Биохимическая генетика. Основы молекулярной генетики. Методическая разработка на тему: методическая разработка теоретического занятия для преподавателя дисциплина оп.04. генетика человека с основами медицинской генетики тема: «биохимические и молекулярные

Реферат на тему:

«Биохимические основы наследственности»

1.Белки-строение и функции

2. Нуклеиновые кислоты

З. Транскрипция и трансляция

4.Генетический код

5.Биосинтез белка в клетке

6.Ген - функциональная единица наследственности, его свойства.

7. Практическое применение молекулярной генетики

Это полимеры, состоящие из мономеров - аминокислот. В состав белков входит до 20 различных аминокислот. Соединения из нескольких аминокислот называют пептидами. В зависимости от их количества Е белке бывают дипептиды, три-, тетра-, пента- или полипептиды (от 6-10 до 300-500 аминокислот). Молекулярная масса белков колеблется от 5000 ДО нескольких миллионов. Белки отличаются друг от друга не только составом и числом аминокислот, но и последовательностью чередования их в полипептидной цепи.

Организация белковых молекул:

1) первичная структура - это полипептидная цепь, т.е. аминокислоты, соединенные ковалентными пептидными связями в виде цепи;

2) вторичная структура - белковая нить закручена в виде спирали, поддерживаемая водородными связями;

4) четвертичная cтруктypa - состоит из нескольких глобул; например, гемоглобин, состоит из 4-х глобул.

Функции белка разнообразны:

1) каталитическая: белки-ферменты ускоряют биохимические реакции организма;

2) строительная: белки участвуют в образовании всех клеточных мембран и органоидов;

3) двигательная: белки обеспечивают сокращение мышц, мерцание ресничек, белки-гистоны, сокращаясь, образуют хромосомы из хроматина;

4) защитная: антитела гамма-гло6улины - распознают чужеродные для организма вещества и способствуют их уничтожению;

5) транспортная: белки переносят различные соединения (гемоглобин - кислород, белки плазмы -гормоны, лекарства и т.д.);

6) регуляторная: белки участвуют в регуляции обмена веществ (гормоны роста, гормон-инсулин, половые гормоны, адреналин и др.);

7) энергетическая - при распаде 1 г белка до конечных продуктов выделяется 17,6 кДж. Энергии.

2. Нуклеиновые кислоты

К ним относятся ДНК - и РНК.

В 1953 г. Д. Уотсон и Ф. Крик открыли структуру ДНК состоящую из двух цепей, спирально закрученных относительно друг друга. Каждая цепь - полимер, мономерами которого являются нуклеотиды. Каждый нуклеотид состоит из сахара дезоксирибозы, остатка фосфорной кислоты и одного из 4-х азотистых оснований (аденин, гуанин, тимин, цитозин).

Сахар связан с фосфорной группой ковалентной связью, а с азотистыми основаниями - водородной связью.

Две цепи соединяются сла6ыми водородными связями между азотистыми основаниями по принципу комплементарности; аденин дополняется тимином, гуанин – цитазином.

Самой длинной молекулой в организме является ДНК (108 нуклеотидов), имеющая очень большую молекулярную массу.

Перед делением клетки ДНК удваивается, происходит реплuкацuя ДНК. Сначала с помощью фермента ДНК-полимеразы разрываются слабые водородные связи между двумя цепями ДНК, а затем к каждой уже отдельной цепочке достраиваются по принципу комплементарности нуклеотиды (А-Т, Ц-Г), образуются уже 2 цепочки ДНК абсолютно похожие друг на друга. Репликация ДНК обеспечивает точное воспроизведение генетической информации в поколениях клеток и организмов в целом.

Функции ДНК:

1) хранит генетическую информацию, записанную в виде последовательности нуклеотидов;

2) передает наследственную информацию с ядра в цитоплазму.

Для этого с ДНК снимает копию и-РНК и переносит информацию к рибосомам - месту синтеза белка;

3) передает наследственную информацию от материнской клетки к дочерним, для этого перед делением клетка ДНК реплицируется, а во время деления превращается в суперспираль с помощью белка-гистона (в хромосому).

Кроме ДНК в клетке имеется РНК - рибонуклеиновая кислота, которая является также полимером, мономерами которого будут нуклеотиды.

В отличие от ДНК РНК - это: одноцепочная молекула; только у вирусов РНК - двухцепочная; вместо сахара дезоксирибозы в РНК входит сахар рибоза;в состав нуклеотидов входит азотистое основание урацил вместо тимина;

4) состоит из меньшего количества нуклеотидов, чем ДНК.

В зависимости от выполняемых функций РНК бывают несколько видов:

· и-РНК - информационная или матричная РНК - переносит информацию о структуре белка от ДНК к рибосомам, она составляет ~ 1% от общего содержания РНК.

· т-РНК (транспортная) переносит аминокислоты из цитоплазмы в рибосомы, на долю т-РИК приходится около 10% от общего количества РИК клетки.

· р-РНК (рибосомальная)- составляет одну из субъединиц рибосомы, на ее долю приходится около 90% от всех РНК клетки.

3. Транскрипция и трансляция

ДНК - носитель генетической информации. Впервые понятие ген было сформулировано в 1941 году Д. Бидлом и Э. Татумом. В настоящее время геном называют участок молекулы ДНК, кодирующий первичную структуру полипептида. ДНК непосредственного участия в синтезе белков не принимает. В клетках человека молекулы ДНК находятся в ядре и отделены ядерной мембраной от цитоплазмы, где проходит синтез белка. Информацию несет посредник – и-РНК, который по принципу комплементарности считывает (копирует) с ДНК информацию при участии фермента РИК-полимеразы. Переписывание последовательности нуклеотидов или генетической информации происходит с одной нити ДНК и называется транскрипцией (лат. transcriptio - переписывание). Если в переписываемой нити ДНК стоит нуклеотид гуанин (Г), то фермент РНК - полимераза включает в и-РНК комплементарный цитозин (Ц); если стоит аденин (А), фермент включает урацил (У). По длине каждая из молекул и-РНК в сотни раз короче ДНК. Информационная РНК является копией не всей молекулы ДНК, а только ее части - одного гена, несущего информацию о структуре белка. Готовая и-РНК отходит от ДНК и направляется к месту синтеза белка. Существует механизм «узнавания» выбора цепи ДНК для транскрипции - это система «оперона».

Она состоит из генов:

1) ген-активатор, к которому присоединяется фермент РНК-полимераза;

2) ген-промотор, указывает место транскрипции, с его помощью выбирается участок ДНК, который под действием фермента раскручивается;

З) ген-начала синтеза - ТАЦ;

4) ген-оператор - управляющий работой генов, наращиванием цепи и-РНК, продвижением фермента PHK-полимеразы по цепочке ДНК;

5) ген-терминатор-участок ДНК, прекращающий транскрипцию - АТЦ, АТТ, АЦТ.

Благодаря процессу транскрипции в клетке осуществляется передача информации от ДНК к белку по цепочке: ДНК - и-РНК- белок

Перевод информации с и-РНК на последовательность аминокислот называется трансляцией (от лат. translatio - передача), которая происходит на рибосомах.

4. Генетический код

Генетический код - это система записи информации о последовательности расположения аминокислот в белках с помощью СТРОГО определенной последовательности расположения нуклеотидов в ДНК и и-РНК. Участок молекулы дик, состоящий из 3-х нуклеотидов, называется триплетом или кодоном.

Каждому триплету соответствует определенная аминокислота. Из 4 нуклеотидов (аденин, гуанин, тимин, цитозин) можно создать 64 различных комбинации по 3 нуклеотида в каждой. Эти 64 триплета кодируют 20 аминокислот. Поэтому аминокислота кодируется несколькими триплетами, только метионин - одним триплетом - АУГ и триптофан УГГ. Эта множественность кода необходима для надежного хранения информации.

Свойства генетического кода:

1. Специфичность- каждый кодон шифрует ТОЛЬКО одну определенную аминокислоту;

2. Универсальность - один триплет кодирует одну и ту же аминокислоту у всех живых организмов. Это говорит о единстве всего живого на Земле;

3. Код непрерываем - каждый триплет передается по наследству целиком, не разрываясь на нуклеотиды, и переписывание информации происходит строго потриплетно;

4. Триплеты УАА, УАГ, УГА обозначают конец синтеза, т.к к ним нет аминокислот. Они находятся на конце каждого гена.

В ДНК запрограммирована вся наследственная информация, и-РНК переписывает информацию с участка ДНК (гена) и переносит ее в цитоплазму на рибосому. У эукариот и-РНК еще незрелая. Поэтому в ядре и при выходе и3 него происходит его процессинг - дозревание (вырезание неактивных участков и др. процесс), поэтому и-РНК укорачивается

Дозревшая и-РНК переносит информацию о синтезе белка в рибосому. Информация закодирована в виде триплетов ОДИН триплет (кодон) кодирует одну аминокислоту, а последовательность триплетов и-РНК кодирует последовательностъ аминокислот в белковой молекуле.

Генетический код индивидуален для каждого организма, он может быть идентичен только однояйцовых близнецов.

5. Биосинтез белка

Проходит в рибосоме, к которой подходит и-РНК, прикрепляется в функциональной зоне рибосомы. Одновременно в рибосоме помещается 2 триплета и-РНК.

В цитоплазме клетки всегда имеется не менее 20 различных видов аминокислот и соответствующих им т-РНК. С ПОМОЩЬЮ специфических ферментов аминокислоты узнаются, активируются и при соединяются к т-РНК, которая переносит их к месту синтеза белка в рибосому. В рибосоме (в и-РНК) находится кодон, а у т-РНК есть антикодон, комплементарный строго определенному триплету и-РНК.

Если в рибосоме на и-РНК будет триплет АУГ, то к нему подойдет т-РНК с комплементарным антикодоном УАЦ; если ГГГ - то т-РНК С антикодоном ЦЦЦ. Каждому антикодону соответствует своя аминокислота.

Аминокислоты проталкиваются в функциональную зону рибосомы одна за другой соответственно кодону и прикрепляются друг к другу пептидной связью. Эта реакция осуществляется в большой субъединице рибосомы.

Т-РНК вытесняются и «уходят» В цитоплазму за другой аминокислотой, а рибосома передвигается на следующий триплет и-рнк. Так происходит считывание информации. Когда рибосома окажется на терминирующем триплете (ген-терминатор), синтез белка заканчивается. Синтез

Биохимические основы наследственности.

Химическое строение и генетическая роль нуклеиновых кислот: ДНК и РНК.

Гены и их структура. Реализация генетической информации.

Генетический код и его свойства.

1. Химическое строение и генетическая роль нуклеиновых кислот: ДНК и РНК.

Организмы обладают способностью передавать следующим поколениям свои признаки и особенности, т.е. воспроизводить себе подобных.

Это явление наследования признаков основано на передаче из поколения в поколение наследственной информации. Материальным носителем этой информации являются молекулы ДНК.

Рисунок 7 Строение молекулы ДНК

Нуклеиновая кислота представляет собой гигантскую молекулу или макромолекулу, построенную из многих повторяющихся единиц, называемых нуклеотидами.

Выяснение структуры и функции нуклеиновых кислот позволило понять, каким образом живые клетки, а значит, и организмы точно воспроизводят себя и как осуществляется хранение и кодирование генетической информации, необходимой для регуляции всех жизненных процессов. Поскольку нуклеиновые кислоты состоят из многократно повторяющихся мономерных звеньев - нуклеотидов, их называют также полинуклеотидами.

Нуклеотид состоит из азотистого основания, сахара, остатка фосфорной кислоты.

Рисунок 8 Строение и составные части нуклеотида

Азотистые основания в структуре нуклеотида представляют собой производные одного из двух классов соединений - пуринового или пиримидинового ряда.

В нуклеиновых кислотах присутствуют два пуриновых производных - аденин (А) и гуанин (Г) и три пирими-диновых - цитозин (Ц), тимин (Т), урацил (У).

В состав ДНК входят аденин, гуанин, цитозин и тимин. РНК тоже имеет четыре типа оснований, из которых три (аденин, гуанин и цитозин) такие же, как в ДНК, а тимин заменен здесь другим пиримидином - урацилом.

Сахар, входящий в состав нуклеотида, содержит пять углеродных атомов, т.е. представляет собой пентозу. В зависимости от вида пентозы, присутствующей в нуклеотиде, различают два типа нуклеиновых кислот - дезоксирибонуклеиновую кислоту (ДНК) и рибонуклеиновую кислоту (РНК).

Нуклеиновые кислоты являются кислотами, потому что в их молекулу входит остаток фосфорной кислоты .

Фосфорная кислота. В нуклеотидах к молекуле дезоксирибозы (или рибозы) с одной стороны присоединено азотистое основание, а с другой - остаток фосфорной кислоты. Нуклеотиды соединяются между собой в длинные цепи. Остов такой цепи образуют регулярно чередующиеся остатки сахара и фосфорной кислоты, а боковые группы этой цепи - четыре типа нерегулярно чередующихся азотистых оснований.

Именно такая специфичность строения полимерных молекул нуклеиновых кислот определяет возможность хранения в них обширной и сложной генетической информации.

Молекула ДНК представляет собой две параллельные неразветвленные полинуклеотидные цепи, закрученные вокруг общей оси в двойную спираль.

Рисунок 9 Схема строения молекулы ДНК по Уотсону и Крику

Двойная спираль ДНК правосторонняя, с диаметром 20 нм и шагом около 3,4 нм, каждый виток которой включает 10 пар нуклеотидов.

Пространственная структура ДНК удерживается множеством водородных связей, образуемых азотистыми основаниями, направленными внутрь спирали.

Водородные связи возникают между пуриновым основанием одной цепи и пиримидиновым основанием другой цепи. Эти основания составляют комплементарные пары (от лат. complementum - дополнение). Образование водородных связей между комплементарными парами оснований (А с Т и Г с Ц) обусловлено их пространственным соответствием.

Пиримидиновое основание комплементарно пуриновому основанию. Вследствие такой комплементарности азотистых оснований порядок чередования нуклеотидов в обеих нитях ДНК оказывается взаимообусловленным.

Комплементарность двух нитей молекулы ДНК приводит к тому, что число пуринов в нем равно числу пиримидинов [А=Т; Г=Ц или (А+Г)/(Т+Ц)=1].

Именно комплементарностью определяется точное воспроизведение последовательности оснований при копировании (репликации) молекул ДНК.

Рисунок 10 Комплементарность цепей в ДНК

Размеры ДНК могут меняться в гигантских пределах - от нескольких нук-леотидов до миллиардов пар оснований. Единицами измерения длины молекулы являются: пары оснований (п. о.), тысячи пар оснований - килобазы (кб), миллионы пар оснований - мегабазы (мб).

Молекулы ДНК бывают либо линейными, либо замкнутыми в кольцо. У человека большая часть ДНК (3,2 миллиарда пар оснований в гаплоидном наборе) присутствует в ядрах клеток (они диплоидны) в виде 46 плотно упакованных, суперскрученных нитей (хромосом). Сравнительно небольшая часть ДНК, около 5 % локализована в митохондриях.

В отличие от ДНК молекулы РНК, как правило, однонитевые.

Построены они аналогично нитям ДНК, только, как уже говорилось, в сахарно-фосфатный остов их молекул входит не дезоксирибоза, а рибоза, и вместо тимина у них имеется другой пиримидин - урацил.

В зависимости от функций, присущих молекулам РНК, все РНК могут быть разделены на несколько классов: РНК-транскрипты (информационная иРНК или матричная мРНК), транспортная (тРНК), рибосомальная (рРНК) и гетерогенная ядерная РНК(гяРНК)

Каждая молекула РНК выполняет свою специфическую функцию:

Рисунок 11 Структура молекулы РНК

МРНК (иногда ее называют информационной - иРНК) переносят информацию о структуре белка от ДНК к рибосомам, т.е. являются транскриптом (копией) смысловой ДНК, который служит матрицей для синтеза белка;

ГяРНК участвуют в процессе сплайсинга (вырезания последователь ностей, комплементарных интронам, из первичного РНК-транскрипта);

ТРНК переносят аминокислоты в рибосомы, специфичность такого переноса обеспечивается наличием 20 типов тРНК, соответствующих 20 аминокислотам;

РРНК образуют в комплексе с белками рибосому, сложную органеллу, в которой происходит синтез белка.

Рисунок 12 Количество РНК в клетке в %

Размеры молекул РНК очень различны, но в общем они меньше молекул ДНК. К самым мелким относятся тРНК, молекулярная масса молекулы около 25 000, состоят они из 75 нуклеотидов.

2. Гены и их структура. Реализация генетической информации.

Элементарной единицей наследственности является ген.

Ген - это отрезок молекулы ДНК, он дискретен, так как состоит из набора нуклеотидов.

Экзон-интронная организация гена. Ген человека имеет кодирующую часть (экзон ) общей длиной в несколько тысяч пар оснований. Однако общая длина гена значительно больше, поскольку кроме экзонов (кодирующей части) в состав гена входят интроны (некодирующая часть) и фланкирующие последовательности, расположенные до (с 5"-конца) и после (с З"-конца) кодирующей части.

Рисунок 13 Организация гена

Кодирующая часть большинства генов находится в пределах 1-3 тысяч пар оснований, что соответствует белковому продукту из 300-1000 аминокислотных остатков. У большинства генов кодирующая часть поделена на несколько экзонов, между которыми расположены некодирующие участки (интроны).

Межгенные участки ДНК называются спейсерами. Спейсеры состоят из повторяющихся последовательностей ДНК различных типов и уникальных нетранскрибируемых последовательностей, не являющихся генами. Их функция неизвестна.

Молекула ДНК может содержать множество генов. По приблизительным оценкам человек имеет около 30 тыс. генов, каждый из которых выполняет специфическую функцию - кодирует определенный полипептид (например, ферменты или структурные белки клетки) или молекулу РНК.

Генетическая информация реализуется через следующие этапы.

Транскрипция («переписывание») - перенос генетической информации от ДНК к РНК, который заключается в избирательном синтезе молекул мРНК, комплементарных определенным участкам ДНК, соответствующих одному или нескольким генам.

Рисунок 14 Формирование молекулы мРНК на ДНК-матрице

Транскрипция заключается в том, что на одной из нитей ДНК происходит матричный синтез нити мРНК. Этот синтез осуществляется особым ферментом - РНК-полимеразой, который прикрепляется к началу участка ДНК, расплетает двойную спираль ДНК и, перемещаясь вдоль одной из нитей, последовательно строит рядом с ней комплементарную ей нить РНК.

По мере передвижения РНК-полимеразы, растущая нить РНК отходит от матрицы ДНК и двойная спираль ДНК позади фермента восстанавливается, а когда РНК-полимераза достигает конца копируемого участка, РНК отделяется от ДНК.

Синтезированная нить РНК содержит информацию, точно переписанную с соответствующего участка ДНК, так как последовательность нуклеотидов в ней полностью предопределена последовательностью нуклеотидов в ДНК: в строящуюся РНК напротив аденина ДНК включается урацил, напротив гуанина - цитозин, напротив цитозина - гуанин и напротив тимина - аденин.

В зависимости от того, какие гены транскрибируются, продуктами транскрипции могут быть те или другие виды РНК: рибосомальные РНК, транспортные РНК, матричные РНК.

Процессинг - образование молекул мРНК, представляющих собой непрерывную последовательность нуклеотидов, комплементарную только экзонам - кодирующим участкам гена. Далее молекулы мРНК выходят из ядра в цитоплазму и соединяются с рибосомами, где происходит процесс трансляции - синтез полипептидной цепи по молекуле мРНК.

Трансляция («перевод») - процесс декодирования мРНК, в результате которого информация с языка последовательности оснований мРНК переводится на язык аминокислотной последовательности белка (рис. 2.9).

Центральное место в трансляции принадлежит рибосомам - рибонуклеопротеиновым частицам диаметром 20-30 нм, в большом количестве присутствующим в цитоплазме клеток. Рибосома образована двумя субъединицами - большой и малой, состоящими из рРНК и белков. Аминокислоты, синтезированные клеткой, доставляются к месту сборки из них белка, т.е. в рибосомы, посредством тРНК.

В цитоплазме клетки находится 20 различных аминокислот и соответствующие им тРНК. С помощью ферментов аминокислоты «узнают» соответствующие тРНК, присоединяются к ним, и тРНК переносит их к месту синтеза белка в рибосому. Все тРНК имеют три функциональных участка в своей молекуле:

1) участок узнавания фермента, определяющий, какая именно аминокислота будет присоединена к данной тРНК;

2) акцепторный участок, к которому прикрепляется аминокислота;

3) участок, состоящий из трех нуклеотидов - антикодон, определяющий то место в синтезируемой молекуле белка, какое должна занять данная аминокислота.

Акцепторный участок одинаков у всех тРНК, он имеет последовательность оснований Ц-Ц-А. Участки узнавания и антикодоны разные у различных тРНК.

Каждой аминокислоте в мРНК соответствует определенная тройка (триплет) нуклеотидов, называемая кодоном этой аминокислоты; кодон комплементарен триплету, образующему антикодон соответствующей тРНК.

Соответственно, если в рибосоме на мРНК будет кодон АУГ, то к нему подойдет тРНК с комплементарным антикодоном УАЦ.

В рибосоме, в большой ее субъединице между аминокислотами образуются пептидные связи.

Затем тРНК вытесняется в цитоплазму, а рибосома передвигается на следующий кодон, т.е. происходит считывание информации.

В мРНК существуют кодоны: инициирующие (АУГ) - определяющие начало синтеза белка; терминирующие (стоп-кодон) (УАГ, УАА, УГА), заканчивающие синтез белка.

Сигналом к завершению трансляции служит один из трех стоп-кодо-нов.

Таким образом, появление стоп-кодона на рибосоме прерывает процесс трансляции.

На следующем этапе полипептидные цепи транспортируются к специфическим органеллам клетки и модифицируются с образованием зрелого, функционально активного белка.

Рисунок 15 Схема репликации, транскрипции и

трансляции генетического

3. Генетический код и его свойства.

Генетическая информация, содержащаяся в ДНК и мРНК, заключена в последовательности расположения нуклеотидов в молекулах.

Перенос информации с языка нуклеотидов на язык аминокислот осуществляется с помощью генетического кода.

Генетический код обозначается четырьмя буквами (первыми буквами названий четырех нуклеотидов), отличающихся азотистыми основаниями: А, Т, Ц, Г. В белках встречается 20 различных аминокислот, длина «слова», определяющая аминокислоту, состоит из трех нуклеотидов. Число возможных триплетов нуклеотидов равно 64.

Это вытекает из того, что в молекуле нуклеиновой кислоты имеется только четыре разных вида нуклеотидов, различающихся своими азотистыми основаниями, а молекула белка содержит 20 разных аминокислот. 4 3 = 64. . Из 64 кодонов три кодона - УАГ, УАА, УГА не кодируют аминокислот.

Свойства генетического кода

1. Генетический код триплетен. Каждая аминокислота кодируется группой из трех нуклеотидов (триплетом нуклеотидов.

2. Вырожденность генетического кода. Одна аминокислота может кодироваться не одним, а несколькими определенными триплетами нуклеотидов

3. Однозначность генетического кода. Каждому кодону соответствует только одна аминокислота, т.е. триплет шифрует только одну аминокислоту.

4. Неперекрываемость генетического кода. Процесс считывания генетического кода не допускает возможности перекрывания кодонов. Начавшись на определенном кодоне, считывание следующих идет без пропусков, т.е. внутри гена нет знаков препинания. Например, при выпадении одного или двух нуклеотидов из цепи, при считывании образуется белок, не имеющий ничего общего с тем белком, который кодировался нормальным геном.

5. Универсальность генетического кода. Генетическая информация для всех организмов, обладающих разным уровнем организации (от ромашки до человека), кодируется одинаково.

6. Линейность генетического кода. Кодоны прочитываются последовательно в направлении закодированной записи от 5"-конца к 3 " -конц у.

Практическое занятие

Изучение кодовых таблиц по составу аминокислот.

Решение задач на синтез белка.

БИОХИМИЧЕСКАЯ ГЕНЕТИКА - раздел генетики, изучающий механизмы генетического контроля биохимических процессов, выделился в самостоятельное направление при переходе генетических исследований на молекулярный уровень. Б. г. изучает: химическую природу гена; молекулярный «смысл» записи генетической информации; молекулярный «смысл» мутаций и рекомбинаций на уровне гена; механизмы передачи генетической информации в процессе белкового синтеза и регуляции этого процесса; молекулярную природу формирования наследственного признака. Объектом исследования Б. г. являются все живые организмы от вируса до человека включительно. Методология Б. г. базируется на совокупности генетических и биохимических принципов исследования [методов генетического анализа (см.), методов молекулярной биологии при изучении выражения признаков, методов химии белков для изучения последовательности аминокислот в них и выяснения характера повреждения белков при наследственной патологии и т. д.].

Первые данные, доказывающие биохимическое различие между индивидами, были получены К. Ландштейнером (1900) на примере биохимической специфичности групп крови у человека. Несколько позже, в 1909 г., Гаррод (A. Garrod) опубликовал монографию «Врожденные ошибки метаболизма», положив тем самым начало Б. г. болезней человека. Гаррод вскрыл химическую природу алкаптонурии (см.), показав, что с мочой больных этой болезнью выделяется алкаптон (гомогентизиновая к-та). Больные этой болезнью являются гомозиготными носителями пары мутантных рецессивных генов (см. Менделя законы), определяющих недостаточность фермента оксидазы гомогентизиновой к-ты.

Переломным этапом в развитии Б. г. явилось использование микроорганизмов в качестве объектов исследования. Преимущество микроорганизмов для генетических исследований определяется следующими обстоятельствами: а) одноклеточное строение; б) быстрота смены генераций, что позволяет изучать генетические события, протекающие с низкой частотой (рекомбинация, трансформация); в) возможность анализировать одновременно большое количество особей; г) исключительная простота культивирования и селекции на искусственных питательных средах, а также наличие гаплоидного набора хромосом. Основные принципы изучения природы бактериальных мутантов были предложены Бидлом и Тейтемом (G. W. Beadle, E. L. Tatum, 1941). Объект их исследований - плесень нейроспора - может расти на минимальной среде, т. е. среде, состоящей только из воды, некоторых солей и глюкозы, только в том случае, когда ни один из путей ее метаболизма не был блокирован в результате какого-либо мутационного изменения. Если такая мутация возникает, то рост возможен при условии добавления в минимальную среду вещества, синтез к-рого заблокирован. Варьируя добавляемыми к минимальной среде веществами, можно определить, в каком из звеньев цепи биосинтеза у данного мутанта имеется нарушение.

Из 68 000 штаммов нейроспоры Бидл и Тейтем выделили 380 мутантов, большинство из которых для своего роста требовали или разных аминокислот и витаминов, или предшественников биосинтеза нуклеиновых кислот. Биохимическая идентификация этих мутантов позволила выяснить основные этапы синтеза аминокислот, сахаров, нуклеиновых кислот и т. д. В качестве примера можно привести изучение цепи биосинтеза аргинина. Известно, что у млекопитающих предшественниками биосинтеза аргинина являются орнитин и цитруллин. В опытах с различными аргининзависимыми мутантами нейроспоры установлено, что одни из них растут на среде с орнитином и цитруллином, а другие - только с цитруллином. Следовательно, последовательность синтеза аргинина должна быть следующей: орнитин - цитруллин - аргинин.

На основании подобных экспериментов Бидл и Тейтем сформулировали один из основных принципов Б. г.: «один ген - один фермент», т. е. каждый биохимический признак организма генетически детерминирован, и синтез каждого фермента (белка) контролируется определенным геном. Позже эта формулировка была уточнена: «один ген - одна полипептидная цепь», т. к. синтез ферментов и неферментных белков (гемоглобин), состоящих из нескольких полипептидных субъединиц, кодируется несколькими генами. За эти работы Бидл и Тейтем были удостоены Нобелевской премии.

Для изучения метаболизма некоторых биологически важных соединений, в частности витаминов и пигментов, широко используются ауксотрофные мутанты (см. Ауксотрофные микроорганизмы). Ауксотрофные мутанты кишечной палочки в ряде стран нашли применение для идентификации ряда наследственных заболеваний у человека. Д. М. Гольдфарб (1968) предложил метод использования ауксотрофных мутантов для тотальной проверки новорожденных на избыточное присутствие в их крови некоторых аминокислот. Если на минимальной среде, на поверхность к-рой наносится капля исследуемого материала, отмечается рост зависимых по какой-нибудь аминокислоте мутантов, то это указывает на присутствие в материале аминокислоты, а следовательно, и на нарушение аминокислотного обмена у новорожденных. Различный уровень зависимости мутантов по аминокислоте позволяет ориентировочно судить о количестве аминокислоты в материале. При необходимости ребенок подвергается более подробному обследованию (см. Гатри метод).

Принципиальным для Б. г. явился вопрос сцепленности генов, продукты деятельности которых составляют единую цепь биосинтеза. Американский ученый Хартман (F. Hartman) показал, что гены, контролирующие биосинтез гистидина, располагаются на генетической карте в порядке, примерно соответствующем стадиям его биосинтеза. Однако соответствие между сцепленностью генов и близостью звеньев цепи биосинтеза не является твердым правилом как для микроорганизмов, так и для высших животных, в т. ч. человека. Явление группировки генов послужило основой для вывода, что гены в организме работают слаженно и функционирование их регулируется во времени.

Функция генов (названных структурными) регулируется продуктами других генов, обозначенных как регуляторные. Сумма структурных и регуляторных генов составляет функциональную единицу, получившую название оперон (см.).

Синтез полипептидной цепи включает две основные стадии - транскрипцию (см.) генетической информации и ее трансляцию (см.). Генетическая информация записана в молекулах ДНК в виде специфической последовательности четырех нуклеотидов. Согласно модели Дж. Уотсона и Ф. Крика ДНК состоит из двух антипараллельных цепей, обозначаемых как правая и левая (см. Дезоксирибонуклеиновые кислоты). Цепь ДНК, с к-рой осуществляется списывание генетической информации, называют транскрибируемой. В разных генах транскрибируемой может быть как правая, так и левая цепь ДНК. Переход транскрипции с одной цепи ДНК на другую является одним из способов регуляции действия генов. Принципиальная возможность существования такой регуляции впервые доказана советским ученым Р. Б. Хесиным (1962).

Большие успехи Б. г. связаны с выяснением молекулярных основ наследственной патологии у человека. Напр., показано, что изменение в гемоглобине, приводящее к серповидноклеточной анемии, обусловлено заменой в β-цепи измененного гемоглобина аминокислотного остатка глутаминовой к-ты на аминокислоту валин (см. Гемоглобин, Гемоглобинопатия). Уже идентифицированы на уровне отдельных аминокислотных замен 98 точечных мутаций в полипептидных цепях гемоглобинов.

Одной из задач Б. г. является выделение и изучение индивидуальных генов, а также их лабораторный синтез. Удалось выделить в чистом виде лактозный оперон кишечной палочки [Беквит с сотр. (I. Beckwith u. а.)]. Возможность такого выделения основана на том, что два разных некомплементарных трансдуцирующих фага (см. Трансдукция) включали в состав своих ДНК один и тот же участок бактериального генома (см.), в данном случае оперон, кодирующий синтез лактозы. После этого ДНК этих фагов становились комплементарными, но только по включенному участку (см. Мутационный анализ). Используя это обстоятельство, удалось освободиться от некомплементарного материала и выделить чистый оперон. В дальнейших исследованиях удалось выделить отдельные гены синтеза рибосомной РНК (р-РНК) и транспортной РНК (т-РНК).

Выделение индивидуальных генов высших организмов является более трудной задачей, т. к. ДНК этих организмов содержат очень много генов. Однако в клетках, синтезирующих специфические белки, оказалось возможным выделить информационную РНК (и-РНК), комплементарную нек-рым генам. Впервые чистая и-РНК была выделена из незрелых эритроцитов, 95% белкового синтеза которых приходится на гемоглобин. В структуре некоторых вирусов (напр., в вирусе миелобластоза птиц) был обнаружен специфический фермент, который в определенных условиях был способен синтезировать ДНК на комплементарной ей РНК. Эти достижения позволили (1972) осуществить ферментативный синтез индивидуального гена высшего организма с помощью РНК-зависимой ДНК-полимеразы на матрице и-РНК гемоглобина [Балтимор и Шпигельман (D. Baltimore, S. Spiegelman)].

В наст, время на базе Б. г. начало развиваться новое и очень перспективное направление современной биологии - генная инженерия (см.), ставящая своей задачей поиски путей излечения наследственных заболеваний путем введения «здоровых» генов (см. Генотерапия).

В СССР научно-исследовательская работа по Б. г. ведется на кафедрах биохимии и педиатрии мединститутов, на кафедрах биохимии университетов, в лабораториях биохимической генетики научно-исследовательских институтов. Наиболее широко исследования по Б. г. проводятся в Ин-те общей генетики АН СССР, институтах экспериментальной медицины и медицинской генетики АМН СССР, в Ин-те цитологии и генетики СО АН СССР. Общетеоретические вопросы Б. г. разрабатываются в целом ряде специализированных биол, и хим. институтов.

За рубежом исследованиями по Б.г. занимаются в специализированных биохимических и клинических лабораториях при университетах и госпиталях. В ЧССР - Ин-т органической химии и биохимии, во Франции - Национальный центр научных исследований, в США - Ин-т молекулярной биологии, Массачусетский технологический ин-т, а также некоторые другие научные центры и университеты.

В Англии вопросы Б. г. разрабатываются в специализированных центрах (The Galton Laboratory, London; The London Hospital Medical College).

Библиография: Актуальные вопросы современной генетики, под ред. С. И. Алиханяна, М., 1966; Вагнер Р. Ф. и Митчелл X. К. Генетика и обмен веществ, пер. с англ., М., 1958, библиогр.; Хейс У. Генетика бактерий и бактериофагов, пер. с англ., М., 1965; G а г г о d А. E. Inborn errors of metabolism, L., 1963; Harris H. An introduction to human biochemical genetics, Cambridge, 1953; о н ж e, The principies of human biochemical genetics, Amsterdam - L., 1970, bibliogr.

Периодические издания - Генетика, М., с 1965; Успехи современной генетики, М., с 1967; Annals of Human Genetics, JI., с 1956 (1940-1955 - Annals of Eugenics); Biochemical Genetics, N. Y., с 1967; Clinical Genetics, Copenhagen, с 1970; Genetical Research, L., с 1960; Genetics, Baltimore, с 1916.

Ю. П. Винецкий, С. И. Городецкий.

Методическая разработка по дисциплине ОП.04. Генетика человека с основами медицинской генетики разработана преподавателем Фоминой Л.Н. по теме «Биохимические и молекулярные основы наследственности» для специальности 31.02.02. Акушерское дело. Методическая разработка включает технологическую карту с методическим описанием каждого этапа лекции, приложения – лекцию и структурно-логические схемы сравнения молекул ДНК и РНК, лекцию-презентацию по теме «Биохимические и молекулярные основы наследственности», список основной и дополнительной литературы.

Для закрепления материала предлагается студентам составить структурно-логические схемы по видам РНК. Принцип составления структурно-логической схемы объясняется преподавателем на лекции.

Данная методическая разработка может быть использована преподавателями генетики для проведения занятий по данной теме.

Скачать:

Предварительный просмотр:

Бюджетное образовательное учреждение среднего профессионального образования

«Чебоксарский медицинский колледж»

Министерства здравоохранения и социального развития Чувашской Республики

МЕТОДИЧЕСКАЯ РАЗРАБОТКА

ТЕОРЕТИЧЕСКОГО ЗАНЯТИЯ ДЛЯ ПРЕПОДАВАТЕЛЯ

Дисциплина ОП.04. Генетика человека с основами медицинской генетики

Тема: «Биохимические и молекулярные основы наследственности»

Разработалапреподаватель

генетики Фомина Л.Н.

Рассмотрено на заседании

ЦМК Общепрофессиональных дисциплин

Протокол № _____

от «___» _________2015 г.

Председатель ЦМК:

Г.И. Кириллова

Чебоксары, 2015

Аннотация.

Методическая разработка по дисциплине ОП.04. Генетика человека с основами медицинской генетики разработана преподавателем Фоминой Л.Н. по теме «Биохимические и молекулярные основы наследственности» для специальности 31.02.02. Акушерское дело. Методическая разработка включает технологическую карту с методическим описанием каждого этапа лекции, приложения – лекцию и структурно-логические схемы сравнения молекул ДНК и РНК, лекцию-презентацию по теме «Биохимические и молекулярные основы наследственности», список основной и дополнительной литературы.

Для закрепления материала предлагается студентам составить структурно-логические схемы по видам РНК. Принцип составления структурно-логической схемы объясняется преподавателем на лекции.

Данная методическая разработка может быть использована преподавателями генетики для проведения занятий по данной теме.

Актуальность

Успехи Биохимии в значительной мере определяют не только современный уровень медицины, но и ее возможный дальнейший прогресс. Одной из основных проблем биохимии и молекулярной биологии становится исправление дефектов генетического аппарата. Радикальная терапия наследственных болезней, связанных с мутационными изменениями тех или иных генов, ответственных за синтез определенных белков и ферментов, в принципе возможна лишь путем трансплантации синтезированных invitro или выделенных из клеток аналогичных «здоровых» генов. Весьма заманчивой задачей является также овладение механизмом регуляции считки генетической информации, закодированной в ДНК, и расшифровки на молекулярном уровне механизма клеточной дифференцировки в онтогенезе. Проблема терапии ряда вирусных заболеваний, особенно лейкозов, вероятно, не будет решена до тех пор, пока не будет полностью ясен механизм взаимодействия вирусов (в частности, онкогенных) с инфицируемой клеткой. В этом направлении интенсивно ведутся работы во многих лабораториях мира. Выяснение картины жизни на молекулярном уровне позволит не только полностью понять происходящие в организме процессы, но и откроет новые возможности в создании эффективных лекарственных средств, в борьбе с преждевременным старением, развитием сердечно-сосудистых заболеваний, продлении жизни.

Методическая разработка теоретического занятия для преподавателя.

Дата:	Дисциплина: ОП.04. Генетика человека с основами медицинской генетики
Специальность:	31.02.02. Акушерское дело
Семестр: 1 семестр	Курс: 1
Тема:	« Биохимические и молекулярные основы наследственности».
Тип занятия:	Урок овладения новым материалом.
Цели занятия:	Формирование ОК: ОК 4. Осуществлять поиск, анализ и оценку информации, необходимой для постановки и решения профессиональных задач, профессионального и личностного развития. ПК: ПК 2.1. Проводить лечебно-диагностическую, профилактическую, санитарно-просветительную работу с экстрагенитальной патологией под руководством врача. ПК 2.2. Выявлять физические и психические отклонения в развитии ребёнка, осуществлять уход, лечебно-диагностические и профилактические мероприятия детям под руководством врача.
Образовательные:	Формировать знания о биохимических и молекулярных основах наследственности; умений использовать знания о биохимических основах наследственности для проведения предварительной диагностики наследственных болезней.
Воспитательные:	Воспитывать интерес к предмету; Воспитывать усидчивость и любовь к выбранной профессии; Воспитывать стремление к самообразованию
Развивающие:	Формировать и развивать навыки анализировать, проводить сравнение; Развивать умение использовать полученные знания на других дисциплинах; Развивать внимание, память, мышление.
Межпредметные связи:	Педиатрия, акушерство, сестринское дело, хирургия.
Внутрипредметные связи:	«Цитологические основы наследственности», «Закономерности наследования признаков»,«Генные болезни», «Медико-генетическое консультирование».
Методы обучения:	Объяснительно - иллюстрированный
Оснащение занятия:	Наглядность: 1. Лекция презентация. Дидактический материал: 1. Унифицированная лекция. 2. Структурно – логические схемы. 3. КТП. 4.Задачи по биосинтезу белка.
Планируемый результат:	Студент должен иметь представление: о механизме биосинтеза белка.
	Студент должен знать: 1.Латинскую терминологию данной темы. 2.Строение и функцию нуклеиновых кислот. 3.Понятия ген и генетический код. 4.Этапы биосинтеза белка
Структура занятия:	Организационная часть -1 мин.
	Входной контроль знаний – 2 мин.
	Сообщение темы, цели, плана, актуализация – 5 мин.
	Демонстрационная часть – 20 мин.
	Решение задач – 10 мин.
	Закрепление учебного материала -3 мин.
	Подведение итогов – 2 мин.
	Домашнее задание – 2 мин.

Технологическая карта теоретического занятия

	Этапы занятия	Время (мин)	Деятельность преподавателя	Деятельность студентов	Обоснование методических приемов
	Организационная часть.	мин.	Проверяет готовность аудитории и внешний вид студентов. Приветствует студентов, отмечает отсутствующих.	Приветствуют преподавателя, старосты групп докладывают об отсутствующих.	Воспитывает у студентов дисциплинированность, ответственность , аккуратность. Создается деловой настрой на учебную деятельность.
	Входной контроль знаний.	Мин.	Предлагает устно ответить на вопросы, представленные на слайде: 1. Назвать молекулу выполняющую функцию хранения и воспроизведения наследственной информации. 2. В какой части клетки находится ДНК? 3. В какой части клетки находится РНК? 4. Как называются вещества, состоящие из повторяющихся структурных фрагментов соединённых в длинные макромолекулы? 5. Как называются повторяющиеся структурные фрагменты полимера? 6. Мономерами ДНК и РНК являются… 7. Мономерами белка являются…	Отвечают на вопросы.	Позволяет определить уровень базовых знаний по данной теме.
	Сообщение темы, цели, плана, актуализация и мотивация.	мин.	Сообщает тему лекции, указывая на ее значимость. В качестве мотивации учебной деятельности приводит поговорки, связанные с наследственностью, например: «Дареным хромосомам в гены не смотрят!», «Любишь делиться – люби и ДНК синтезировать», «Семеро экзонов одного не ждут», «И ДНК-полимераза один раз, да ошибается», «Прост генетический код, а как сложна живая природа». Излагает план и цели занятия: 1.Генетическая роль нуклеиновых кислот. 2.Ген и генетический код. 3.Биосинтез белка.	Внимательно слушают, записывают в тетрадь тему, план занятия.	Нацеливает студентов на осознанное восприятие и осмысление темы. Настраивает на целенаправленную деятельность, внимание.
	Демонстрационная часть	мин.	Излагает новый учебный материал по плану с демонстраций слайдов (Приложение № 1)	Конспектируют новый учебный материал.
	Решение задач	мин.	Предлагает решить задачи на биосинтез белка (Приложение № 2)	Решают задачи у доски	Способствует лучшему восприятию нового учебного материала.
	Закрепление и обобщение материала	мин.	Преподаватель предлагает устно ответить на вопросы, представленные на слайде: 1. Как соединяются нуклеотиды в цепочку в молекулах ДНК и РНК? 2. Как соединяются две цепочки нуклеотидов в молекулу ДНК? 3. Назовите виды РНК. 4. Назовите пуриновые азотистые основания. 5. Назовите пиримидиновые азотистые основания. 6. Где осуществляется первый этап синтеза белка? 7. Где осуществляется второй этап синтеза белка? Затем преподаватель в качестве закрепления демонстрирует студентам, как нужно составить СЛС по сравнительной характеристике ДНК и РНК (Приложение № 3).	Смотрят на слайды и отвечают. Смотрят на слайд и изучают.	Позволяет определить уровень усвоения нового материала. Способствует развитию исследовательских умений
	Подведение итогов.	мин.	Выделяет главное по теме: 1.Строение ДНК и РНК. 2.Понятие гена и генетического кода. 3.Этапы биосинтеза белка.	Слушают, анализируют слова преподавателя. Подчеркивают в тетрадях главное.	Способствует конкретизации знаний по данной теме.
	Домашнее задание	мин.	Предлагает записать задание на дом: 1. выписать в словарь и объяснить следующие термины: репликация, репарация, триплет, кодон, транскрипция, трансляция. 2. продолжить составление структурно-логической схемы к семинарскому занятию. 3. Решить задачу. Называет литературу.	Записывают домашнее задание. Слушают методические указания.	Активизируется самоподготовка. Воспитывается интерес к учебной деятельности.

Литература:

Основная литература:

1. Рубан Э.Д. Генетика человека с основами медицинской генетики. Учебник/Э.Д.Рубан.- Рн/Д: Феникс, 2015. –стр.34-46.
2. Бочков Н.П. Медицинская генетика. Учебник / Под ред. Н.П. Бочкова. – М.: ГЭОТАР-Медиа, 2013. –стр.27-37.
3. Хандогина Е.К., Терехова И.Д., Жилина С.С. и др. Генетика человека с основами медицинской генетики. Учебник / Е.К. Хандогина, И.Д. Терехова, С.С. Жилина. – М.: ГЭОТАР-Медиа, 2014. – стр.25-34.
4. Акуленко Л.В., Угаров С.Д. Биология с основами медицинской генетики. Учебник / Л.В. Акуленко, С.Д.Угаров; Под ред. О.О. Янушевича, С.Д. Арутюнова. – М.: ГЭОТАР-Медиа, 2013. – стр.31-46.
5. Акуленко Л.В., Угаров И.В. Медицинская генетика. Учебник / Л.В. Акуленко, И.В. Угаров; Под ред. О.О. Янушевича, С.Д. Арутюнова. – М.: ГЭОТАР-Медиа, 2013. – стр.31-42.

Дополнительная литература:

1. Шевченко В.А. Генетика человека. М. «Владос» 2013-239с
2. Гайнутдинов И.К. Медицинская генетика. Ростов-на-Дону, «Феникс», 2010, 415с
3. Щипков В.П., Кривошеина Г.Н. Практикум по медицинской генетике, М. 2011, 271с

Интернет-ресурс:

Приложение № 1

Тема. 3 БИОХИМИЧЕСКИЕ И МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ОСНОВЫ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ

План:

1. Генетическая роль нуклеиновых кислот.
2. Генетический код и его свойства.
3. Биосинтез белка.
4. Генная инженерия и биотехнология.

1. Генетическая роль нуклеиновых кислот.

Нуклеиновые кислоты (нк) – ядерные кислоты (лат.нуклеус – ядро). Представлены ДНК и РНК, их функция - хранение и передача наследственной информации о строении, развитии и функции живого организма.

Строение молекулы ДНК.

ДНК – линейный полимер, имеющий вид двойной спирали. Мономерами ДНК являются нуклеотиды. В клетке ДНК находится в ядре, митохондриях и пластидах.

Нуклеотиды ДНК состоят из:

1. одного из четырех азотистых оснований – А,Г (-пуриновые), Ц или Т (-пиримидиновые)
2. углевода – дезоксирибозы
3. остатка фосфорной кислоты.

Нуклеотиды соединяются в цепочку так: углевод одного нуклеотида с остатком фосфорной кислоты другого.

Две цепочки нуклеотидов соединяются в молекулу ДНК по принципу комлементарности : в молекуле ДНК аденин всегда соединяется с тимином, гуанин с цитозином. Пара А-Т соединена двумя водородными связями, а пара Г-Ц – тремя.

Принцип комплементарности находится в зависимости от правила Чаргаффа : содержание аденина в молекуле ДНК всегда равно содержанию тимина, а гуанина – количеству цитозина. [ А] = [ Т ] и [ Г ] = [ Ц]; а также

[ А+ Г ] =[ Т + Ц], т. е молярная сумма пуриновых оснований равна сумме пиримидиновых оснований.

А Т А

Г Ц Г

Молекула ДНК- это правозакрученная спираль; азотистые основания лежат внутри спирали; углеводные остатки и фосфатные группы – снаружи.

Цепи антипараллельны, т. е направлены в противоположные стороны, так если одна цепь имеет направление от 3 – конца к 5 – концу, то в другой цепи 3 – концу соответствует 5 –конец и наоборот.

Молекула ДНК обладает свойствами: репликации и репарации.

Репликация - это процесс самоудвоения молекулы ДНК при участии ферментов.

В молекуле ДНК связи между нуклеотидами при соединении их в цепочку очень прочны, это обуславливает сохранение последовательности азотистых оснований и структуры генов.

Между азотистыми основаниями – водородные связи; они способны легко разрушаться. Это обеспечивает разъединение ДНК на самостоятельные нити, способствует репликации ДНК.

Репликация происходит в синтетический (s) период интерфазы.

В процессе репликации участвует фермент – ДНК- полимераза, который разрывает водородные связи между азотистыми основаниями, цепи ДНК расходятся и на каждой из них по принципу комплиментарности из свободных нуклеотидов (раннее синтезированных в цитоплазме) собирается вторая цепочка.

Согласно принципу комплиментарности эти новые нуклеотиды присоединяются к строго определенным местам: А=Т; Г=Ц.

Синтез дочерних молекул на соседних цепях идет с разной скоростью. На одной цепи новая молекула собирается непрерывно, на другой – с некоторым отставанием, в виде фрагментов, которые затем сшиваются специальным ферментом ДНК - лигазой.

Каждая полинуклеотидная цепь выполняет роль матрицы для новой комплиментарной цепи.

В каждой из 2 х молекул ДНК одна цепь остается от родительской молекулы, а другая является вновь синтезированной. Такой принцип репликации назван полуконсервативным.

Биологический смысл репликации заключается в точной передаче наследственной информации от материнской клетки к дочерним, что и происходит при делении соматических клеток.

Репарация ДНК - исправление нарушений последовательности нуклеотидов в молекуле ДНК.

Если при репликации ДНК последовательность нуклеотидов в ее молекуле нарушается в силу каких либо причин, то в большинстве случаев эти повреждения устраняются клеткой самостоятельно.

Изменение обычно происходит в одной из цепей ДНК. Вторая цепь остается неизменной.

Репарация включает в себя следующие три этапа:

1. Распознание и удаление поврежденного участка, с помощью ферментов – ДНК – репарирующих нуклеаз;
2. Другой фермент ДНК – полимераза – копирует информацию с неповрежденной цепи, вставляя необходимые нуклеотиды в поврежденную цепь.
3. ДНК – лигаза сшивает вставленный участок с цепью ДНК.

В итоге, поврежденная молекула восстанавливается. Однако бывают случаи, когда «репликативная машина» пропускает или вставляет несколько лишних нуклеотидов, включает Ц вместо Т или А вместо Г. Такие изменения последовательности в молекуле ДНК являются мутациями. Их воспроизведение в последующих поколениях клеток, приводит к патологии.

Строение молекулы РНК.

РНК – полимер, состоящий из одной цепи нуклеотидов. В клетке РНК находится в ядре, цитоплазме, митохондриях и пластидах. Цепочки РНК значительно короче ДНК.

Нуклеотиды РНК содержат:

1). Одно из четырех азотистых оснований: А, Г (-пуриновые), Ц, У (-пиримидиновые);

2). Пятиуглеродный сахар – рибозу;

3). Остаток фосфорной кислоты.

Нуклеотиды РНК соединяется в цепочку так же как в ДНК ковалентными связями:

В клетке существуют несколько видов РНК, которые различаются по величине молекул, расположению в клетке и функциям.

Виды РНК:

1. Информационная(матричная) РНК(и-РНК) – переносит генетическую информацию от ДНК к рибосомам.
2. РибосомнаяРНК (р-РНК) – в комплексе с белками образуют рибосомы.
3. Транспортная РНК (т-РНК) – доставляет аминокислоты к рибосомам. Благодаря внутрицепочным водородным связям молекула т-РНК приобретает вторичную структуру называемую «клеверным листом». В молекуле т-РНК есть два активных центра. Один расположен на переднем конце молекулы (А). Это последовательность из трех нуклеотидов (антикодон). Он соответствует определенной аминокислоте. Другой активный центр находится на противоположном конце молекулы (Б) – «посадочная площадка», к нему прикрепляется АМК - та.

Отличия в строении ДНК и РНК:

1. В состав нуклеотида ДНК входит углевод дезоксирибоза, а в состав нуклеотида РНК – рибоза.
2. ДНК: в нуклеотид входит азотистое основание Т; РНК: Т заменяется на У.
3. Молекула ДНК двухцепочная, РНК – в основном одоцепочная.
4. Молекула РНК значительно короче ДНК.

2. Ген и генетический код.

Ген (греч. «генос» - рождения, образующий). Термин предложен в 1909 г. В Иогансеном взамен терминов «наследственный зачаток» и «наследственный фактор» применяемых Г. Менделем.

Ген – элементарная единица наследственности представленная отрезком молекулы ДНК, где содержится информация о первичной структуре одного белка или молекулы р-РНК и т-РНК.

С обоих концов гены ограничены специальными триплетами, которые служат «знаками препинания», обозначающими начало и конец информации.

Ген человека имеет кодирующую часть – экзон , некодирующую – интрон . Межгенные участки называются спейсерами . Молекула ДНК может содержать множество генов. По современным оценкам, у человека имеется окало 30 – 40 тысяч генов, каждый из которых выполняет специфическую функцию. Известны гены:

• структурные - гены, кодирующие белки;
• гены, несущие информацию о р-РНК и т-РНК;
• регуляторные (или функциональные) – включают и выключают другие гены (промоторы, терминаторы и др.);
• гены модуляторы – усиливают или подавляют проявления других генов.

Генетический код – система записи наследственной информации о последовательности расположения нуклеотидов в ДНК и и-РНК.

Генетический код основан на использовании алфавита, состоящего всего из четырех букв – нуклеотидов, отличающихся азотистыми основаниями: А,Т,Г,Ц.

Основные свойства генетического кода:

1. Генетический код триплетен . Триплет – последовательность трех расположенных рядом нуклеотидов, кодирующая одну аминокислоту (Так например: АМК-те цистеину соответствует триплет – АЦА, валину – ЦАА и т.д.).

Поскольку в состав белков входит 20 аминокислот, то очевидно, что каждая из них не может кодироваться одним нуклеотидом (поскольку в ДНК всего четыре типа нуклеотидов, то в этом случае 16 аминокислот остаются незакодированными). Двух нуклеотидов для кодирования аминокислот также не хватает, поскольку в этом случае могут быть закодированы только 16 аминокислот (4 2 = 16). Значит наименьшее число нуклеотидов, кодирующих одну аминокислоту, оказывается равным трем. В этом случае число возможных триплетов нуклеотидов составляет 4 3 =64.

1. Избыточность означает что, одна аминокислота может кодироваться несколькими триплетами (поскольку аминокислот 20, а триплетов – 64). Например: АМК-те аргиннину могут соответствовать триплеты ГЦА, ГЦТ, ГЦЦ и т.д. Исключение составляет метионин и триптофан, которые кодируются только одним триплетом. Кроме того, некоторые триплеты выполняют специфические функции. Так в молекуле и-РНК три из них УАА, УАГ, УГА – являются терминирующими кодонами, т.е. стоп-сигналами, прекращающими синтез полипептидной цепи. Триплет, соответствующий метионину (АУГ), стоящий в начале цепи ДНК, не кодирует аминокислоту, а выполняет функцию иницииования (возбуждения) считывания.
2. Однозначность означает, что каждому кодону соответствует только одна аминокислота.
3. Линейность генетического кода. Кодоны прочитываются последовательно в направлении закодированной записи от 5′ конца к 3′ концу.
4. Неперекрываемость генетического кода. Каждый нуклеотид входит лишь в какой-либо один триплет и переписывание информации происходит строго потриплетно. Например, в и-РНК следующая последовательность азотистых оснований АУГГУГЦЦЦААУГУГ будет считываться только такими триплетами: АУГ, ГУГ, ЦУУ, ААУ, ГУГ, а не АУГ, УГГ, ГГУ, ГУГ и т.д.
5. Компактность – внутри гена нет знаков препинания. Разберем это свойство на примере такой, составленной из триплетов, фразы: жил был кот тих был сер мил мне тот кот – смысл написанного понятен, несмотря на отсутствие знаков препинания, но если убрать в первом слове одну букву и читать так же тройками, то получиться бессмыслица. Также и происходит при выпадении одного или двух нуклеотидов из гена.
6. Генетический код универсален, т.е. он един у всех живых организмов.

Таким образом, перемещаясь вдоль молекулы и-РНК и считывая по три нуклеотида можно расшифровать аминокислотную последовательность белковой молекулы:

А--- А---Т ---Г--- Ц---А--- Т--- Ц ---Г --- ДНК

У--- У---А--- Ц--- Г---У--- А ---Г--- Ц --- и-РНК

Лей арг сер --- белок.

3. Биосинтез белка.

Синтез белка состоит из двух этапов – транскрипции и трансляции.

I.Транскрипция (переписывание – от латинского слова transeriptio) – биосинтез молекул и-РНК, осуществляется в хромосомах на молекулах ДНК по принципу комплементарности.

Транскрипция происходит не на всей молекуле ДНК одновременно, а лишь на небольшом участке, отвечающем определенному гену – этим транскрипция отличается от редупликации, где задействована вся ДНК, поэтому дочерние молекулы полностью копируют материнскую.

При транскрипции часть двойной спирали ДНК раскручивается. Водородные связи между азотными основаниями на этом участке разрываются. На одной из цепей ДНК идет синтез и-РНК. Вдоль этой цепи движется фермент РНК-полимераза, соединяя между собой нуклеотиды в растущую цепь и-РНК. При этом образуется предшественница и-РНК (про-и-РНК). Она намного длиннее зрелой и-РНК. Дело в том, что ген в ДНК имеет много инертных (не несущих информации) участков – интронов.

Поэтому после синтеза про-и-РНК интроны «вырезаются» с помощью ферментов, а экзоны – участки, содержащие информацию «сшиваются», этот процесс называется сплайсингом . Образуется зрелая и-РНК, несущая информацию о строении одной белковой молекулы. Совокупность процессов, которые приводят к превращению про-и-РНК в зрелую и-РНК называется процессингом .

На специальных генах синтезируются и два других типа РНК – т-РНК и р-РНК. Всего синтезируются 20 разновидностей т-РНК, т.к. в биосинтезе белка участвуют 20 аминокислот.

II.Трансляция (лат. Translatio – передача) – процесс синтеза белка из аминокислот на матрице и-РНК, осуществляемый рибосомой.

В цитоплазме одна молекула и-РНК может связываться одновременно с несколькими рибосомами. Комплекс из и-РНК и рибосом называется полисомой . Именно на полисомах происходит синтез белка.

Механизм : внутри рибосомы размещается два триплета и-РНК, образуя ФЦР (функциональный центр рибосомы). В ФЦР образуется два активных центра: А (аминокислотный) - центр узнавания аминокислоты и П (пептидный) - центр присоединения аминокислоты к пептидной цепочке (к белку).

К каждой т-РНК присоединяется активированная аминокислота. Активизацию аминокислот осуществляют специфичные ферменты аминоацил – т-РНК –синтетазы, т.е для каждой аминокислоты существует свой ферменты. Механизм активизации заключается в том, что ферменты одновременно взаимодействует с соответствующей аминокислотой и с АТФ, которая теряет при этом пирофосфат. Тройной комплекс из фермента, аминокислоты и АТФ называется активной (богатой энергией) аминокислотой, способной спонтанно образовать пептидную связь в молекуле полипептидов. Этот процесс активации – необходимый этап белкового синтеза, поскольку свободные аминокислоты не могут прямо присоединяться к полипептидной цепи.

Затем комплекс аминоацил-т-РНК (т-РНК в комплекс с активированной аминокислотой) с помощью антикодона взаимодействует со стартовым кодоном и-РНК – АУГ.

В активном центре А осуществляется, считывание антикодона т-РНК с кодоном и-РНК, в случае комплементарности возникает связь, которая служит сигналом для продвижения (скачка) рибосомы вдоль и-РНК на один триплет. В результате этого комплекс «кодон и-РНК и т-РНК с аминокислотой» перемещается в активный центр П, где происходит присоединение аминокислоты к пептидной цепочке (белковой молекуле). Аминокислоты, доставленные на рибосомы, ориентированы по отношению друг к другу так, что карбоксильная группа одной аминокислоты оказывается рядом с аминогруппой другой аминокислоты. В результате между ними образуется пептидная связь. После чего т-РНК покидает рибосому.

Рибосома движется вдоль и-РНК пока не достигнет одного из трех стоп-кодонов – УАА, УАГ или УГА.

Полипептидная цепочка погружается в канал ЭПС и там приобретает вторичную, третичную или четвертичную структуру, которые далее либо включаются в метаболизм в той же клетке, либо выводятся из нее.

Скорость сборки одной молекулы белка, состоящего из 200-300 аминокислот, составляет 1-2 минуты.

Результатом участия белков в метаболизме является развитие признака или признаков организма.

Центральная догма молекулярной биологии:

ДНК и-РНК белок.

Приложение № 3

Задачи на биосинтез белка

1. Одна из цепочек молекулы ДНК имеет такую последовательность нуклеотидов:

А Г Т А Ц Ц Г А Т А Ц Т Ц Г А Т ТТ А Ц Г ……

Какую последовательность нуклеотидов имеет вторая цепочка той же молекулы?

2. Какое строение будет иметь молекула РНК, если порядок нуклеотидов в цепочке соответствующего гена, на которой она синтезируется, имеет следующую последовательность:

Г Т Г Т А А Ц Г А Ц Ц Г А Т А Ц Т Г Т А?

3. Определите порядок следования друг за другом аминокислот в участке молекулы белка, если известно, что он кодируется такой последовательностью нуклеотидов ДНК:

Т Г А Т Г Ц Г Т ТТ А Т Г Ц Г Ц………

4. Большая из двух цепей белка инсулина (так называемая цепь В) начинается со следующих аминокислот: фенилаланин – валин – аспарагин – глутаминовая кислота – гистидин – лейцин. Напишите последовательность нуклеотидов участка молекулы ДНК, хранящего информацию об этом белке.

5. В молекуле ДНК на долю цитозиновых нуклеотидов приходится 18%. Определите процентное соотношение других нуклеотидов, входящих в молекулу ДНК.

(Ответ: Г – 18% А – 32%, Т – 32%)

6. Сколько содержится адениновых, тиминовых и гуаниновых нуклеотидов во фрагменте молекулы ДНК, если в нем обнаружено 950 цитозиновых нуклеотидов, составляющих 20% об общего количества нуклеотидов в этом фрагменте ДНК.

Репликация

Репарация

Процесс самоудвоения молекулы ДНК

Исправление нарушенийпоследовательности нуклеотидов в молекуле ДНК

Приложение № 3

Приложение № 3