микроорганизмов; в охране природы и защите окружающей среды от загрязнений и многом другом. Биология является основой практической и теоретической медицины. Известный ученый И.В. Давыдовский сказал: «Медицина, взятая в плане теории - это прежде всего, общая биология.» Прогресс биологии в XX веке, её возросшая роль среди других наук и делают её не только одной из важнейших наук XX. но и XXI века.

2. Эволюционно обусловленные уровни организации жизни

На протяжении развития биологии как науки многие ученые пытались определить суть понятия «жизнь». Аристотель "питание, рост и одряхление" Г. Тревиранус "стойкое единообразие процессов при различии внешних явлений" А.И. Опарин "особая, очень сложная форма движения материи" Диалектика определяет Жизнь - как "способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей внешней средой, с прекращением обмена веществ прекращается и жизнь, что приводит к разложению белка». В настоящее время ЖИЗНЬ определяют как высшую биологическую форму движения материи, которая представляет собой способ существования открытых, т.е обменивающихся веществом и энергией, нуклеопротеидных систем, обладающих свойствами саморегуляции, самообновления и самовоспроизведения.

Фундаментальные свойства живого: Рост Размножение Раздражимость Движение. Наследственность Изменчивость Гомеостаз Способность к адаптации. Дискретность. Конвариантная редупликация Онтогенез Филогенез. Живая природа является целостной, но неоднородной системой, которой характерна иерархическая организация.

Уровни организации живой материи.

1. Биологические микросистемы.

1) Молекулярный уровень.

2) Субклеточный уровень (уровень органоидов).

3) Клеточный уровень.

2. Биологические мезосистемы,

4) Тканевой уровень.

5) Органный уровень.

6) Органиэменный уровень.

3. Биологические макросистемы.

7) Популяционно-видовой уровень.

8) Биогеоценотический уровень.

9) Биосферный уровень.

Современная систематика живых организмов Органический мир на Земле отличается поразительным многообразием видов (более 2млн.) Систематика - это наука, занимающаяся вопросами классификации живых существ. 1. Царство Вирусы 2 Царство Дробянки Подцарство Бактерии и Цианобактерии 3, Царство Грибы Подцарство Низшие и Высшие грибы 4 Царство Растения Подцарство Низшие и Высшие растения 5Царство Животные подцарство Одноклеточные и Многоклеточные.

3. История создания и современные представления клеточной теории

Клеточная теория (К.Т.) - это обобщённые представления о строении клеток как единиц живого, об их размножении и роли в формировании многоклеточного организма. Появлению и созданию К.Т. предшествовал довольно длительный период. Основной вклад в создание клеточной теории (1838 - 1839 гг.) внесли немецкие ученые; ботаник Маттиас Шлейден и физиолог Теодор Шванн. Основные этапы развития клеточной теории.

1 Зарождение понятия о клеточном строении и первые сведения о клетках, их строении и функциях. начало XVII в. (1609-1610гг.) Галилей впервые сконструировал микроскоп. Р. Гук описал строение коры пробкового дуба и стебля растений. Ввел в науку термин «клетка», так же усовершенствовал микроскоп. 1671-1682г Н.Грю ввел термин «ткань» 1676-1719г А. Левенгук описал некоторых простейших, эритроциты и спермотозоиды животных. 1831г Р. Броун открыл важнейшую часть клетки - ядро.

2 создание клеточной теории 1838г. М. Шлейден сформулировал представление о клеточном строении и о гомологичности происхождения клеток. 1839г.

Шванн сформулировал клеточную теорию. Основные положения теории

1 Все ткани растений и животных состоят из клеток.

2 Все клетки образуются единым способом.

3 организм является суммой клеток с точки зрения строения и функций (Недостатки Взгляд на организм как на простую сумму клеток, Ошибочное представление что клетки в организме возникают путем новообразования и первичного неклеточного вещества)

3 Дальнейшее развитие КТ 1828г. К. Бэр клетка не только единица строения но и ед развития живых организмов, учение о зародышевых листках 11855-1858г Р. Вихров Клетки возникают только путем деления предшествующих клеток, вне клетки нет жизни, Наибольшее значение в ж/д клеток играет не оболочка а протоплазма и ядро, КТ должна быть распространена на патологию. (ошибки Клетки самостоятельные единицы отрицал целостность организма понимая его за сумму автономных единиц, патологический процесс как локальный)

4 Современная КТ

1 Клетка--элементарная единица живого

2 Клетки разных организмов гомологичны по своему строению

3 Размножение клеток происходит путем деления исходной клетки.

4 Клетки многоклеточных организмов развиваются из одной исходной клетки - зиготы

5 Многоклеточные организмы представляют собой сложные ансамбли клеток, объединенные в целостные системы тканей и органов.

Создание К.Т. стало важнейшим событием в биологии и было одним из доказательств единства живой природы. Она оказала значительное влияние на развитие биологии. Ф.Энгельс назвал К.Т. одним из трёх выдающихся открытий XIX в. и поставил её в один ряд с законом преобразования энергии и эволюционной теорией Ч.Дарвина. Клеточная теория, являясь очень крупным в истории естествознания теоретическим обобщением, сохранила своё значение и на сегодняшний день, несмотря на то, что с момента её создания были получены новые сведения о структуре, жизнедеятельности и развитии клеток.

4. Прокариотические и эукариотические клетки

Все живые организмы представлены двумя формами жизни: Неклеточной и Клеточной. К неклеточным Формам жизни относятся вирусы, которые проявляют жизнедеятельность только в живых клетках. Клеточные формы в свою очередь делятся на 2 группы: Прокариоты и Эукариоты

Доядерные(Бактерии и сине-зеленые водоросли) Ядерные. (Клетки растений, животных, простейших, грибов.)

1. Строение. Одноклеточные или нитчатые. Одноклеточные, нитчатые или многоклеточные.

2. Размеры клеток. Диаметр в среднем составляет 0,05 - 5 мкм. Диаметр обычно до 40 мкм.

3. Ядро. Не имеют оформленного ядра, т.к. нет ядерной оболочки, вместо него в клетке есть зона, заполненная ДНК - нуклеоид (или генофор).

Нет ядрышка. Есть типичное ядро, отделённое от цитоплазмы ядерной оболочкой, состоящей из двух типичных мембран. Внутри ядра есть ядрышко (1 или несколько).

4. Хромосомы Дополнительная ДНК.

Имеется одна кольцевая хромосома. Это замкнутая в кольцо двойная спираль молекулы ДНК. Не имеет в составе основных (гистоновых белков). В виде плазмид в бактериальных клетках (1-несколько генов). Количество хромосом -2 и более, они имеют линейную структуру. Состоят из ДНК, гистоновых и негистоновых белков. В митохондриях, пластидах, центросомах.

5. Плоидность Гаплоидные (п). Диплоидные (2п); половые -гаплоидные (п).

6. Редупликация ДНК. Комплекс ДНК + белок выражен слабо, белка мало, поэтому редупликация ДНК идет быстрее и непрерывно. Комплекс: ДНК + белок выражен хорошо, белок тормозит редупликацию ДНК, поэтому она идет медленнее.

7. Способность к делению. Высокая (деление идет через 15-20 минут). Ниже.

8. Деление. Амитоз. Митоз.

9. Мейоз. Отсутствует, при половом процессе передаётся лишь часть наследственной информации, а гаметой является сам организм. Имеет место, идёт равномерное распределение генетического материала.

10. Клеточная стенка. Присутствует, содержит полисахариды и аминокислоты. Основной упрочняющий компонент - муреин. Отсутствует в животных клетках, есть в растительных клетках и у грибов; содержит полисахариды. Основной упрочняющий компонент клеточной стенки растений -целлюлоза, у грибов - хитин. Муреин всегда отсутствует.

11. Органоиды. Отсутствуют митохондрии, пластиды, клеточный центр, внутренние мембраны (цитоплазма слабо поделена на отсеки). ЭПС выражена слабо, рибосомы мельче. Есть митохондрии, пластиды (только в растительных клетках), внутриклеточные мембраны, ЭПС, рибосомы и др.

12. Вакуоли. Встречаются редко. Присутствуют в клетках, особенно много - в растительных.

13. Жгутики. Простые, микротрубочки отсутствуют. Находятся вне клетки (не окружены плазматической мембраной). Сложные, с расположением микротрубочек типа 9X2. Располагаются внутри клетки (окружены плазматической мембраной).

14. Движение цитоплазмы. Нет. Есть

15. Дыхание. У бактерий происходит в мезосомах, у сине-зеленых водорослей - в цитоплазматических мембранах. Аэробное дыхание происходит в митохондриях.

16. Фотосинтез. Хлоропластов нет. Происходит на мембранах, не имеющих специфической упаковки. Осуществляется с помощью пигмента бактериохлорофилла, а восстановителями служат соединения серы. В хлоропластах, содержащих специальные мембраны, которые уложены в граны. Осуществляется с помощью хлорофилла и цитохрома, восстановителем служит вода.

17. Эндоцитоз (фагоцитоз и пиноцитоз). Всегда нет. Широко распространен.

18 Чувствительность к антибиотикам. Высокая. Низкая, относительно устойчивы

19. Чувствительность к высоким температурам и к рентгеновскому излучению. Наоборот

20. Способность существовать с другими клетками. Не способны. Способны; образуют ткани Считают, что жизнь на Земле существует не менее 3,5 млрд, лет. Первыми организмами были прокариоты, которые отличались простотой строения и функций (они господствовали на Земле более 2 млрд.лет). Их эволюция привела к клеткам эукариотического типа. Ископаемые останки эукариотических клеток обнаружены в породах, возраст которых не превышает 1,0 -1,4 млрд. лет.

5. Строение и функции ядра клетки и его компонентов

В клетке выделяют три главных компонента: цитоплазматическую мембрану, ядро и цитоплазму. Ядро является важнейшей составной частью, так как в нем сосредоточена практически вся генетическая информация данного организма и биологического вида. Клеточное ядро впервые описал Р. Броун в 1830 г., он же впервые применил этот термин в 1833 году. Количество. 1 ядро имеет большинство эукариотических клеток; 2 ядра присутствуют у одноклеточного организма лямблии, а 2 качественно различных (вегетативное и генеративное ядра) - у инфузории туфельки; много ядер содержат поперечно-полосатые мышечные волокна, часть клеток печени (тетраплоидные). Некоторые клетки не имеют ядра (зрелые эритроциты). форма. Зависит от формы клетки и выполняемых ею функций. Форма ядра может быть: - округлой; - овальной; - палочковидной; - серповидной; - сегментированной и др.

Размеры. Диаметр ядра в среднем равен 5-10 мкм, что составляет около 50% от диаметра клетки. По объему ядро занимает 10-40 % от объема клетки. Ядерно-плазменное отношение:m ядра/m цитоплазмы = const. Ядро может находится в двух функционально-различных состояниях. Интерфазное - ядро более активное, так как идут основные процессы биологического синтеза, реализуется наследственная информация, идёт репликация ДНК и др. Митотическое (делящееся ядро) - менее активное, так как главным является равномерное разделение наследственного материала между дочерними клетками. Химический состав ядра: ДНК; РНК; 5 различных фракций гистонов;негистоновые белки (более 100); фосфолипиды и др. липиды; полисахариды.

Состав интерфазного ядра. (1. Ядерная оболочка. 2. Ядерный сок 3. Ядрышки (1 - 10). 4. Хроматин.) Функции ядра. Хранение наследственной информации Реализация наследственной информации в процессах биосинтеза белка. Передача генетической информации дочерним клеткам при делении Контроль и регуляция всех процессов идущих в клетке. 1. Ядерная оболочка отделяет клеточное ядро от цитоплазмы. Её толщина в соматических клетках, например клетках печени, составляет 30-50 нм.

Ядерная оболочка состоит из наружной и внутренней мембран, ядерных пор, и плотного фиброзного слоя, или «ламины». Каждая мембрана имеет толщину 8-10 нм. между ними находится перинуклеарное пространство, которое сообщается с ЭПС благодаря тому, что наружняя ядерная мембрана переходит в мембраны ЭПС. Поры «пронизывают» ядерную оболочку в местах соединения внутренней и наружной мембран ядра. Диаметр ядерных пор составляет в среднем '70-80 нм. Количество пор тем больше, чем выше синтетическая активность в клетке. Имеются сетчатые диафрагмы, напоминающие велосипедное колесо.

В области порового комплекса начинается плотная пластинка (ламина) - белковый слой, подстилающий на всем протяжении внутреннюю мембрану ядра со стороны нуклеоплазмы. Ламина выполняет опорную функцию, так как при её наличии форма ядра сохраняется даже в случае разрушения обеих мембран ядра. Кроме того, она способствует упорядоченному расположению хромосом в интерфазном ядре. Поровые комплексы и ламина относятся к немембранным компонентам ядерной оболочки. Функциональная роль ядерной оболочки заключается в обособлении генетического материала (хромосом) эукариотической клетки от цитоплазмы, а также в регуляции взаимодействий ядра и цитоплазмы.формообразующая, барьерная, транспортная, обмен веществ.

2. Ядерный сок (нуклеоплазма, кариоплазма). Ядерный сок образует внутреннюю среду ядра и содержит белки, ряд ферментов, РНК, неорганические ионы и низкомолекулярные метаболиты Ядерный сок содержит жидкую часть, ядерный матрикс и включения. В ядерном матриксе, присутствуют нитчатые, или фибриллярные, белки, выполняющие опорную функцию.

3. Ядрышки. В интерфазном ядре имеется одно или несколько ядрышек сферической формы. Они содержат РНК (15%), негистоновые белки (80%), ДНК и другие соединения. В ядрышках различают нитчатый, или фибриллярный компонент (комплекс белка и РНК) и зернистый, или глобулярный компонент, который состоит главным образом из предшественников рибосом. Ядрышки видны в интерфазе, а во время митоза (в профазу) исчезают. Ядрышки имеют хромосомное происхождение и образуются в области ядрышкового организатора некоторых хромосом, имеющих вторичную перетяжку.

Функции ядрышек: 1) синтез рибосом и их предшественников (субъединиц); 2) синтез ядерных белков; 3) синтез р-РНК4. Хроматин.Хроматин является интерфазной формой существования хромосом клетки. Хроматин (в интерфазу) -- спирализация, конденсация -- Хромосомы (во время деления). Хромосомы (во время деления) -- деспиреляээцнн, декомпенсация -- Хроматин(в интерфазу). Так как главным химическим компонентом хроматина является ДНК, то его функции соответствуют функциям ДНК: хранение, реализация, передача наследственной информации в клетке.

6. Химический состав хроматина (хромосом)

Изучение химической организации хромосом эукариотических клеток показало, что они состоят в основном из ДНК и белков, которые образуют нуклеопротеиновый комплекс.

ДНК является материальным носителем свойств наследственности и изменчивости и заключает в себе генетическую информацию, записанную с помощью особого кода. Количество ДНК в ядрах клеток организма данного вида постоянно и пропорционально их плоидности. В соматических клетках организма ДНК вдвое больше, чем в гаметах. Значительную часть вещества хромосом составляют белки, на их долю приходится около 65 % массы.

Все хромосомные белки разделяются на 2 группы: гистоны и негистоновые белки. Гистоны - положительно заряженные основные белки, играющие роль в упаковке хромосомной ДНК и в регуляции транскрипции. Гистоны представлены 5 фракциями: Н1, Н2А, Н2В, НЗ, Н4. В хроматине все фракции гистонов обнаруживаются в приблизительно равных количествах, кроме Н1, которого примерно в два раза меньше любой из других фракций. Число фракций негистоновых белков превышает 100, многие из них являются ферментами синтеза и процессинга РНК, редупликации и репарации ДНК. Они выполняют структурную и регуляторную роль. РНК хромосом представлена частично продуктами транскрипции, которые ещё не покинули место синтеза. Некоторым фракциям РНК свойственна регуляторная функция. Помимо ДНК. белков и РНК в составе хромосом обнаруживаются липиды, полисахариды, ионы металлов: Ca, Mg, Fe. Массовые соотношения равны: ДНК: гистоны:негистоновые белки : РНК : липиды (1 : 1 : (0,2-0,5) : (0,1-0,15): (0,01-0,03)). Другие компоненты встречаются в незначительном количестве.

7. Морфология и типы хромосом

Согласно современным представлениям хромосома - это уровень организации наследственного материала в виде нуклеопротеидного (хроматинозого) комплекса. История изучения хромосом. Первое упоминание о хромосомах относится к 1880 году, когда В.Флеминг, исследуя клетки роговицы глаза человека обнаружил от 22-х до 28-ми хроматиновых тел. Сам термин «хромосома» впервые был введен В.Вальдейером в 1888 году. В начале XX века ученые пришли к выводу, что хромосомы являются носителями генетической информации в клетке.

В 1956 году Д.Тио и А.Леаан установили, что в соматических клетках человека содержится 46 хромосом. Размер хромосом может быть выражен абсолютной или относительной длиной (в процентах определяемых по отношению к суммарной длине всех хромосом гаплоидного набора женщины). Размеры хромосом у разных организмов варьируют в широких пределах (в среднем от 0.2 до 50 мкм). Длина метафазных хромосом человека колеблется от 2 до 11 мкм. таким образом, самые крупные хромосомы человека в 4-5 раз длиннее самых мелких хромосом.

О размерах хромосом можно судить и по числу входящих в них нунлеотидных пар. Самая большая хромосома (1) имеет около 250 млн. пар нуклеотидов, а самая маленькая хромосома (21) включает около 50 млн. пар нуклеотидов. Морфология хромосом В хромосоме выделяют первичную перетяжку, в области которой расположена центромера или, кинетохор - особое образование, играющее важную роль в расхождении хроматид при митозе. По обе стороны от центромеры находятся плечи хромосом, которые заканчиваются теломерами (концевыми участками). Теломерные концы хромосом не способны соединяться с другими хромосомами или их фрагментами. Но если хромосому лишить теломерных участков (в результате разрывов), то она будет присоединяться к таким же: разорванным концам других хромосом. У некоторых хромосом кроме первичной перетяжки может быть вторичная перетяжка. Если она сильно выражена, то от хромосомы отделяется участок, который называется «спутник», а такая хромосома называется спутничной.

В области вторичной перетяжки находится ядрышкозый организатор, ответственный за образование ядрышка в конце митоза. В кариотипе человека вторичную перетяжку имеют следующие пары хромосом: 1, 9, 13-15, 16, 21-22. Форма хромосом определяется положением первичной перетяжки, образующейся в районе локализации центромеры и может быть количественно охарактеризована как доля длины короткого плеча (р) к длине всей хромосомы, принятой за 100% (центромерный индекс).

Виды: Метацентрическая=равноплечая (ЦИ=50%); Субметацентртеская=слабонеравноплечая (ци немного меньше 50%); Акроцентрическая=сильнонеравноплечая (ЦИ много меньше 50%); Телоцентрическая (второе плечо отсутствует, центромера на конце). Таких хромосом нет в кариотипе человека.

8. Строение гена. Классификация генов

Фундаментальным понятием в генетике является представление о гене как единице наследственности. Ниже приводится два определения гена. Ген - это участок ДНК, коллинеарно кодирующий определённый белковый или нуклеиновый продукт. Ген - это фрагмент 2-цепочечной ДНК, несущей определённую генетическую информацию. У кишечной палочки имеется 4 тыс. генов, у дрожжей - 7 тыс. генов, а у дрозофилы и плоских червей -15-20 тысяч генов,У человека имеется приблизительно от 50 тысяч до 100 тысяч структурных генов, по данным на 1989 год около 5 тысяч генов были приблизительно охарактеризованы, а около 2 тысяч генов были нанесены на карты хромосом (картированы). 26 июня 2000 года в прессе было сделано сообщение о том, что учеными США, Англии, Японии и других стран, участвующими в программе «Геном человека», завершена основная часть работы (более 90%) по расшифровке генетического кода человека.

В ближайшие 2 года планируется уточнить и завершить работу по данной программе, которая имеет важное прикладное значение для медицины. В плане данной темы важно помнить, что ген занимает определённый участок (локус) в хромосоме, это участок ДНК, который может быть представлен десятками, сотнями или тысячами пар нуклеотидов. В настоящее время, с функционально-генетической точки зрения, гены классифицируют на 3 группы:

1. Структурные гены - кодируют структуру синтезируемых клеткой белков (структурных белков, белков-ферментов и др.), а также кодируют последовательности нуклеотидов в молекулах т-РНК и р-РНК.

2. Регуляторные (функциональные) гены - контролируют и направляют работу структурных генов.

3. Гены-модуляторы. К ним относятся гены-ингибиторы (или супрессоры), которые подавляют функции других генов, гены-интенсификаторы, которые усиливают функции других генов и др. Экзонно-интронная структура генов.

В 70-х годах XX века было обнаружено, что структурные гены эукариот содержат экзоны (участки ДНК, несущие генетическую информацию и отвечающие за синтез определенных участков белков) и интроны (участки ДНК, которые не несут генетической информации, относящейся к синтезу белка, кодируемого данным геном). Интроны ещё называют вставками, расположенными между экзонами. Таким образом, принципиальным отличием генов эукариот от генов прокариот является то, что их структурные гены имеют разорванную, прерывистую структуру. Однако исключение составляют гены, кодирующие гистоны и интерфероны, они не содержат интронов. Дальнейшие исследования показали, что большинство генов эукариот имеют экзон-интронную организацию. Длина интронов варьирует в очень широких пределах: от 100 до 10000 нуклеотидов и более, нередко их суммарная длина больше длины экзонов. Количество интронов и экзонов в разных генах варьирует. Один из самых коротких - ген бета-глобина, состоящий из 1100 пар нуклеотидов (пн), содержит 3 экзона (90, 222, 126 пн) и 2 интрона (116, 646 пн). Примером протяженного гена служит ген дистрофина, имеющий 2,6 млн пн и более 2000 экзонов.

Представление, что интроны - нефункциональная часть гена, - неверно. И хотя детально их биологическая роль не выяснена, существует ряд гипотез о значении интронов:

1) Строение генов из участков выгодно для процессов генетической рекомбинации, перетасовки генов. Чем дальше в хромосоме расположены фрагменты генетического материала, тем выше вероятность рекомбинации. Именно поэтому и выгодны вставки-интроны. Нуклеотидная последовательность интронов менее консервативна, чем у экзонов, она подвергается быстрым изменениям в эволюции.

Перетасовка частей генов может быть использована для разных целей: а) это путь к образованию новых генов; б) это способ нейтрализации вредных мутаций.

2) Предполагается регуляторная роль интронов в экспрессии (работе) генов. Интроны могут содержать энхансеры. Они могут кодировать особый фермент, который участвует в сплайсинге м-РНК (смотри следующий вопрос). Заканчивая разговор о гене, необходимо отметить ещё одно обстоятельство. У эукариот гены разделены между собой протяженными участками ДНК, которые были названы спейсерами, или разделителями. Накапливается всё более данных, что именно в спейсерах располагаются те сегменты ДНК, которым принадлежит решающая роль в регуляции работы генов (в регуляции транскрипции). Регуляиия биосинтеза белка у прокариот (на примере работы лактозного оперона кишечной папочки).

Все клетки любого организма имеют полный набор свойственных данному организму генов. Вместе с тем известно, что клетки разных тканей и органов отличаются по набору имеющихся в них белков. Располагая полной генетической информацией, каждая клетка на определенном этапе развития использует лишь ту её часть, которая необходима в настоящий момент, транскрибируются («работают») только те гены, продукты которых нужны клетке в данный момент для выполнения её функций. Следовательно, клетка должна обладать механизмами, определяющими какие гены и в какой последовательности должны транскрибироваться. Наиболее полно регуляция генной активности изучена на примерах синтеза белков-ферментов у микроорганизмов.

Теория регуляции биосинтеза белка у прокариот разработана в 50-х годах XX века французскими учеными Ф. Жакобом и Ж. Моно. Они разработали концепцию опреона и выяснили основные принципы регуляции биосинтеза белка у прокариот. Согласно теории Ф. Жакоба и Ж. Моно, гены функционально неодинаковы: выделяют группу структурных генов (они кодируют структуру синтезируемых клеткой попипептидов, белков, р-РНК, т-РНК) и группу регуляторных генов (они управляют работой структурных генов обычно с помощью присоединения к ним различных белковых факторов).

Единицей генетической регуляции является оперон, который представляет собой совокупность расположенных е линейной последовательности регуляторных и одного или нескольких структурных генов. Гены одного оперона расположены в хромосоме прокариот рядом и кодируют ферменты, осуществляющие последовательные реакции синтеза или расщепления. Эти гены находятся под общим регуляторным контролем и могут включаться и выключаться координированно. Одним из наиболее наглядных и хорошо изученных примеров является лактозный оперон кишечной палочки (Escherichia coli) - группа генов, контролирующая синтез ферментов, осуществляющих катаболизм молочного сахара - лактозы. Буквально через несколько минут после добавления в питательную среду для кишечной палочки лактозы, бактерии начинают вырабатывать 3 фермента: галактозидпермеазу, бетагалактозидазу и галактоэидтрансацетилазу. Как только ресурсы лактозы в среде исчерпываются, синтез ферментов сразу же прекращается.

Строение лактозного оперона кишечной палочки :

1. Начинается оперон с участка А - он предназначен для присоединения белка-активатора (синий круглешок), в свою очередь необходимого для присоединения к следующему участку фермента (РНК-полимеразы).

2. Следующий участок П (промотор) - место прикрепления фермента РНК-полимеразы (зеленый треугольник), это участок начала транскрипции.

3. За промотором следует О (оператор) - он играет важную роль в транскрипции генов оперона, т.к. с ним может прикрепляться регуляторный белок-репрессор (красн 2 треугольника)

4. За оператором следуют структурные гены (z, у, а), которые кодируют построение 3-х упомянутых ранее белков-ферментов.

5. Заканчивается оперон Т (терминатором) - участком, прекращающим продвижение РНК-полимеразы и транскрипции оперона.

6. Основная регуляция работы структурных генов осуществляется регуляторным белком (красн 2 треугольн) который кодируется Р (геном-регулятором), который не входит в состав оперона, а лежит поблизости в другом месте хромосомы.

Работа лактозного оперона Регуляторный белок-репрессор в незначительном количестве синтезируется в клетке постоянно. Этот белок обладает сродством к последовательности нуклеотидов в области оператора, а также сродством к лактозе. Репрессия : В отсутствие лактозы регуляторный белок связывается с участком-оператором (О) и препятствует продвижению по ДНК РНК-полимеразы: не синтезируется м-РНК, не синтезируются и белки-ферменты. Индукция: После добавления в среду лактозы, регуляторный белок связывается с ней быстрее, чем с участком-оператором, который остаётся свободным и не препятствует продвижению РНК-полимеразы. Идёт транскрипция и трансляция. Синтезирующие белки-ферменты расщепляют лактозу. После того, как вся лактоза будет израсходована, нечем будет связывать регуляторный белок и он снова окажется с О (оператором), прекратив транскрипцию оперона.

Другой известный тип индукции - позитивная индукция. Она свойственна другому оперону кишечной палочки, кодирующему ферменты катаболизма другого сахара - арабинозы. Этот оперон структурно очень похож на предыдущий. Разница в регуляции состоит в том, что добавленная в среду арабиноза взаимодействует с белком-репрессороми, освобождая операторный участок, одновременно превращает белок-репрессор в белок-активатор, способствующий. присоединению РНК-полимеразы к промотору. В этих условиях транскрипции имеет место. Как только запасы арабинозы в среде исчерпываются, синтезирующийся белок-репрессор опять связывается с оператором, выключая транскрипцию.

Кроме индукции, известны также 2 типа (негативный и позитивный) регуляции по принципу репрессии. Если при негативной индукции эффектор (индуктор) препятствует присоединению белка-репрессора к оператору, то при негативной репрессии, наоборот, эффектор придаёт регуляторному белку способность присоединяться к оператору. Если в первом случае соединение эффектора с белком-регулятором разрешало транскрипцию, то во втором оно запрещает её. Примером негативной репрессии может служить хорошо изученный триптофановый оперон кишечной палочки.

В его состав входят пять структурных генов, обеспечивающих синтез аминокислоты триптофана, оператор и два промотора. Белок-регулятор синтезируется вне триптофонового оперона. Пока клетка успевает расходовать весь синтезирующийся триптофан, оперон работает, синтез триптофана продолжается. Если же в клетке появляется избыток триптофана, он соединяется с регуляторным белком и изменяет его таким образом, что этот белок приобретает сродство с оператором. Измененный белок-регулятор взаимодействует с оператором и препятствует транскрипции структурных генов вследствии чего синтез триптофана прекращается. При позитивной репрессии эффектор лишает регуляторный белок способности связываться с оператором, обуславливая таким образом, транскрипцию структуоных генов.

Описанные типы регуляции характеризуют механизмы регуляции отдельных оперонов, практически не касаясь регуляции экспрессии генома в целом, в то время как совершенно очевидно, что регуляция разных оперонов должна носить согласованный характер. Такой согласованный характер работы разных оперонов и генов получил у вирусов и фагов название каскадной регуляции. Согласно принципу каскадной регуляции, сначала происходит транскрипция «предранних», затем «ранних» и наконец «поздних» генов, в зависимости от того, какие белки требуются на разных стадиях вирусной (фаговой) инфекции.

Конечно, принцип каскадной регуляции у фагов относится к наиболее простым. У более сложно организованных организмов для осуществления большого количества функций, происходящих одновременно или с определённой последовательностью, необходима согласованная работа многих генов и оперонов, Особенно это касается эукариотов, отличающихся не только более сложной организацией генома, но и многими другими особенностями механизмов регуляции генной активности.

По принципам регуляции гены эукариотов можно условно разделить на 3 группы:

1) функционирующие во всех клетках организма;

2) функционирующие в тканях только одного типа;

3) обеспечивающие выполнение специализированными клетками конкретных функций.

Кроме того, у эукариотов известно одновременное групповое выключение генной активности, осуществляемое гистонами - основными белками, входящими в состав хромосом. Ещё одним существенным отличием транскрипции у эукариотов является то, что многие м-РНК длительное время сохраняются в клетке в виде особых частиц -информосом, в то время как м-РНК прокариотов практически ещё в процессе транскрипции поступают в рибосомы, транслируются, после чего быстро разрушаются.

Вместе с тем, имеется много данных, указывающих, что транскрипция у эукариотов осуществляется с участков, подобных оперонам прокариотов и состоящих из регуляторных и структурных генов. Отличительной особенностью оперонов эукариотов является то, что почти всегда они содержат только структурный ген, а гены, контролирующие различные этапы определённой цепи метаболических превращений разбросаны по хромосоме и даже по разным хромосомам.

Другой отличительной чертой оперонов эукариотов является то, что они состоят из значащих (экзонов) и незначащих (интронов) участов. чередующихся друг с другом. При транскрипции считываются как экзоны, так и интроны, а образующийся при этом предшественник информационной РНК (про-мРНК) затем претерпевает созревание (процессинг), в результате которого происходит вырезание интронов и образование собственно м-РНК (сплайсинг).

У эукариотов известны и другие типы регуляции активности генов, такие как эффект положения или дозовая компенсация. В первом случае речь идёт об изменении генной активности е зависимости от конкретного окружения: перемещение гена из одного места хромосомы в другое может приводить к изменению активности как этого гена, так и близлежащих. Во втором случае, нехватка одной дозы какого-либо гена (в первую очередь это относится к генам, локализованным в половых хромосомах гетерогаметного пола, когда одна из гомологичных половых хромосом либо генетически инертна, либо полностью отсутствует) фенотипически не проявляется за счет компенсаторного увеличения активности оставшегося гена, В целом же, регуляция активности генов у эукариотов изучена недостаточно.

9. Генетический код и его свойства

Генетический код - единая система записи наследственной информации в молекулах нуклеиновых кислот в виде последовательности нуклеотидов. Генетический код основан на использовании алфавита, состоящего всего, из 4 букв-нуклеотидов, отличающихся азотистыми основаниями.

1953 год обычно считают годом рождения молекулярной биологии. В это время американец Джеймс Уотсон и англичанин Френсис Крик в Кембридже расшифровали структуру ДНК - двойную спираль. Их работа базировалась на данных М. Уилкинса и Р. Франклина (Великобритания) по рентгеноструктурному анализу ДНК и на данных Э. Чаргаффа (США) о нуклеотидном составе ДНК.

Попытки расшифровки генетического кода были предприняты в 1954 году Г. Гамовым. Основные свойства кода «триплетность» и «вырожденность» выявили в 1961 году Ф. Крик и С. Бреннер. В 1961 году впервые дешифровали первую триплетную последовательность - это сделали ученые М. Ниренеберг и Г. Маттеи. К 1965 году был расшифрован полностью весь генетический код. В настоящее время определение нуклеотидных последовательностей ДНК и РНК проводится с помощью специального метода - секвенирования, в котором используются ферменты рестриктазы.

Принцип кодирования генетической информации заключается в том, что порядок расположения аминокислот в белке закодирован в порядке расположения кодонов (триплетов нуклеотидов) в ДНК гена, т.е. структура гена и структура кодируемого им белка коллинеарны.

Свойства генетического кода:

1. Код является триплетным. Триплет - последовательность трех нуклеотидов, кодирующая одну аминокислоту.

2. Код является непрерывным. Каждый триплет соседствует со следующим без промежутков.

3. Код является неперекрывающимся. Процесс считывания генетической информации не допускает возможности перекрывания кодонов.

4. Код является вырожденным (избыточным), т.е. одна аминокислота может кодироваться различными триплетами нуклеотидов (исключение составляют метионин и триптофан, которые кодируются только одним триплетом). Аминокислот - 20. Различных триплетов нуклеотидов - 4³=64.Три триплета УАА, УАГ, УГА - это стоп-сигналы(терминирующие кодоны), прекращающие синтез белка. Триплет, соответствующий метионину (АУГ), выполняет функцию инициирования (возбуждения) считывания и не кодирует аминокислоту, если стоит в начале цепи ДНК.

5. Код является коллинеарным. Очерёдность триплетов нуклеотидов ДНК соответствует очерёдности аминокислот в белке.

6. Код является универсальным, т.к. он одинаков для всех живых организмов.

10. Основные этапы биосинтеза белка в клетке

Синтез белков является одним из наиболее важных и характерных свойств любой живой клетки.

Способность к синтезу белков передается по наследству от клетки к клетке и сохраняется ею в течение всей жизни.

Биосинтез белка - один из центральных процессов метаболизма клетки, который связан с потоком вещества, энергии и информации.

Для осуществления биосинтеза белка необходим ряд условий, среди которых выделим, главные:

1. место синтеза - рибосомы;

2. материал, из которого строятся белки, - аминокислоты;

3. информация - она содержится в участке ДНК - гене, а передаётся синтезируемому белку через РНК (ДНК- РНК- Белок);

4. необходимым условием является энергия (в виде АТФ), т.к. синтез белка -процесс эндотермический;

5. важную роль в процессе биосинтеза белка играют ферменты, которые позволяют ему идти быстрее, четко, в определённой последовательности (ферменты: РНК-полимераза. белок-синтетаза и др.).

Рассмотрим процесс синтеза белка на примере эукариотической клетки. Можно выделить 3 основных этапа в этом процессе:

1. Транскрипция.

2. Посттранскрипционные превращения.

3. Трансляция.

Остановимся на этих этапах более подробно.

Транскрипция - первый этап реализации генетической информации, передача (переписывание) её с ДНК-матрицы на образующуюся РНК. Осуществляется в ядре клетки на смысловой нити ДНК, находящейся в деспирилизованном состоянии. Транскрипция идет в 3 стадии: инициация, элонгация и терминация.

Инициация. Для инициации необходимо наличие специального участка в ДНК, называемого промотором. Когда РНК-полимераза связывается с промотором, происходит локальное расплетание молекулы ДНК и образуется открытый промоторный участок.

Элонгация (удлинение) цепи РНК - это стадия транскрипции, которая наступает после присоединения 8 рибонуклеотидов. При этом движущаяся РНК-полимераза вдоль цепи ДНК действует подобно застежке молнии, раскрывая двойную спираль, которая замыкается позади фермента по мере того, как соответствующие основания РНК спариваются с основаниями ДНК.

Терминзция (прекращение роста) цепи мРНК происходит на специфических участках ДНК, называемых терминаторами.

Особенностью транскрипции у эукариот является то , что информация переписывается с промотора, оператора, с экзонов и интронов структурного гена и в результате образуется про-м-РНК, которую называют незрелой м-РНК. Она в среднем в 5 раз длиннее зрелой м-РНК.

Вторым этапом биосинтеза белка, который также происходит в ядре клетки, являются посттранскрипционные изменения структуры про-мРНК. Всю совокупность реакций, в результате которых из незрелой про-мРНК формируется зрелая м-РНК, называют процессингом. Он включает удаление начальных участков про-мРНК (соответствующих промотору и оператору), удаление участков, переписанных с интронов, а также сплайсинг (сшивание) участков, переписанных с экзонов. Зрелая м-РНК, соединяясь в ядре со специфическими белками, образует информоферы. Предполагают, что они способствуют отделению м-РНК от ДНК-матрицы и транспортировке её к ядерной мембране. Вышедшая из ядра м-РНК образует информосомы, вступая в комплекс со специфическими белками, играющими роль в процессе трансляции. Информосомы могут долго существовать в цитоплазме, например, при созревании яйцеклетки.

Следующим этапом биосинтеза белка, который идёт в цитоплазме клетки, является трансляция.

Трансляция - это перевод генетической информации с нуклеотидного кода, записанного в молекулах м-РНК, в определённую последовательность аминокислот в полипептидной цепи синтезируемого белка.

В процессе трансляции активно участвуют м-РНК, рибосомы, т-РНК с различными аминокислотами, ферменты (аминоацил-тРНК-синтетазы, белок-синтетазы и др.), используется энергия АТФ.

Зрелые молекулы мРНК, попавшие в цитоплазму, прикрепляются к рибосомам, а затем протягиваются через них.

Функционирующие рибосомы состоят из 2-х субъединиц, большой и малой, построенных из р-РНК и различных белков, около 50% занимает вода. В каждцй момент внутри рибосомы находится небольшой участок м-РНК - обычно это 2 кодона или 2 триплета нуклеотидов.

Кодон - единица наследственной информации, состоящая их трёх расположенных в определённой последовательности нуклеотидов РНК и кодирующая одну аминокислоту. Т.к. имеется 4 типа нуклеотидов, то существует 64 различных триплетных кодона (4³ = 64).

Аминокислоты доставляются в рибосомы различными т-РНК, которых в клетке несколько десятков. Молекулы т-РНК имеют два активных центра. К одному из них с участием АТФ и с помощью ферментов происходит присоединение аминокислоты, при этом образуется комплекс аминоацил-тРНК, а аминокислоты при этом активируются. Процесс узнавания аминокислот транспортными РНК получил название рекогниции. Второй активный центр в аминоацил-тРНК называется антикодоном - это участок молекулы т-РНК. состоящий из трёх нуклеотидов и «узнающий» комплиментарный ему участок из трёх нуклеотидов (кодон) в молекуле м-РНК. Взаимодействие кодона м-РНК и антикодона т-РНК обеспечивает определенное расположение аминокислот в синтезирующейся на рибосомах полипептидной цепи. Рибосома движется относительно м-РНК только в одном направлении (от 5' -> 3') , перемещаясь на один триплет.

Синтез белковой молекулы происходит в большой субъединице, где против одного триплета расположен эминоацильный центр (служит для удержания только что прибывшей молекулы т-РНК с аминокислотой), а против другого - пептидильный центр (фиксируют молекулу т-РНК, присоединённую к растущему концу полипептидной цепи). Образование пептидных связей между аминокислотами происходит в большой субъединице рибосомы, где работает фермент лептидилтрансферраза или белок-синтетаза.

Молекула м-РНК может работать сразу с несколькими рибосомами, все они синтезируют один и тот же белок.

Группа рибосом, одновременно находящихся на одной м-РНК, называется полирибосомой (полисомой).

Рибосома, как место синтеза, может участвовать в синтезе любого белка, характер же белка зависит от м-РНК. Каждая м-РНК транслируется, как правило, несколько раз, после чего разрушается. Среднее время жизни молекулы м-РНК около 2-х минут. Разрушая старые и образуя новые м-РНК, клетка может регулировать тип продуцируемых белков и их количество.

Трансляция включает следующие стадии :

1) инициация - начало синтеза;

2) элонгация - удлинение, наращивание полипептидной цепи;

3) терминация - окончание синтеза.

Синтез белка заканчивается, когда рибосома доходит до терминирующего кодона (бессмысленного). Это кодоны : УАГ, УАА, УГА, они не кодируют никаких аминокислот и являются знаками прекращения синтеза полипептидной цепи на м-РНК. По окончании синтеза белка, рибосома распадается на малую и большую субъединицы. Синтезированная белковая молекула по эндоплазматической сети поступает в ту часть клетки, где данный белок необходим.

11. Клеточный и митотический циклы

Клеточный цикл - это период жизнедеятельности клетки от момента её возникновения до нового деления или гибели.

Митотический (пролифеоативный) цикл - это период, включающий подготовку клетки к делению и само деление. Он включает аутосинтетическую интерфазу (И /ф) и митоз (М). МЦ = И/ф + М.

Соотношение клеточного и митотического циклов может быть разным в зависимости от типа клеток и от способности их к делению

1 группа Ткани, митозы в которых отсутствуют, регенерация осуществляется на внутриклеточном уровне. Нейроны, зрелые эритроциты,остеоциты костной ткани и др. KЦ = G₀

2 группа. Быстрообновляющиеся ткани. Клетки росткового слоя эпидермиса кожи, эпителий кишечника и роговицы глаза, меристематическая ткань у растений и др. кц = МЦ = И/ф + М = (G₁+S+G₂)+M

3 группа. Медленнообновляющиеся ткани внутренних паренхиматозных органов. Эпителий легких, поджелудочной железы, гепатоциты (клетки печени) и др. KЦ=G₀+MЦ=G₀+[(G₁+S+G₂)+M]

Клеточный цикл может иметь разную продолжительность у одного и того же организма в зависимости от тканевой принадлежности. Например, у человека продолжительность клеточного цикла составляет: для эпителия кожи - 20-25 суток, лейкоцитов - 3-5 суток, эпителия роговицы глаза - 2-3 суток, клеток костного мозга - 8-12 часов.

В среднем митотический цикл длится 12-36 часов.

При 24-часовом митотическом цикле продолжительность периодов приблизительно составляет: G₁ - 12 часов; S - 6-8 часов; G₂ - 3-4 часа и М - 1 час.

Аутосинтетическая и гетеросинтетическая интерфазы.

Митозу предшествует интерфаза, которая называется аутосинтетической и состоит из 3 периодов: G1, S и G2 (G - от англ. gap - интервал). Интерфаза обычно занимает не менее 90% всего времени клеточного цикла.

G1-пресинтетический период

1. Идет синтез белков и РНК

2. Синтезируются белки-гистоны для хромосом.

3. Синтезируются ДНК-полимеразы и др. ферменты.

4. Накапливаются предшественники ДНК -дезоксирибонуклеотиды.

5. Увеличивается количество рибосом и митохондрий.

6. Синтез АТФ.

Все это приводит к тому, что клетка интенсивно растет и может выполнять свою основную функцию.

Набор генетического материала - 2n, 2с.

S-синтетический период

1. Продолжается синтез белков и РНК.

2. Главное событие интерфазы - репликация (удвоение) молекул ДНК!

Набор генетического материала - 2 n. 4с.

G2-постсинтетический период

1. Продолжается синтез белков и РНК.

2. Синтезируются белки веретена деления (тубулинов).

3. Активизируется биосинтез веществ, необходимых для удвоения центриолей.

4. Идет синтез АТФ и других веществ богатых энергией.

5. Потребление клеткой кислорода уменьшается.

Набор генетического материала - 2 n. 4с.

В конце интерфазы изменяется физико-химическое состояние цитоплазмы (из состояния «золь» она переходит в состояние «гель» - становится более густой и менее акгивной). После аутосинтетической интерфазы клетка готова к митозу.

Гетеросинтетическая интерфаза - это период роста, дифференцировки клеток и выполнения ими специфических функций.

Митоз и его значение.

Митоз (от греч. mitos - нить) - непрямое деление клеток, сопровождающееся спирализацией хромосом.

И.Д. Чистяков (1874), Е. Страсбургер (1875) - описали митоз в растительных клетках. В дальнейшем П.И. Перемежко (1879) и В. Флемминг (1879, 1882) показали общую направленность процесса, который лежит в основе современных представлений о митозе.

В процессе митоза условно выделяют несколько стадий, постепенно и непрерывно переходящих друг в друга: 1) профазу; 2) метафазу; 3) анафазу и 4) телофазу. Длительность стадий митоза различна и зависит от типа ткани, физиологического состояния организма, внешних факторов; наиболее продолжительны первая и последняя.

Профаза (от греч. pro- до, перед и греч. phasis - появление) - начальная фаза митоза. Наблюдается спирализация и конденсация хроматина и превращение его в компактные, заметные в световой микроскоп тельца - хромосомы, состоящие из 2-х хроматид, соединенных в области центромеры; начинает формироваться веретено деления, которое у животных образуется с участием центриолей, расходящихся к полюсам тетки, а у растений - без них. Наблюдается растворение ядрышек. Ядерная оболочка распадается на фрагменты и наблюдается беспорядочное движение хромосом в центральной части клетки, соответствующей зоне бывшего ядра.

Метафаза (от греч. meta - между, после) - вторая фаза митоза. Хромосомы выстраиваются по экватору клетки, образуя экваториальную пластинку; хорошо видно, что они состоят из двух хроматид. Завершается формирование веретена деления, есть две группы нитей: одни идут от полюса до полюса, а другие - от полюса до первичной перетяжки хромосом. В конце метафазы - начале анафазы происходит разделение центромер, и у каждой хроматиды с этого момента есть своя перетяжка.

Анафаза (от греч. ana - вверх). Самая короткая стадия митоза. Характеризуется расхождением хроматид к противоположным полюсам клетки.

Относительно механизма движения хроматид существует несколько гипотез, каждая из которых недостаточна для объяснения всех особенностей анафазного расхождения хроматид: а) скольжение хроматид по нитям веретена деления; б) «подталкивание» хроматид в области центромер и другие. Анафаза заканчивается, когда группы хроматид концентрируются у разных полюсов клетки,

Телофаза (от лэеч. telos - конец) - по своему биологическому смыслу обратна профазе. Начинается с момента прекращения движения хроматид (сейчас их можно называть хромосомами) у полюсов клетки, где они деспирализуются (превращаются в состояние хроматина). Разрушается веретено деления. Затем образуется ядерная оболочка и формируются ядрышки (за счет ядрышковых организаторов некоторых хромосом).

Заканчивается телофаза разделением цитоплазмы - цитокенезом. У растений цитокенез происходит путем образования в центре клеточной перегородки, которая нарастает к периферии, а у клеток животных - путем перетяжки цитоплазматической мембраны от периферии к центру клетки.

Биологическое значение митоза заключается в строго равномерном распределении наследственной информации между дочерними клетками, в результате чего из одной материнской клетки образуются две дочерние клетки, которые идентичны по генетической информации между собой и материнской клетке.

1. Митозом делятся соматические клетки и незрелые половые.

2. За счет митоза происходит рост организма в эмбриональном и постзмбриональном периодах.

3. Митозом осуществляются процессы регенерации:

а) физиологическая регенерация - функционально устаревшие клетки организма заменяются новыми (форменные элементы крови, эпителиальные клетки кожи м Другие);

б) репаративная регенерация - восстановление утраченных органов и тканей. А. Митоз - одна из форм бесполого размножения у простейших.

...