Основы генетики

Размещено на http://www.allbest.ru/

Лекция 1

1) ЭНЕРГИИ СОХРАНЕНИЯ И ПРЕВРАЩЕНИЯ ЗАКОН - общий закон природы: энергия любой замкнутой системы при всех процессах, происходящих в системе, остается постоянной (сохраняется). Энергия может только превращаться из одной формы в другую и перераспределяться между частями системы. Для незамкнутой системы увеличение (уменьшение) ее энергии равно убыли (возрастанию) энергии взаимодействующих с ней тел и физических полей.

1) МЕХАНИКА:

АРХИМЕДА ЗАКОН, ВСЕМИРНОГО ТЯГОТЕНИЯ ЗАКОН, ГАЛИЛЕЯ ПРИНЦИП ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ, ГУКА ЗАКОН, ИМПУЛЬСА СОХРАНЕНИЯ, НЬЮТОНА ЗАКОНЫ, ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ ПРИНЦИП

2) МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА И ТЕРМОДИНАМИКА:

АВОГАДРО ЗАКОН, БОЙЛЯ-МАРИОТТА ЗАКОН, ВТОРОЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ, ГЕЙ-ЛЮССАКА ЗАКОН, ДАЛЬТОНА, ПАСКАЛЯ ЗАКОН, ПЕРВЫЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ, ШАРЛЯ ЗАКОН

3) ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ:

АМПЕРА ЗАКОН ДЖОУЛЯ-ЛЕНЦА ЗАКОН, ЗАРЯДА СОХРАНЕНИЯ ЗАКОН, КУЛОНА ЗАКОН, ЛЕВОЙ РУКИ ПРАВИЛО, ЛЕНЦА ПРАВИЛО (ЗАКОН), ОМА ЗАКОН, ПРАВОЙ РУКИ ПРАВИЛО, ФАРАДЕЯ ЗАКОНЫ, ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ ЗАКОН.

4) ОПТИКА:

ГЮЙГЕНСА ПРИНЦИП, ГЮЙГЕНСА - ФРЕНЕЛЯ - ПРИНЦИП, ОТРАЖЕНИЯ ВОЛН ЗАКОН, ПРЕЛОМЛЕНИЕ СВЕТА, ПРЯМОЛИНЕЙНОГО РАСПРОСТРАНЕНИЯ СВЕТА ЗАКОН0

5) АТОМНАЯ И ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА:

БОРА ПОСТУЛАТЫ, БОРА ТЕОРИИ

Статистическая физика даёт вывод термодинамики многих реальных систем: идеальных газов, реальных газов, квантовых газов, простых конденсированных сред (например, идеальных кристаллов, спиновых цепочек). В частности, она даёт явные соотношения для используемых в термодинамике энтропии, термодинамической работы, внутренней энергии и объясняет закон не убывания энтропии.

2. Известны четыре основных физических взаимодействия, которые определяют структуру нашего мира: сильные, слабые, электромаг­нитные и гравитационные.

1) Сильные взаимодействия происходят на уровне атомных ядер и представляют собой взаимное притяжение их взаимных частей. Действуют на расстояниях примерно 10-13 см. Одно из проявлений сильных взаимодействий -- ядерные силы.

2) Электромагнитное взаимодействие в 100-1000 раз слабее сильного взаимодействия, но более дальнодействующее. Свойственно электрически заряженным частицам. Носителем электромагнитного взаимодействия является не имеющий заряда фотон - квант электромагнитного поля.

3) Слабые взаимодействия слабее электромагнитного. Радиус его действия 10^-15 - 10^-22 см. Слабое взаимодействие связано с распадом частиц, например, с происходящими в ядре превращениями протона в нейтрон, позитрон и нейтрино.

4) Гравитационное взаимодействие характерно для всех материальных объ­ектов вне зависимости от их природы. Оно заключается во взаимном притя­жении тел и определяется фундаментальным законом всемирного тяготения: между двумя точечными телами действует сила притяжения, прямо пропор­циональная произведению их масс и обратно пропорциональная квадрату расстояния между ними.

3. 1-й закон термодинамики. Представляет собой формулировку обобщённого закона сохранения энергии для термодинамических процессов. В наиболее простой форме его можно записать как дQ = дA + d'U, где dU есть полный дифференциал внутренней энергии системы, а дQ и дA есть элементарное количество теплоты и элементарная работа, совершенная над системой соответственно. Нужно учитывать, что дA и дQ нельзя считать дифференциалами в обычном смысле этого понятия. С точки зрения квантовых представлений этот закон можно интерпретировать следующим образом: dU есть изменение энергии данной квантовой системы, дA есть изменение энергии системы, обусловленное изменением заселённости энергетических уровней системы, а дQ есть изменение энергии квантовой системы, обусловленное изменением структуры энергетических уровней.

4. 2-й закон термодинамики: Второй закон термодинамики исключает возможность создания вечного двигателя второго рода. Имеется несколько различных, но в тоже время эквивалентных формулировок этого закона. 1 - Постулат Клаузиуса. Процесс, при котором не происходит других изменений, кроме передачи теплоты от горячего тела к холодному, является необратимым, то есть теплота не может перейти от холодного тела к горячему без каких-либо других изменений в системе. Это явление называют рассеиванием или дисперсией энергии. 2 - Постулат Кельвина. Процесс, при котором работа переходит в теплоту без каких-либо других изменений в системе, является необратимым, то есть невозможно превратить в работу всю теплоту, взятую от источника с однородной температурой, не проводя других изменений в системе.

5. 3-й закон термодинамики: Теорема Нернста: Энтропия любой системы при абсолютном нуле температуры всегда может быть принята равной нулю.

6. Если рассматривать термодинамическую систему, состоящую только из живой системы, то закон сохранения энергии неприменим, так как живая система является открытой. Для термодинамической системы, включающей в себя живую систему и среду, с которой система обменивается энергией и веществом, закон сохранения энергии выполняется. Действительно, как показали опыты, общее количество энергии, которое получает организм за некоторый промежуток времени, вновь обнаруживается впоследствии в виде:

а) выделяемого тепла;

б) в совершаемой внешней работе или выделяемых веществах;

в) в виде теплоты сгорания веществ, синтезированных за этот промежуток времени за счет энергии, поступившей извне.

Итак, живая система является открытой системой, и ее энтропия не возрастает, как это имеет место в изолированной системе. Это означает, что живая система постоянно совершает работу, направленную на поддержание своей упорядоченности, и находится в неравновесном стационарном состоянии. Производство энтропии при этом минимально.

Гетерогенная система-разнородная система, со­стоящая из двух или более частей, отличающихся по свойствам, между которыми есть поверхность раздела, где свойства системы резко меняются (скачком). Например, молоко, кровь, смеси воды и льда, воды и масла.

Лекция 2

1. Во многих случаях все разнообразие форм жизни определяется целесообразностью расходования веществ и энергии на те или иные структуры или процедуры. Всегда есть альтернатива - направить имеющиеся ресурсы на увеличение собственного тела или израсходовать их на потомство. Что лучше, иметь немногочисленных, но крупных, стойких потомков или мелких, но в большом количестве. Попытку найти закономерность решения в процессе эволюции живых организмов делает концепция r - и K - отбора. Эта концепция была сформулирована Р. МакАртуром и Э Уилсоном, но в наиболее полной мере развита Э. Пианкой.

2. r - виды -это небольшие организмы, с коротким периодом индивидуальной жизни, направляющие большую часть веществ и энергии на формирование органов размножения. Главная черта стратегии их жизни - размножение. 

3. К - виды являются крупными организмами с продолжительной жизнью. Они поздно приступают к размножению и расходуют на него лишь небольшую часть имеющихся ресурсов. Главная черта их жизненной стратегии - выживание особей и контроль за территорией, которой они владеют. 

4. Природа жизни, её происхождение, разнообразие живых существ и объединяющая их структурная и функциональная близость занимают одно из центральных мест в биологии.

Прежде всего, человека интересовало происхождение Земли и возникновение жизни.

Теории, касающиеся возникновения Земли, разнообразны и далеко не достоверны.

Согласно теории «стационарного состояния» Вселенная существовала вечно, т.е. всегда.

Согласно другим гипотезам Вселенная могла возникнуть из сгустка нейтронов, в результате «большого взрыва» или родилась в одной из «чёрных дыр», или даже была создана «творцом, всевышним».

Среди главных теорий возникновения жизни на Земле следует упомянуть след.:

1) Теория креационизма: жизнь была создана в определённое время сверхъестественным существом.

2) Теория самопроизвольного заражения: жизнь возникла неоднократно из неживого вещества.

3) Теория «стационарного состояния»: жизнь существовала всегда, независимо от нашего сознания.

4) Теория панспермии: жизнь занесена на нашу Планету извне.

5) Теория биохимической эволюции: жизнь возникла в результате процессов, подчиняющихся химическим и физическим законам. Более или менее научная.

Несмотря на разнообразие возможных гипотез о возникновении жизни, большинство из них исходит из тех условий, которые существовали на только что сформировавшейся Земле.

Ещё Дарвин понял, что жизнь может возникнуть только при отсутствии жизни. Вначале вездесущие микроорганизмы, распространённые сейчас на Земле «съедали» бы вновь образующиеся органические вещества, следовательно, появление жизни, в привычных нам земных условиях, невозможно.

Второе условие, при котором можем зародиться жизнь, отсутствие свободного О₂в атмосфере, т.е. отсутствие условий, когда органические вещества могут накапливаться не окисляясь. На нашей Планете они накапливаются только в бескислородных условиях (торф, нефть, каменный уголь).

Это возможно открытие сделали Опарин и Холдейн. Позже они сформировали гипотезу, рассматривающую возникновение жизни, как результат длительной эволюции углеродных соединений. Она легла в основу научных представлений о происхождение жизни.

По данным современной науки возраст Земли, как и всей солнечной системы, около 4,7 млрд.лет. Впервые признаки жизни на ней появились около 3,8 млрд.лет т.н.

5. Начальный момент существования Земли, около 4,5 млрд. лет назад, солнечная светимость составляла примерно 1/3 часть от нынешней величины - это связано с тем, что хоть звезда типа Солнца в стабильной фазе своего существования почти не меняется, некоторые медленные изменения все же происходят - водород в ядре постепенно выгорает, и это приводит к очень медленному, но все таки заметному постепенному росту светимости. Парниковый же эффект на начальных этапах существования Земли был очень мощным - значительный нагрев Земли в это время за счет выпадения протопланетных обломков, высокой радиоактивности, и прочих указанных в начале главы причин, вызывал мощную дегазацию земных недр, поток углекислого и других парниковых газов в атмосферу был высок, а эффективных путей вывода их из атмосферы еще не было. В период примерно 900-600 млн. лет назад, на Земле вновь прошла череда сильнейших оледенений. Похоже они были вызваны широким распространением к тому времени живых организмов, способных к фотосинтезу, причем в условиях, очень хороших для захоронения органики (отсутствие кислорода на океанических глубинах) и вывода углекислого газа из атмосферы на длительный срок. Периодическое чередование таких оледенений была вызвана, вероятно, изъятием очень больших объемов углекислого газа из атмосферы биотой, похолоданием и оледенением, и в конце гибелью большей части биомассы, что приводило к сильному сокращению вывода углекислого газа из атмосферы, его накоплению в атмосфере вновь, и опять к потеплению и возрождению жизни. В последнее время температура на поверхности планеты начала быстро и сильно расти. Причем, как видно из представленных выше графиков, рост температуры хорошо совпадает с выбросами углекислого газа от человеческой деятельности. Вместе с тем, надо обратить внимание на небольшое потепление в 30-40 годах, заметное на графике. Это потепление связывают не столько с повышением содержания углекислого газа в атмосфере (его в то время было еще маловато), сколько с увеличением прозрачности атмосферы для солнечного излучения, уменьшением альбедо в это время. Дело в том, что примерно с 20х годов ХХ века на несколько десятилетий установилась низкая вулканическая активность, что привело к уменьшению поступления аэрозолей, отражающих солнечный свет, в атмосферу. Однако вскоре вулканическая активность восстановила свой уровень, количество аэрозолей в атмосфере возросло, и дальнейшее потепление было обусловлено только парниковыми газами.

6. Вторичная структура ДНК имеет форму скрученной лестницы или двойной спирали. Две отдельные цепочки молекулы ДНК соединяются друг с другом посредством относительно слабых водородных связей между азотистыми основаниями нуклеотидов. Такие связи лежат в основе принципа комплементарного спаривания нуклеотидов. При комплементарном спаривании нуклеотидов соблюдаются строгие правила.

Большие (пуриновые) азотистые основания спариваются только с маленькими (пиримидиновыми).

Гуанин в любой молекуле (ДНК и РНК) может спариваться только с цитозином, образуя три водородные связи.

Аденин в молекуле может спариваться с тимином или с урацилом, образуя по две водородные связи. Если аденин спаривается с тимином, то синтезируется или работает молекула ДНК. Если аденин спаривается с урацилом, то синтезируется или работает молекула РНК.

Другие варианты спаривания нуклеотидов невозможны.

Лекция 3

1. Геномм -- совокупность наследственного материала, заключенного в клетке организма

Ген - это наименьшая структурная и функциональная частица информации о наследственности у живых организмов. По сути он представляет собой небольшой участок ДНК, в котором содержится знание об определенной последовательности аминокислот для построения белка либо функциональной РНК (с которой также будет синтезирован белок).

Геном человека - это весь наследственный материал, который находится в единственной клетке человека. Именно в нем содержатся указания о построении тела, работе органов, физиологических изменениях.

Хромосомы - это способ упаковки генетического материала. Они находятся в ядре каждой эукариотической клетки и состоят из одной очень длинной молекулы ДНК.

2. Тандемные повторы представляют собой повторяющиеся последовательности ДНК различной длины:

Микросателлиты - ДНК повторы от 1 до 6 нуклеотид

Минисателлиты - от 7 до 100 нуклеотидов

Сателлиты - более 100 нуклеотидов

3. Тандемные повторы -- последовательности повторяющихся фрагментов ДНК. В зависимости от размера подразделяются на три класса: сателлитная ДНК,минисателлиты и микросателлиты.

4. Нуклеосомный, Нуклеомерный, Хромомерный, Хроматидный

Лекция 4

1. Репликамция ДНК -- процесс синтеза дочерней молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты на матрице родительской молекулы ДНК. В ходе последующего деления материнской клетки каждая дочерняя клетка получает по одной копии молекулы ДНК, которая является идентичной ДНК исходной материнской клетки. Этот процесс обеспечивает точную передачу генетической информации из поколения в поколение. Репликацию ДНК осуществляет сложный ферментный комплекс, состоящий из 15--20 различных белков, называемый реплисомой

2. Молекула РНК известна нам под названием «рибонуклеиновая кислота». Как и ДНК, эта макромолекула неотъемлемо содержится в клетках всех живых организмов. Их строение во многом совпадает - РНК, так же как и ДНК, состоит из звеньев - нуклеотидов, которые представлены в виде фосфатной группы, азотистого основания и сахара рибозы. Расположение нуклеотидов в различной последовательности позволяет кодировать индивидуальный генетический код. РНК бывают трёх видов: и-РНК - отвечает за передачу информации, р-РНК - является составляющей рибосом, т-РНК - отвечает за доставку аминокислот к рибосомам. Помимо всего прочего, так называемая матричная РНК используется всеми клеточными организмами для синтеза белка. У отдельных молекул РНК можно отметить собственную ферментативную активность. Проявляется она способностью как бы “разрывать” другие молекулы РНК или же соединять два РНК-фрагмента. РНК так же является составной частью геномов большинства вирусов, у которых она выполняет ту же функцию что и у высших организмов макромолекула ДНК. Чем отличается ДНК от РНК---Изначально людям казалось, что фундаментальной основой жизни являются белковые молекулы. Однако, научные исследования позволили выявить тот важный аспект, который отличает живую природу от неживой: нуклеиновые кислоты. Между ДНК и РНК есть три основных отличия:

1) ДНК содержит сахар дезоксирибозу, РНК -- рибозу, у которой есть дополнительная, по сравнению с дезоксирибозой, гидроксильная группа. Эта группа увеличивает вероятность гидролиза молекулы, то есть уменьшает стабильность молекулы РНК.

2) Нуклеотид, комплементарный аденину, в РНК не тимин, как в ДНК, а урацил -- неметилированная форма тимина.

3) ДНК существует в форме двойной спирали, состоящей из двух отдельных молекул. Молекулы РНК, в среднем, гораздо короче и преимущественно одноцепочечные.

3. Структура рибонуклеиновых кислот (РНК). Первичная структура РНК - порядок чередования рибонуклеозидмонофосфатов в полинуклеотидной цепи. В РНК, как и в ДНК, нуклеотиды связаны между собой 3',5'-фосфодиэфирными связями. Концы полинуклеотидных цепей РНК неодинаковы. На одном конце находится фосфорилированная ОН-группа 5'-углеродного атома, на другом конце - ОН-группа 3'-углеродного атома рибозы, поэтому концы называют 5'- и 3'-концами цепи РНК.

Вторичная структура РНК Молекула рибонуклеиновой кислоты построена из одной полинуклеотидной цепи. Отдельные участки цепи РНК образуют спирализованные петли - «шпильки», за счёт водородных связей между комплементарными азотистыми основаниями A-U и G-C. Участки цепи РНК в таких спиральных структурах антипараллельны, но не всегда полностью комплементарны, в них встречаются неспаренные нуклеотидные остатки или даже одноцепочечные петли, не вписывающиеся в двойную спираль. Наличие спирализованных участков характерно для всех типов РНК.

Третичная структура РНК Одноцепочечные РНК характеризуются компактной и упорядоченной третичной структурой, возникающей путём взаимодействия спирализованных элементов вторичной структуры. Так, возможно образование дополнительных водородных связей между нуклеотидными остатками, достаточно удалёнными друг от друга, или связей между ОН-группами остатков рибозы и основаниями. Третичная структура РНК стабилизирована ионами двухвалентных металлов, например ионами Mg²⁺, связывающимися не только с фосфатными группами, но и с основаниями.

4. Мир РНК -- гипотетический этап возникновения жизни на Земле, когда как функцию хранения генетической информации, так и катализ химических реакций выполняли ансамбли молекул рибонуклеиновых кислот. Впоследствии из их ассоциаций возникла современная ДНК-РНК-белковая жизнь, обособленная мембраной от внешней среды. Идея мира РНК была впервые высказана Карлом Вёзе в 1968 году, позже развита Лесли Орджелом^[en]* и окончательно сформулирована Уолтером Гильбертом в 1986 году.

5. Выделяют три основных типа РНК, различающихся по структуре, величине молекул, расположению в клетке и выполняемым функциям.

Рибосомные РНК (рРНК) синтезируются в основном в ядрышке и составляют примерно 85% всех РНК клетки. Они входят в состав рибосом и участвуют в формировании активного центра рибосомы, где происходит процесс биосинтеза белка.

Транспортные РНК (тРНК) образуются в ядре на ДНК, затем переходят в цитоплазму. Они составляют около 10% клеточной РНК и являются самыми небольшими по размеру РНК, состоящими из 70-- 100 нуклеотидов. Каждая тРНК присоединяет определенную аминокислоту и транспортирует ее к месту сборки полипептида в рибосоме. Все известные тРНК за счет комплементарного взаимодействия образуют вторичную структуру, по форме напоминающую лист клевера. В молекуле тРНК есть два активных участка: триплет-антикодон на одном конце и акцепторный конец на другом

Информационные, или матричные, РНК (иРНК) составляют около 5% всей клеточной РНК. Они синтезируются на участке одной из цепей молекулы ДНК и передают информацию о структуре белка из ядра клеток к рибосомам, где эта информация реализуется. В зависимости от объема копируемойинформации молекула иРНК может иметь различную длину.

6. Мамтричная рибонуклеимновая кислотам (мРНК, синоним -- информациомнная РНК, иРНК) -- РНК, содержащая информацию о первичной структуре (аминокислотной последовательности) белков^[1]. мРНК синтезируется на основе ДНК в ходе транскрипции, после чего, в свою очередь, используется в ходе трансляции как матрица для синтеза белков. Тем самым мРНК играет важную роль в «проявлении» (экспрессии) генов.

Длина типичной зрелой мРНК составляет от нескольких сотен до нескольких тысяч нуклеотидов. Самые длинные мРНК отмечены у (+)оц РНК-содержащих вирусов, например пикорнавирусов, однако следует помнить, что у этих вирусов мРНК образует весь их геном.

ДНК нередко сравнивают с чертежами для изготовления белков. Развивая эту инженерно-производственную аналогию, можно сказать, что, если ДНК -- это полный набор чертежей для изготовления белков, находящийся на хранении в сейфе директора завода, то мРНК -- временная рабочая копия чертежа, выдаваемая в сборочный цех. 

Лекция 5

1. Генетимческий код -- свойственный всем живым организмам способ кодирования последовательности аминокислотных остатков в составе белков при помощи последовательности нуклеотидов в составе нуклеиновой кислоты. В ДНК используется четыре азотистых основания -- аденин (А), гуанин (G), цитозин (С), тимин (T).

Генетический код - это система записи наследственной информации в молекулах нуклеиновых кислот, основанная на определённом чередовании последовательностей нуклеотидов в ДНК или РНК, образующих кодоны, соответствующие аминокислотам в белке.

Генетический код имеет несколько свойств:

Триплетность. Триплет - наименьшая структурная единица генетического кода. Состоит она из трёх нуклеотидов. Кодон - наименьшая функциональная единица генетического кода. Как правило, кодонами называют триплеты иРНК.

Вырожденность или избыточность. Код, при котором одна аминокислота кодируется несколькими триплетами, называется вырожденным или избыточным. Почти каждой аминокислоте соответствует несколько кодонов. геном репликация дезоксирибонуклеиновый кислота

Однозначность. Каждый триплет (кроме бессмысленных) кодирует только одну аминокислоту. Таким образом, в направлении кодон - аминокислота генетический код однозначен, в направлении аминокислота - кодон - неоднозначен (вырожденный).

Однозначен

Кодон аминокислота

Вырожденный

Полярность. Считывание информации с ДНК и с иРНК происходит только в одном направлении. Полярность имеет важное значение для определения структур высшего порядка (вторичной, третичной и т.д.).

Неперекрываемость. Код может быть перекрывающимся и не перекрывающимся. У большинства организмов код не перекрывающийся. Перекрывающийся код найден у некоторых фагов.

Компактность. Между кодонами нет знаков препинания. Иными словами, триплеты не отделены друг от друга, например, одним ничего не значащим нуклеотидом. Отсутствие в генетической коде «знаков препинания» было доказано в экспериментах.

Универсальность. Код един для всех организмов живущих на Земле. Прямое доказательство универсальности генетического кода было получено при сравнении последовательностей ДНК с соответствующими белковыми последовательностями. Оказалось, что во всех бактериальных и эукариотических геномах используется одни и те же наборы кодовых значений.

2. Основное назначение транспортной РНК (тРНК) - доставлять активированные остатки аминокислот в рибосому и обеспечивать их включение в синтезирующуюся белковую цепь в соответствии с программой, записанной генетическим кодом в матричной, или информационной, РНК (мРНК).

В меньших количествах в клетках обнаруживаются молекулы транспортных РНК (тРНК), которые участвуют в декодировании информации (трансляции).

Молекулы тРНК также являются продуктами процессинга первичных транскриптов. Существенной особенностью тРНК служит свернутый характер их вторичной структуры, которая имеет форму клеверного листа.



Лекция 6

1. Клонирование -- появление естественным путём или получение нескольких генетически идентичных организмов путём бесполого (в том числе вегетативного) размножения. Термин «клонирование» в том же смысле нередко применяют и по отношению к клеткам многоклеточных организмов. Клонированием называют также получение нескольких идентичных копий наследственных молекул (молекулярное клонирование).

Молекулярное клонирование -- клонирование молекул ДНК (в том числе генов, фрагментов генов, совокупностей генов, ДНК-последовательностей, не содержащих гены), другими словами -- наработка большого количества идентичных ДНК-молекул с использованием живых организмов.

2. Трансляция--это процесс декодирования мРНК, в результате которого информация с языка последовательности нуклеотидов в мРНК переводится (транслируется) на язык последовательности аминокислот в полипептидной молекуле. Декодирование мРНК осуществляется в направлении 5'>3'. В процессе трансляции различают стадии:

1) активация аминокислот - это процесс присоединения аминокислоты с помощью своей карбоксильной группы к a-фосфату АТР с помощью специфической аминоацил-тРНК-синтетазы.

2) аминоацилирование тРНК - представляет собой перенос аминоацильной группы от связанного с ферментом аминоацил-аденилата на 2'- или 3'-ОН-группу концевой рибозы тРНК в акцепторной ветви.

3) собственно трансляция - процесс трансляции осуществляется на рибосомах -- клеточных органеллах, представляющих собой сложный комплекс из белков и молекул РНК. В течение всего процесса синтеза белка растущая полипептидная цепь, мРНК и очередная аминоацил-тРНК остаются прикрепленными к рибосоме.

3. Биосинтез белков представляет собой начальный этап реализации, или экспрессии генетической информации. К главным матричным процессам, обеспечивающим биосинтез белков, относятся транскрипция ДНК и трансляция мРНК. Транскрипция ДНК заключается в переписывании информации с ДНК на мРНК (матричную, или информационную РНК). Трансляция мРНК заключается в переносе информации с мРНК на полипептид. Молекула мРНК служит матрицей для синтеза полипептида на рибосомах. Триплеты мРНК, кодирующие определенную аминокислоту, называются кодоны.

Трансляция мРНК. Трансляция (как и все матричные процессы) включает три стадии: инициацию (начало), элонгацию (продолжение) и терминацию (окончание).

Инициация. Сущность инициации заключается в образовании пептидной связи между двумя первыми аминокислотами полипептида.

Первоначально образуется инициирующий комплекс, в состав которого входят: малая субъединица рибосомы, специфические белки (факторы инициации) и специальная инициаторная метиониновая тРНК с аминокислотой метионином - Мет-тРНКМет.

Элонгация. Сущность элонгации заключается в присоединении последующих аминокислот, то есть в наращивании полипептидной цепи.

Терминация. Заключается в окончании синтеза полипептидной цепи.

В конце концов, рибосома достигает такого кодона мРНК, которому не соответствует ни одна тРНК (и ни одна аминокислота). Существует три таких нонсенс-кодона: УАА («охра»), УАГ («янтарь»), УГА («опал»). На этих кодонах мРНК рабочий цикл рибосомы прерывается, и наращивание полипептида прекращается. Рибосома под воздействием определенных белков вновь разделяется на субъединицы.

4. Рибосома состоит из двух неравных субъединиц.

Большая субчастица, в свою очередь, состоит из:

одной молекулы рибосомальной РНК, которая является высокополимерной;

одной молекулы РНК, которая является низкополимерной;

некоторого количества молекул белка, как правило, их около трех десятков.

Что касается меньшей субчастицы, то тут немного проще. В ее состав входят:

молекула высокополимерной РНК;

несколько десятков молекул белка, как правило, около 40 штук (молекулы при этом разнообразные по структуре и форме).

Молекула высокополимерной РНК необходима для того, чтобы все присутствующие белки соединить в одну целостную рибонуклеопротеидную составляющую клетки.

В процессе выполнения основной своей функции, то есть во время синтеза белка, рибосома выполняет и ряд дополнительных:

1. Связка, а также удержание всех составляющих так называемой белоксинтезирующей системы. Принято называть данную функцию информационной, или матричной. Рибосома функции эти распределяет между двумя своими субчастицами, каждая из которых выполняет свою определенную задачу в данном процессе.

2. Рибосомы выполняют функцию каталитическую, которая заключается в образовании особой пептидной связи (амидная связь, которая возникает как при образовании белков, так и при возникновении пептидов). Сюда же можно отнести и гидролиз ГТФ (субстрата для синтеза РНК). За выполнение этой функции отвечает большая субъединица рибосомы. Именно в ней находятся специальные участки, в которых и происходит процесс синтеза пептидной связи, а также центр необходимый для гидролиза ГТФ. Помимо этого именно большая субъединица рибосомы во время биосинтеза белка удерживает на себе цепь, которая постепенно вырастает.

3. Выполняет рибосома функции механического передвижения субстратов, к коим относятся иРНК и тРНК. Иными словами, они отвечают за транслокацию.

5. Общая схема трансляции.

Инициация.

1. Узнавание стартового кодона (AUG), сопровождается присоединением тРНК, аминоацилированной метионином (М), и сборкой рибосомы из большой и малой субъединиц.

Элонгация.

2. Узнавание текущего кодона соответствующей ему аминоацил-тРНК (комплементарное взаимодействие кодона мРНК и антикодона тРНК увеличено).

3. Присоединение аминокислоты, принесённой тРНК, к концу растущей полипептидной цепи.

4. Продвижение рибосомы вдоль матрицы, сопровождающееся высвобождением молекулы тРНК.

5. Аминоацилирование высвободившейся молекулы тРНК соответствующей ей аминоацил-тРНК-синтетазой.

6. Присоединение следующей молекулы аминоацил-тРНК, аналогично стадии.

7. Движение рибосомы по молекуле мРНК до стоп-кодона.

Терминация.

Узнавание рибосомой стоп-кодона сопровождается отсоединением новосинтезированного белка и в некоторых случаях диссоциацией рибосомы.

Лекция 7

1. Полипептиды и белки - основные вещества живого организма. "Жизнь - это форма существования белковых тел" (Ф.Энгельс). Роль их в обмене веществ уникальна, они выполняют все основные функции метаболизма:

1) Белки - пластический материал тканей;

2) Белки - один из трех видов питательных веществ, необходимых организму;

3) Белковые структуры являются ключевыми в составе ферментов - биохимических катализаторов, "двигателей" метаболизма;

4) Гормоны и вещества, регулирующие пути биохимических превращений - это в основном, полипептиды и белки. Тканевые рецепторы гормонов, биорегуляторов и лекарственных веществ также представляют собой белковые структуры.

Ламйнус Карл Помлинг -- американский химик, кристаллограф, лауреат двух Нобелевских премий: по химии (1954) и премии мира (1962), а также Международной Ленинской премии «За укрепление мира между народами» (1970).

Пришел к выводу, что важность водородных связей в структуре белка вряд ли можно переоценить. "Потеря нативной конформации разрушает характерные свойства белка. Из-за разницы энтропий между нативной и денатурированной формами трипсина установлено, что около 10²⁰ конформаций доступны для денатурированной молекулы белка. При нагревании или изменении рН раствора около изоэлектрической точки белка, развернутые сегменты кислотных или основных боковых цепей запутываются друг с другом, связывая молекулы вместе, и в конечном итоге это приводит к образованию сгустка. Это было, пожалуй, первой современной теорией нативных и денатурированных белков.

2. Все аминокислоты, входящие в состав белков, относятся к L-аминокислотам, содержащим аминогруппу (-NH2).

Существует несколько классификаций аминокислот:

структурная, т.е. по строению бокового радикала;

по полярности, т.е. способности R-групп к взаимодействию с водой при физиологических значениях рН.

В состав белков входят 20 L аминокислот, а также некоторые производные этих аминокислот, образующиеся в белковой молекуле после завершения матричного синтеза полипептидной цепи.

Частота, с какой аминокислоты встречаются в белках, неодинакова.

Большинство белков по аминокислотному составу отличаются не очень резко. Но некоторые белки с особыми свойствами отличаются и аминокислотным составом. Так, белок соединительной ткани коллаген на 1/3 построен из остатков глицина, на 1/5 из остатков пролина и оксипролина. Именно такой состав аминокислот позволяет готовой молекуле белка образовывать прочные олигомерные структуры - фибриллы. Фибриллы коллагена превосходят по прочности стальную проволоку равного поперечного сечения. При кипячении в воде нерастворимый коллаген превращается в желатину - растворимую смесь полипептидов. Необычный аминокислотный состав коллагена определяет его низкую питательную ценность.

В хромосомах содержатся положительно заряженные белки гистоны, примерно на 1/3 построенные из остатков лизина и аргинина. Положительный заряд молекулы белка позволяет образовывать прочные комплексы с отрицательно заряженными молекулами нуклеиновых кислот.

3. Пептидная связь -- вид амидной связи, возникающей при образовании белков и пептидов в результате взаимодействия б-аминогруппы (--NH2) одной аминокислоты с б-карбоксильной группой (--СООН) другой аминокислоты.

4. 1) Классификация протеиногенных аминокислот по характеру бокового радикалаАциклические аминокислоты.

Алифатические незамещенные аминокислоты: Глицин, аланин, валин, лейцин, изолейцин

Алифатические замещенные аминокислоты:

а) Гидроксиаминокислоты: Серин, треонин

б) Тиоаминокислоты: Цистеин, метионин

в) Карбоксиаминокислоты: Аспарагиновая кислота, глутаминовая кислота

г) Амиды карбоксиаминокислот: Аспарагин, глутамин

д) Диаминокислоты: Лизин

е) Гуанидиноаминокислоты: Аргинин

Циклические аминокислоты

Гомоциклические: Фенилаланин, Тирозин

Гетероциклические: Гистидин, Триптофан

Циклические иминокислоты: Пролин

2) Классификация аминокислот в соответствии с полярностью их R-групп (при рН 7)

Неполярные R-группы: Аланин, валин, изолейцин, лейцин, метионин, пролин, триптофан, фенилаланин

Полярные, но незаряженныеR-группы: Аспарагин, глицин, глутамин, серин, тирозин, треонин, цистеин

Отрицательно заряженныеR-группы: Аспарагиновая кислота, глутаминовая кислота

Положительно заряженныеR-группы: Аргинин, гистидин, лизин.

5. Первичная структура -- последовательность аминокислот в полипептидной цепи. Важными особенностями первичной структуры являются консервативные мотивы -- сочетания аминокислот, играющих ключевую роль в функциях белка. Консервативные мотивы сохраняются в процессе эволюции видов, по ним часто удаётся предсказать функцию неизвестного белка.

Вторичная структура -- локальное упорядочивание фрагмента полипептидной цепи, стабилизированное водородными связями

Третичная структура -- пространственное строение полипептидной цепи (набор пространственных координат, составляющих белок атомов). Структурно состоит из элементов вторичной структуры, стабилизированных различными типами взаимодействий, в которых гидрофобные взаимодействия играют важнейшую роль.

Четверичная структура (или субъединичная, доменная) -- взаимное расположение нескольких полипептидных цепей в составе единого белкового комплекса. Белковые молекулы, входящие в состав белка с четвертичной структурой, образуются на рибосомах по отдельности и лишь после окончания синтеза образуют общую надмолекулярную структуру.

6. б-спирали -- плотные витки вокруг длинной оси молекулы, один виток составляют 3,6 аминокислотных остатка, и шаг спирали составляет 0,54 нм (так что на один аминокислотный остаток приходится 0,15 нм), спираль стабилизирована водородными связями между H и O пептидных групп, отстоящих друг от друга на 4 звена.

в-листы (складчатые слои) -- несколько зигзагообразных полипептидных цепей, в которых водородные связи образуются между относительно удалёнными друг от друга (0,347 нм на аминокислотный остаток) в первичной структуре аминокислотами или разными цепями белка, а не близко расположенными, как имеет место в б-спирали.

Лекция 8

1. Составной частью сводной обработки данных статистического наблюдения является построение рядов распределения. Цель его - выявление основных свойств и закономерностей стат. совокупности.

· Различают два типа рядов распределения:

· атрибутивный;

· вариационный.

Ряды распределения, построенные по качественным признакам, называют атрибутивными. (Например, распределение население по полу, характеру труда, национальности и т.д.)

Ряды распределения, построенные по количественному признаку, называются вариационными. Числовые значения признака - вариантами.

Первым шагом в упорядочении первичного ряда является его ранжирование, т.е. расположение всех вариантов ряда в возрастающем (или убывающем) порядке x1 Јx2 Ј…Јxi Ј…Ј xn.

Число повторений отдельных вариантов называют частотой (обозначим ѓ)

Сумма частот, равная объему изучаемой совокупности - n.

По характеру вариации различают дискретные и непрерывные признаки.

Дискретные признаки отличаются друг от друга на некоторую конечную величину, т.е. даны в виде конкретных чисел. (Например, число детей в семье).

Непрерывные признаки могут отличаться друг от друга на сколь угодно малую величину и в определенных границах принимать любые значения. Например, зарплата рабочих, % выполнения.

Способы построения вариационного ряда для этих видов признаков различны. Для построения дискретного ряда с небольшим числом вариантов достаточно перечислить все встречающиеся варианты значений признака (xi), а затем подсчитать частоту повторений каждого варианта ѓi. (например, распределение студентов по успеваемости и т.п.)

Если приведенный вариационный ряд с неравными интервалами, то для правильного представления о характере распределения необходимо рассчитать абсолютную и относительную плотности распределения.

Эти показатели необходимы для преобразования интервалов изменения оценки данных, собранных по различным совокупностям и по-разному обработанных.

2. БИОЛОГИЧЕСКАЯ НОРМА - соответствие условий среды жизненным потребностям вида. Существование вида является наиболее функциональным и объективным критерием биологической нормы. Если вид существует, то существует и соответствие его условиям среды. Биологическая норма служит основой для хозяйственной нормы.

3. Хорея Гентингтона (MIM 143100) - одно из самых тяжелых прогрессирующихнейродегенеративных наследственных заболеваний головного мозга . Хорея (chorea; от греческого слова "choreia" - пляска) - форма гиперкинеза, характеризуется непроизвольными, быстрыми, нерегулируемыми движениями, возникающими в различных мышечных группах.

Его распространенность составляет около 10:100000. Отличительные признаки - хорея ирасстройства поведения. Заболевание может начинаться с любого из этих симптомов или с обоих сразу. Болезнь Гентингтона может развиться в любом возрасте - как в детстве, так и в 70 лет и старше, но чаще первые симптомы появляются в 30-50 лет.

Хорея начинается исподволь. Первые признаки хореи Гентингтона проявляются в возрасте 25-50 лет, реже в детском возрасте. Мужчины болеют чаще, чем женщины; первыми симптомами могут быть неусидчивость, суетливость движений, что не расценивается больным и его родственниками как заболевание. Со временем, однако, двигательные нарушения нарастают и могут привести к инвалидности. Характерны частые, внезапные, неритмичные судорожные движения конечностей или туловища. Возможны спазмы лицевой мускулатуры, всхлипывания, нарушения артикуляции. Страдает координация движений при ходьбе: походка становится "танцующей" (хореической). Память остается сохранной вплоть до поздних стадий заболевания, однако внимание, мышление и исполнительные функции нарушаются уже в самом начале заболевания. Часто наблюдаются депрессия, апатия, отчужденность, раздражительность, периодическая расторможенность. В некоторых случаях развиваются бред и навязчивые состояния, в связи с чем сначала ошибочно диагностируется шизофрения.

Продолжительность заболевания различна, но в среднем составляет 15 лет. При раннем начале (до 20 лет) заболевание сопровождается ригидностью, атаксией, когнитивными нарушениями и прогрессирует быстрее (средняя продолжительность составляет 8 лет). Эпилептические припадки редко возникают при болезни Гентингтона с поздним началом и часто - при ранней форме.

Обычно хорея Гентингтона проявляется на 4-5-ом десятилетии жизни прогрессирующимхореоатетозом , который сопровождается выраженными психическими расстройствами (деменцией , депрессией с нередкими суицидальными попытками, нарушениями эмоционального контроля с частыми вспышками раздражения и агрессии ). Иногда проявляется в юношеском возрасте нарастающим акинетико-ригидным синдромом

Заболевание характеризуется преимущественно поражением стриатума. На развернутой стадии КТ или МРТ выявляют атрофию хвостатых ядер, образующих латеральные стенки боковых желудочков (рис. 367.4). При микроскопическом исследовании выраженных изменений (таких, как амилоидные бляшки и нейрофибриллярные включения при болезни Альцгеймера) не находят. Характерны глиоз и гибель преимущественно ГАМКергических нейронов в хвостатом ядре и скорлупе. Холинергические нейроны остаются относительно сохранными. В базальных ядрах значительно снижаются концентрации ГАМК и глутаматдекарбоксилазы - фермента, участвующего в синтезе этого медиатора. Уменьшены концентрации и других медиаторов, в том числе вещества Р и энкефалинов . Магнитно-резонансная спектроскопия выявляет увеличение концентрации лактата в базальных ядрах. У животных введение 3-нитропропионовой кислоты, ингибитора сукцинатдегидрогеназы, вызывает состояние, напоминающее болезнь Гентингтона.

4. Функция хантингтина в норме до сих пор неизвестна. Этот белок имеет очень малую гомологию с другими известными белками, экспрессируется во многих типах клеток и локализован почти во всех внутриклеточных компартментах ( Harjes and Wanker, 2003 ; Li and Li, 2004 ): в ядре, теле нейрона, аксонах и нервных окончаниях, а также ассоциирован с аппаратом Гольджи, эндоплазматическим ретикулумом и митохондриями. Хантингтин вовлечен во множество клеточных процессов. Так, он колокализуется с микротрубочками и напрямую взаимодействует с бета-тубулином. Для htt было также показано участие в клатрин-зависимом эндоцитозе, нейронном транспорте и постсинаптической передаче сигнала . Более того, htt может предохранять нейроны от апоптотического стресса и, следовательно, играет важную роль в выживании нейронов ( Rigamonti et al., 2000 ).Предполагается, что агрегация мутантного htt может приводить к изменениям в физиологии клетки. Было показано, что мутантный htt может оказывать влияние на экспрессию многих генов в нейронах вследствие вовлечения в свои агрегаты важных транскрипционных факторов, таких как CBP (cAMP responsive element Binding Protein) ( Li and Li, 2004 ) и TBP (TATA Binding Protein) ( Stevanin et al., 2003 ). Для мутантного htt было показано взаимодействие, а также колокализация с клеточными шаперонами : из-за накопления в агрегатах htt Hsp40 , Hsp70 , а также шаперона семейства DnaJ происходит ухудшение процессов сворачивания белков и их деградации. Уменьшение количества свободных шаперонов из-за их вовлечения в агрегаты хантингтина, возможно, усиливает аномальную агрегацию. Ухудшение работы протеолитической системы является одним из ключевых моментов при этом заболевании.

5. Механизм воздействия мутантного белка при болезни Хантингтона на организм до конца не изучен. Предполагает, что при удлинении полиглутаминового тракта нарушается работа некоторых белков, участвующих в работе нервной системы, снижается активность митохондрий (энергетических станций клеток), а также усиливается гибель нейронов.

6. На клеточном уровне болезнь Хантингтона имеет следующие особенности развития. Мутантный белок хантингтин соединяется с другими белками, что приводит к его накоплению и образованию внутриклеточных телец включения. Эти тельца механически препятствуют транспортировке питательных веществ и нейромедиаторов внутри клеток. В результате нарушается передача сигналов в нейронах. Кроме того, выделяют следующие пути негативного влияния mHtt на клетки:

· воздействие на шапероны - вещества, отвечающие за восстановление нормальной структуры белков, а также образование и распад белковых комплексов;

· реакции с каспазами - соединениями, которые участвуют в апоптозе;

· подавление синтеза энергии в клетках;

· токсическое поражение глутамином нервных клеток;

· нарушение экспрессии генов - процесса преобразования информации, содержащейся в ДНК, в РНК или белок.

Губительное воздействие мутантного белка сильнее всего проявляется при его соединении с белком RASD2, который в основном образуется в стриатуме. Поэтому при болезни Хантингтона прежде всего поражается именно он.

Стриатум (полосатое тело) - часть головного мозга, относящаяся к базальным ядрам полушарий. В его структуру входят хвостатое и чечевицеобразное ядра. Функции стриатума:

· контроль тонуса мышц;

· планирование и коррекция движений;

· регуляция работы внутренних органов;

· участие в различных поведенческих реакциях;

· формирование условных рефлексов.

При болезни Хантингтона обнаруживаются глиоз (замещение клетками под названием глии поврежденных участков нервной ткани), а также гибель ГАМК-ергических нейронов в хвостатом ядре. В базальных ядрах уменьшается концентрация гамма-аминомасляной кислоты, являющейся нейромедиатором, и глутаматдекарбоксилазы - фермента, участвующего в ее выработке, при этом увеличивается уровень лактата (молочной кислоты).

По мере прогрессирования болезни Хантингтона повреждаются другие участки головного мозга: черная субстанция, некоторые слои коры, клетки Пуркинье в мозжечке, гиппокамп, определенных зоны гипоталамуса и таламуса. Мутантный хантингтин провоцирует уменьшение этих отделов за счет гибели клеток. Также наблюдается увеличение числа астроцитов - нейроглиальных клеток с множеством отростков. Они окружают нейроны, выполняя защитную, опорную и другие функции.

7. Проверка генетических предпосылок происходит на основе анализа крови. В ДНК определяется построение молекул, контролирующих уровень белковых соединений. На основе данного показателя определяется количество повторений, оказывающих негативное воздействие на свертываемость белка. При количестве повторов, превышающих норму, проверяется вероятность возникновения хореи. Симптомы расстройства могут еще не проявляться много лет, а генетическое обследование уже покажет склонность к заболеванию. яжесть течения недуга зависит от числа повторов. Если оно превышает норму на 36-40%, то симптомы патологии проявляются в позднем возрасте и медленно прогрессируют. При количестве повторов на 60% выше нормы болезнь Хантингтона начинает свое развитие раньше 50 лет.

Размещено на Allbest.ru

...