Помощничек
Главная | Обратная связь


Археология
Архитектура
Астрономия
Аудит
Биология
Ботаника
Бухгалтерский учёт
Войное дело
Генетика
География
Геология
Дизайн
Искусство
История
Кино
Кулинария
Культура
Литература
Математика
Медицина
Металлургия
Мифология
Музыка
Психология
Религия
Спорт
Строительство
Техника
Транспорт
Туризм
Усадьба
Физика
Фотография
Химия
Экология
Электричество
Электроника
Энергетика

ОРГАНИЗАЦИОННО-МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

ЛЕКЦИЯ № 1

По медицинской биологии и генетике

Для студентов 1 курса лечебного факультета

Тема: «Организация наследственного материала. (I)

Молекулярно-генетический уровень»

Время - 90 мин.

Учебные и воспитательные цели:

1. Ознакомить с эволюционно-обусловленными уровнями организации живого.

2. Разобрать особенности молекулярно-генетического материала у неклеточных форм жизни, про- и эукариот.

3. Обучить использовать теоретический материал для решения ситуационных задач на редупликацию ДНК.

ЛИТЕРАТУРА:

1. Бекиш О.-Я. Л. Медицинская биология. Курс лекций для студентов мед. ВУЗов. - Витебск, 2000 с. 16-31.

2. Биология /Под ред.В.Н. Ярыгина/ 1-я книга - М.:Вш,1997. - с. 64-78.

3. О.-Я. Л. Бекиш, Л.А. Храмцова. Практикум по мед.биологии. - Изд. «Белый Ветер», 2000 - с. 4-8.

4. Бочков И.П., Захаров А.Ф., Иванов В.И. «Медицинская генетика». - М.: Медицина, 1984. - с. 16-23.

5. Заяц Р.Г., Рачковская И.В. Основы общей и медицинской генетики. Мн.: ВШ, 1998. - с.38-40.

МАТЕРИАЛЬНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

1. Мультимедийная презентация.


РАСЧЕТ УЧЕБНОГО ВРЕМЕНИ

№ п/п Содержание Расчет рабочего времени
1. Биология – естественная наука о жизни. Роль биологии в подготовке врача.
2. Свойства живых организмов и уровни организации живого.
3. Организация наследственного материала у неклеточных форм, про- и эукариот.
4. Нуклеиновые кислоты. Строение ДНК. Аутосинтетическая функция - репликация ДНК, гетеросинтетическая - синтез белка. Правила Чаргаффа.
5. Строение РНК и её виды. Синтез и-РНК, его этапы.
6. Ген – фрагмент геномной нуклеиновой кислоты. Свойства генов и их функции.
Генетический код и его свойства. Кодирование генетической информации.
СРС.
Всего:

Вопрос 1.

Биология - наука о жизни, которая изучает жизнь как особую форму движения материи, законы ее существования и развития. Предметом биологии являются живые организмы, их строение, функции, а также природные сообщества организмов. Термин "биология" впервые был предложен Ж. Б. Ламарком в 1802 году, и происходит от двух греческих слов: bios - жизнь, logos - наука. Вместе с астрономией, физикой, химией, геологией и др. науками, изучающими природу, биология относится к числу естественных наук.

Биология не является единой дисциплиной. Она является совокупностью по меньшей мере 50 дисциплин. К биологии относятся:

а) морфологические дисциплины (анатомия, гистология), описывающие строение организмов;

б) физиологические дисциплины (физиология клетки, животных, растений);

в) общебиологические дисциплины (цитология, генетика, эволюционное учение и т.д.);

г) экологические дисциплины (биогеография, паразитология);

д) пограничные дисциплины (биохимия, биофизика, антропология).

 

Биология как наука накопила огромный фактический материал. Познание сущности жизни - одна из основных задач современной биологии.

Биология во второй половине 20 века стала ведущей наукой. Она становится лидером естествознания, определяет основные направления его развития в сельском хозяйстве, медицине, экологии, генетике.

Важное значение биологии для врача определяется тем, что биологические дисциплины представляют собой теоретическую основу медицины. На базе морфологических дисциплин развивается патологическая анатомия, на базе физиологии, биохимии, генетики – патологическая физиология. Такие сугубо прикладные разделы медицины, как терапия, хирургия базируются на данных анатомии, физиологии, биохимии. Эпидемиология опирается на достижения экологии, зоологии, паразитологии, микробиологии, вирусологии. Роль биологии в системе подготовки врача можно представить следующей схемой (рис.1).


ЗНАЧЕНИЕ РАЗДЕЛОВ КУРСА БИОЛОГИИ

В ПОДГОТОВКЕ ВРАЧА.

Роль биологии определяется формированием мировоззрения на основе изучения фундаментальных дисциплин цитологии, генетики, мед. биологии, онтогенеза, экологии и эволюционного учения и выходом во врачебную практику.

Вопрос 2.

Свойства живых организмов: саморегуляция, самообновление, самовоспроизведение.

Живое характеризуется целым рядом важнейших признаков:

1. Обмен веществ и энергии. Любой живой организм можно представить как открытую систему, поддерживающую непрерывный обмен веществ и энергии с окружающей средой. Основу обменных процессов составляют реакции пластического (анаболизм) и энергетического обмена (катаболизм).

По типу анаболизма живые организмы подразделяют на: автотрофные (фотосинтезирующие и хемосинтезирующие), гетеротрофные (сапротрофные и паразиты), миксотрофные.

По типу катаболизма организмы бывают аэробными и анаэробными.

2. Структурная организация. Живое построено из тех же химических элементов, что и неживое, но характеризуется сложностью химических соединений, обусловленной определенной упорядоченностью на молекулярном уровне. Структурная организация - характерное свойство живого на всех уровнях его организации. Типичный пример упорядоченной структуры - хромосома.

3. Дискретность и целостность. Органический мир целостен, т.к. составляет систему взаимосвязанных частей, и в то же время он дискретен (лат. discretus - прерывистый). Органический мир состоит из отдельных единиц - организмов или особей. Каждый организм состоит из клеток, последняя из субклеточных структур (органелл), но функционирует как единое целое.

4. Репродукция - воспроизведение себе подобного.

5. Наследственность и изменчивость- важнейшие свойства живого, связанные с передачей потомству от родителей наследственных признаков организма и с возможностью их изменяться под влиянием факторов среды.

6. Рост и развитие- свойства организма расти и развиваться за счет деления клеток и их дифференцировки.

7. Раздражимость и движение. Свойства живого, благодаря которому организмы непрерывно контактируют с окружающей средой, другими организмами. У одноклеточных оно проявляется в виде таксисов, у растений - в виде тропизмов, у высших животных - в виде рефлексов.

8. Внутренняя регуляция и гомеостаз. Любой организм, являясь открытой системой, сохраняет в тоже время постоянство своей внутренней среды (гомеостаз) благодаря нейрогуморальной регуляции гомеостаза.

Выделяют четыре уровня организации живого:

1. Молекулярно-генетический.Элементарными структурами этого уровня являются центральные управляющие системы - коды наследственной информации, передаваемые от поколения к поколению, а элементарными явлениями - воспроизведение этих кодонов по принципу матрицы и производство первичных генных структур.

2. Онтогенетический. Элементарные структуры этого уровня клетки, а элементарные явления - их онтогенез, дифференцировка и неизвестные еще в деталях механизмы, которые управляют упорядоченным во времени и пространстве индивидуальным развитием многоклеточных организмов.

3. Популяционно-видовой. Здесь элементарными структурами являются популяции любого вида живых организмов, а элементарное явление - направленное изменение их генетического состава. Последнее ведет к возникновению приспособлений и в итоге к видообразованию на основе естественного отбора.

4. Биосферно-биогеоценотический.Элементарными структурами этого уровня являются биогеоценозы, а элементарными явлениями смена биогеоценозов - переходы из одного состояния, временного, неустойчивого равновесия в другое. Принципиальная неделимость биосферы обуславливает необходимость решения многих проблем охраны природы и использования ее ресурсов.

Вопрос 3.

Молекулярно-генетический уровень организации живого связан с хранением и потоком информации в сменяющихся поколениях клеток и организмов. В клетке в этом потоке последовательно участвуют ДНК хромосомы ядра, и-РНК, т-РНК, рибосомы и ферменты активации аминокислот. Кроме того, синтезируются белки определенной структуры и функций. Им принадлежит главная роль в хранении информации и ее реализации. Они обеспечивают процессы синтеза белка, обмен веществ, закономерности роста, размножение наследственности и изменчивость. Нарушение их структуры влечет патологию.

Наследственный материал вирусов представлен дву- или одноцепочечной молекулой ДНК, или РНК. У вируса табачной мозаики РНК образует одноцепочечную спираль длиной до 300 нм и диаметром 8 нм. Двухцепочечную РНК имеет вирус СПИДа. Большинство бактериофагов ДНК-содержащие.

У прокариот наследственный материал представлен кольцевой молекулой ДНК (кольцевая хромосома).

У эукариот наследственный материал представлен хромосомами.

Вопрос 4.

Изучение этого уровня связано с функциями и строением нуклеиновых кислот.

Известны две группы нуклеиновых кислот: РНК и ДНК.

ДНК находится в ядре и входит в состав хроматина, а также митохондрии, центросомы, пластиды, а РНК - в ядрышках, матриксе цитоплазмы, рибосомах.

Носителем наследственной информации в клетке является ДНК, а РНК - служит для передачи и реализации генетической информации у про- и эукариот. С помощью и-РНК происходит процесс перевода последовательности нуклеотидов ДНК в полипептид.

У некоторых организмов, кроме ДНК, носителем наследственной информации может быть РНК, например, у вирусов табачной мозаики, полиомиелита, СПИДа.

Мономерами нуклеиновых кислот являются нуклеотиды. Установлено, что в хромосомах эукариот гигантская двуспиральная молекула ДНК образована 4 типами нуклеотидов: адениловый, гуаниловый, тимидиловый, цитозиловый. Каждый нуклеотид состоит из азотистого основания (пуринового Г+А или пиримидинового Ц+Т), дезоксирибозы и остатка фосфорной кислоты.

Анализируя ДНК разного происхождения, Чаргафф сформулировал закономерности количественного соотношения азотистых оснований - правила Чаргаффа.

а) количество аденина равно количеству тимина (А=Т);

б) количество гуанина равно количеству цитозина (Г=Ц);

в) количество пуринов равно количеству пиримидинов (Г+А = Ц+Т);

г) количество оснований с 6-аминогруппами равно количеству оснований с 6-кетогруппами (А+Ц = Г+Т).

В то же время соотношение оснований А+Т\Г+Ц является строго видоспецифичным коэффициентом (для человека - 0,66; мыши - 0,81; бактерии - 0,41).

В 1953 году биологом Дж.Уотсоном и физиком Ф.Криком была предложена пространственная молекулярная модель ДНК. Основные постулаты модели заключаются в следующем:

1. Каждая молекула ДНК состоит из двух длинных антипараллельных полинуклеотидных цепей, образующих двойную спираль, закрученную вокруг центральной оси (правозакрученная - В-форма, левозакрученная - Z-форма, обнаруженная А. Ричем в конце 70-х годов).

2. Каждый нуклеозид (пентоза + азотистое основание) расположен в плоскости, перпендикулярной оси спирали.

3. Две полинуклеотидные цепи скреплены водородными связями, образующимися между азотистыми основаниями.

4. Спаривание азотистых оснований строго специфично, пуриновые основания соединяются только с пиримидиновыми: А-Т, Г-Ц.

5. Последовательность оснований одной цепи может значительно варьировать, но азотистые основания другой цепи должны быть строго комплементарны им.

Полинуклеотидные цепи образуются за счет ковалентных связей между соседними нуклеотидами через остаток фосфорной кислоты, который соединяет углерод в пятом положении сахара с третьим углеродом соседнего нуклеотида. Цепи имеют направленность: начало цепи 3'ОН – в третьем положении углерода дезоксирибозы присоединяется гидроксильная группа ОН, конец цепи - 5'Ф, к пятому углероду дезоксирибозы присоединяется остаток фосфорной кислоты.

Аутосинтетической функцией ДНК является репликация – авторепродукции. Репликация основана на принципах полуконсервативности, антипараллельности, комплементарности и прерывистости. Наследственная информация ДНК реализуется в результате репликации по типу матричного синтеза. Он протекает в по стадиям: связывание, инициация, элонгация, терминация. Процесс приурочен к S-периоду интерфазы. Фермент ДНК-полимераза использует в качестве матрицы одноцепочечную ДНК и в присутствии 4-х нуклеотидов, затравки (РНК) строит вторую цепь ДНК.

Синтез ДНК осуществляется по принципу комплементарности. Между нуклеотидами цепи ДНК образуется фосфодиэфирные связи за счет соединений 3'ОН группы самого последнего нуклеотида с 5'-фосфатом следующего нуклеотида, который должен присоединиться к цепи.

Различают три основных вида репликации ДНК: консервативный, полуконсервативный, дисперсный.

Консервативный - сохранность целостности исходной двуцепочечной молекулы и синтез дочерней двуцепочной. Половина дочерних молекул построена полностью из нового материала, а половина - из старого материнского.

Полуконсервативный – Синтез ДНК начинается с присоединения к точке начала репликации фермента хеликазы, который расплетает участки ДНК. К каждой из цепей присоединяется ДНК связывающей белок (ДСБ), препятствующей их соединению. Единицей репликации является репликон – это участок между двумя точками начала синтеза дочерних цепей. Взаимодействие ферментов с точкой начала репликации называется инициацией. Эта точка движется вдоль цепи (3'ОН→5'Ф) и образуется репликативная вилка.

Синтез новой цепи идет прерывисто с образованием фрагментов длиной 700-800-2000 нуклеотидных остатков. Имеется точка начала и конца репликации. Репликон движется вдоль молекулы ДНК и расплетаются ее новые участки. Каждая из материнских цепей является матрицей для дочерней, которая синтезируется по принципу комплементарности. В результате последовательных соединений нуклеотидов цепь ДНК удлиняется (стадия элонгации) с помощью фермента ДНК-лигаза. При достижении нужной длины молекулы синтез прекращается - терминация. У эукариот работает сразу тысячи репликативных вилок. У прокариот - инициация происходит в одной точке кольца ДНК, при этом две репликативные вилки двигаются в 2-х направлениях. В месте их встречи двух цепочечные молекулы ДНК разъединяются.

Дисперсный - распад ДНК на нуклеотидные фрагменты, новая двуцепочечная ДНК состоит из спонтанно набранных новых и родительских фрагментов.

ДНК эукариот по структуре похоже на ДНК прокариот. Различия касаются: количества ДНК по генам, длиной молекулы ДНК, порядком чередования нуклеотидных последовательностей, формой укладки (у эукариот - линейная, у прокариот – кольцевая).

Для эукариот характерна избыточность ДНК: кол-во ее ДНК, участвующее в кодировании, составляет только 2%. Часть избыточной ДНК представлена одинаковыми наборами нуклеотидов, повторяющимися много раз (повторы). Различают многократно и умеренно повторяющиеся последовательности. Они образуют конститутивный гетерохроматин (структурный). Он встроен между уникальными последовательностями. Избыточные гены имеют 104 копий.

ДНК обладает так же свойством репарации способностью к восстановлению нарушенной структуры вследствие мутации. В основе этого процесса лежит строение молекулы (двойная полинуклеотидная спираль). Восстановление участков, поврежденных мутациями, происходит по принципу комплементарности.

Центральным процессом метаболизма в клетке связанным с потоком вещества, энергии и информации является гетеросинтетическая функция нуклеиновых кислот - биосинтез белка.

Генетическая информация, содержащаяся в ДНК, передается на рибосомы через и-РНК. Участок ДНК, содержащий информацию, о структуре полипептидной цепи называется геном. У эукариот списывание наследственной информации с генов регулируется гистоновыми белками, которые препятствуют этому процессу. Начало списывания информации связано с освобождением определенного участка ДНК (гена) от гистонов с помощью негистоновых белков, способных узнавать определенные гены.

Вопрос 5

Биологическая роль РНК связана с процессом реализации наследственной информации с ДНК при синтезе белка. Информационная РНК является посредником между информацией о структуре белка на ДНК ядра и местом синтеза белковых молекул в цитоплазме на рибосомах. РНК не имеет двойной спирали, она представлена одной полинуклиотидной цепью (за исключением двуцепочечных РНК-содержащих вирусов). Содержание РНК в клетке колеблется в зависимости от вида. Существует три вида РНК: рибосомальная, информационная, транспортная. Все виды синтезируются на молекуле ДНК в ядре путём транскрипции.

Р-РНК - рибосомальная входит в состав рибосом (3000-5000 нуклеотидов) (80% от общей массы РНК клетки). Из неё построен каркас рибосом, участвует в инициации, окончании синтеза и отделения готовых молекул белка от рибосом.

И-РНК - информационная (матричная) несет генетическую информацию, транскрибируемую с ДНК о структуре полипептидной цепи в виде кодонов (триплетов нуклеотидов). Молекула включает от 300 до 3000 нуклеотидов и составляет 3-5%.

Т-РНК - транспортная – обеспечивает транспорт активированных аминокислот к рибосомам (тройной комплекс аминоацил т-РНК синтетаза, аминокислота, АТФ). Имеет вторичную структуру в виде листка клевера, на верхушке которого – антикодон.

Молекула ДНК разделена на участки, содержащие информацию о структуре белка, которые называются генами и неинформативные отрезки спейсеры, которые разделяют гены. Спейсеры бывают различной длины и регулируют транскрипцию соседнего гена. Транскрибируемыеспейсеры копируются при транскрипции вместе с геном, и их комплементарные копии появляются на про-и-РНК. Нетранскрибируемые спейсеры - встречаются между генами гистоновых белков ДНК.

Синтез и-РНК идёт с одной нити двуцепочечной молекулы ДНК по принципу комплементарности. и-РНК является копией не всей молекулы ДНК, а только части её - одного гена или группы генов одной функции. Такая группа генов называется оперон. Оперон – единица генетической регуляции. Он включает структурные гены, несущие информацию о структуре белков, регуляторные гены, управляющие работой структурных. К регуляторным генам относят: промотор, оператор, терминатор. Промотор находится в начале каждого оперона. Это посадочная площадка для РНК - полимеразы (специфический носитель нуклеотидов ДНК, которую фермент узнаёт благодаря химическому сродству). Оператор управляет транскрипцией. Терминатор включает стоп-кодоны, заканчивающие синтез и-РНК.

У эукариот структурные гены разделены на экзоны и интроны. Экзоны – участки, несущие информацию, а интроны – не несущие информацию.

При синтезе и-РНК сначала образуются:

1) Первичный транскрипт - длинный предшественник и-РНК с полной информацией с молекулы ДНК (про-и-РНК).

2) Процессинг - укорочение первичного транскрипта путем вырезания неинформативных участков ДНК (интронов).

3) Сплайсинг - сшивание информативных участков и образование зрелой и-РНК.

Транскрипция начинается со стартовой точки молекулы ДНК с участием фермента РНК - полимераза, для эукариот - адениловый нуклеотид. Синтез и-РНК проходит в 4 стадии:

1) Связывание РНК-полимеразы с промотором.

2) Инициация - начало синтеза (первая диэфирная связь между АТФ и ГТФ и вторым нуклеотидом и-РНК.

3) Элонгация- рост цепи и-РНК.

4) Терминация - завершение синтеза и-РНК.

Вопрос 6

В начале 50-х годов было доказано, что материальной единицей наследственности и изменчивости является ген, который имеет определенную структурно-функциональную организацию. По современному определению ген - это участок молекулы ДНК, детерминирующей синтез определенного полипептида.

Генный уровень связан с успехами хромосомной теории.

Ген - это участок молекулы геномной нуклеиновой кислоты, характеризуемый специфичной для него последовательностью нуклеотидов, представляющей единицу функции, отличной от функции других генов.

Все виды РНК синтезируются на ДНК, этот процесс называется транскрипция.Зрелые и-РНК поступают в цитоплазму на рибосомы, где происходит процесс трансляции: перевод кодовой последовательности нуклеотидов и-РНК в последовательность аминокислот в полипептидной цепи. В трансляции участвует т-РНК, которая транспортирует активированную аминокислоту на рибосому. Кодоны и-РНК сравниваются с антикодонами т-РНК по принципу комплементарности, на рибосоме синтезируется первичная структура белка. Полипептидная цепь с рибосомы поступает в каналы шероховатого эндоплазматического ретикулума, где синтезируются белки сложной структуры.

Вопрос 7

Генетическая информация закодирована в ДНК. Генетический код был выяснен М. Ниренбергом и Х.Г. Корана, за что они были удостоены Нобелевской премии в 1968 году.

Генетический код - система расположения нуклеотидов в молекулах нуклеиновых кислот, контролирующая последовательность расположения аминокислот в молекуле полипептида.

Основные постулаты кода:

1) Генетический код триплетен. Триплет и-РНК получил название кодона. Кодон шифрует одну аминокислоту.

2) Генетический код является вырожденным. Одна аминокислота шифруется, более чем один кодоном (от 2 до 6). Исключения составляют метиониновый и триптофановый (АУГ, ГУГ). В кодонах для одной аминокислоты первые два нуклеотида чаще всего одинаковы, а третий варьирует.

3) Кодоны не перекрываются. Нуклеотидная последовательность считывается в одном направлении подряд, триплет за триплетом.

4) Код однозначен. Кодон шифрует определенную аминокислоту.

5) АУГ является стартовым кодоном.

6) Внутри гена нет знаков препинания - стоп кодонов: УАГ, УАА, УГА.

7) Генетический код универсален, он един для всех организмов и вирусов.

Раскрытие структура ДНК, материального носителя наследственности способствовало решению многих вопросов: воспроизведение генов, природы мутаций, биосинтез белка и т.д.

Механизм передачи генетического кода способствовал развитию молекулярной биологии, а так же генной инженерии, генной терапии.

В сороковые годы Д. Бидл и Э. Татум выдвинули гипотезу: «Один ген - один фермент». Сегодня, несколько изменив первоначальную формулировку можно сказать: «Один ген - один белок или один ген - один полипептид». Хотя эта концепция сохраняет свое значение и по сей день, она уже недостаточно современная, т.к. известно, что существуют белки, которые кодируются генами, распределенными вдоль всего генома. Молекула ДНК (гена) выполняет различные функции. В ней имеются не только нуклеотидные последовательности, несущие генетическую информацию, но и такие, которые контролируют экспрессию (проявление) генов и репликацию.

ОРГАНИЗАЦИОННО-МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

Лаборантскому составу по материально-техническому обеспечению лекции:

1. Обеспечить мультимедийную презентацию.

 

Зав. кафедрой,

доцент Л.П. Гаврилова

 

 

«___» ___________________ 20__ г.




Поиск по сайту:

©2015-2020 studopedya.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.