Слайд 1Курс «Молекулярная биология клетки»
Основные концепции современной молекулярной биологии.
Структура и
стабильность генома. Структура ДНК, процессы репликации ДНК, репарации и пространственной
организации генома.
Реализация наследственной информации. Процессы, лежащие в основе "работы" (экспрессии) генов — транскрипция, трансляция. Жизненный цикл мРНК и посттрансляционная судьба белковых молекул.
Клетка и окружающая среда. Взаимодействие клетки с окружающими её клетками через прямые межклеточные контакты и химические сигналы. Обмен веществ (метаболизм) и клеточный цикл.
Слайд 2Источники:
Курсы лекций и презентации:
«Молекулярная биология и генетика»
«Молекулярная биология клетки»
https://stepik.org
Дейч К.О
"О геномах" СФУ.
Alberts B., Johnson A., Lewis J., Raff M.,
Roberts K., Walter P. Molecular Biology of the Cell; издание 5-ое или 6-ое. («Молекулярная биология клетки», в 2-х томах, переведено на русский язык издательством НИЦ "Регулярная и хаотическая динамика" ).
https://www.coursera.org/
https://stepic.org/
http://postnauka.ru/
http://vk.com/molbio
http://icg.nsc.ru/lectures/
Слайд 3Лекция 2.
Структура ДНК и её воспроизведение
из чего состоят нуклеотиды и как
они объединяются в цепочку ДНК; Формы ДНК.
как происходит копирование молекулы
ДНК (репликация) и как был доказан основной принцип этого процесса;
какие стадии репликации ДНК выделяют, и что происходит в ходе этих стадий.
и конечно немного истории…
Слайд 4? из зала
сколько пар нуклеотидов в одном гене?
Срочно в
номер …Новые дебаты!
«Спустя пятнадцать лет после того, как геном человека
был секвенирован, исследователи все еще не могут договориться о том, сколько генов он содержит»
Слайд 5Размер генома
http://www.bibliotekar.ru/llDNK2.htm
https://laba.media/materials/geneticheskaia-laboratornaia-2019-metodichka
Высокая вариабельность размера одного гена:
20 п.н. – ген эндорфина
(удовольствие)
700 п.н. – ген интерферона (защита)
2.5 млн. п.н. –
ген мышечного белка (движение)
Слайд 6Сколько генов в геноме человека?
Ответ - 20 тысяч. Это только
оценка, но по порядку величины – 20 тысяч генов на
сегодня считается наиболее близким к действительности значением.
Наша оценка количества генов зависит от определения гена.
1) По определению Гуттмана, Гриффитса, Сузуки и Куллиса, ген – это отрезок ДНК, ответственный за производство отдельного вида белка. Тогда генов около 20 000 шт.
2) Если мы к ним добавим второе определение – гены, кодирующие РНК ( (независимо от того, транслируется ли она в белок), оценку нужно будет увеличить. Но порядок останется тот же.
https://laba.media
Слайд 7Базы данных генов, функциональным продуктом которых являются РНК, резко выросли
за десятилетие,
и текущие каталоги генов человека теперь содержат больше
генов, кодирующих РНК, чем белки.
https://biomolecula.ru/articles/skolko-u-nas-genov
Слайд 9Первая рентгенограмма
молекулы ДНК
Морис Уилкинс
(1916-2004)
Рентгенограмма волокон ДНК кишечной палочки, полученная
М. Уилкинсом
В 1950 г. получена рентгенограмма ДНК.
Нуклеотиды
располагаются друг от друга на расстоянии 0.34 нм, а на одном витке спирали их 10.
Один виток составлял 3,4 нм, а диаметре молекулы ДНК составлял 2 нм.
https://indicator.ru/medicine/moris-uilkins.htm
Слайд 10http://bono-esse.ru/blizzard/ais.html
Слайд 11В-семейство ДНК
В-ДНК наиболее часто встречается in vivo и характеризуется наличием
большой и малой бороздок.
Слайд 12С-ДНК имеет структуру, сходную с В-ДНК. Пары оснований наклонены на
отрицательный угол 8 град. относительно перпендикулярного к оси положения, поэтому
расстояние между нуклеотидами вдоль оси спирали несколько меньше, чем в В-ДНК.
D-ДНК - по сравнению с B-ДНК эта спираль закручена сильнее.
Т-ДНК - фрагмент ДНК Ti-плазмиды или Ri-плазмиды, содержащий 7 генов. Внедряется в ядерный геном клетки-хозяина при индукции Agrobacterium - опухоли (корончатого галла) у растения.
В-семейство ДНК
Слайд 13Вред. Бактерии, вызывающие заболевания у растений. Agrobacterium tumefaciens, вызывает появление
галлов.
Польза. Азотфиксирующие бактерий, вызывают образование клубеньков на корнях бобовых
растений (например, Rhizobium). Гены плазмиды необходимы для формирования клубеньков и фиксации азота.
Ti-плазмида
(от англ. tumor inducing — «вызывающий опухоль»)
Craig Mabbett
Lutterworth Road Dunton Bassett
06 April 2016
Слайд 14Плазмида может обеспечить своего обладателя новыми метаболическими путями:
сбраживать лактозу,
сахарозу, выполнять гидролиз мочевины или образовывать сероводород.
У Pseudomonas putida имеется
плазмида - pWWO, содержащая гены ряда ферментов, которые превращают циклические углеводороды толуол и ксилол в бензоат. Далее бензоат разрушается до метаболитов, которые могут быть использованы в биосинтетических процессах или для получения энергии.
Pseudomonas putida может расти в условиях, когда толуол является единственным источником углерода.
Польза. Способность бактерий разлагать вредные для окружающей среды соединения составляет основу биоремедиации.
Слайд 15«Розалинд Франклин:
забытая леди ДНК»
1920-1958 гг.
Английский биофизик и
учёный-рентгенограф,
Получила качественные рентгенограммы структуры ДНК и подготовила
почву для выводов о структуре ДНК, сделанных Джеймсом Уотсоном и Фрэнсисом Криком.
Одним из важнейших вкладов Франклин в модель Уотсона-Крика стала её лекция, проведённая в ноябре 1951 года, где она представила присутствующим, среди которых был и Уотсон, две формы молекулы, типа А и типа В, а также её строение, при котором фосфатные группы расположены с наружной части молекулы. Она также определила количество воды в молекуле и соотношение её в различных частях молекулы — данные, которые были чрезвычайно важны для сохранения стабильности молекулы. Франклин первая открыла и сформулировала те факты, которые впоследствии составили основу для последующих попыток построить модель молекулы.
Слайд 16?
https://indicator.ru/medicine/moris-uilkins.htm
Слайд 17Скульптура ДНК в Кембридже
https://indicator.ru/medicine/moris-uilkins.htm
Слайд 18ДНК - символ науки
«I don't have a Nobel Prize, I
have the Nobel prize»
«У меня не просто Нобелевская премия,
а та самая Нобелевская премия».
Джеймс Уотсон
Слайд 19Джеймс Уотсон,
оплативший установку в Кембридже скульптуры ДНК, настоял, чтобы
на её основании было написано:
«Эти цепи расплетаются в ходе репродукции
клетки. Гены закодированы последовательностью оснований»
«Модель двойной спирали создана благодаря работам Розалинд Франклин и Мориса Уилкинса»
На спиралях же начертано:
«Структура ДНК была установлена в 1953 году Фрэнсисом Криком и Джеймсом Уотсоном, жившим здесь в Клэре»
«Молекула ДНК имеет две спирально закрученные цепи, которые связаны парами оснований "аденин — тимин" или "гуанин — цитозин"»
Слайд 20 A-ДНК - правозакрученная двусхпиральная молекулу ДНК. Пары оснований
в А-форме очень сильно отодвинуты от оси спирали к периферии
молекулы. ДНК может переходить в А-форму при пониженной относительной влажности
Биологическая роль
А-форма ДНК необходима для образования ДНК-РНК комплексов.
А-форма образуется во время транскрипции и обратной транскрипции.
А-форма устойчивее к УФ-излучению, споры грибов содержат именно эту форму.
А-семейство ДНК
ДНК может переходить в А-форму не только при пониженной относительной влажности, но и в составе гетеродуплекса с молекулами РНК, для которой А-форма оказывается более устойчивой из-за наличия дополнительной группы ОН- рибозы. Таким образом, в клетке А-форма ДНК всегда образуется во время транскрипции, обратной транскрипции и при отжиге РНК-праймеров в ходе репликации.
Слайд 21Z-семейство ДНК
Z-ДНК — левозакрученная спираль.
ДНК в Z-форме характерно
для некоторых энхансеров. При понижении влажности, увеличении концентрации солей в
Z-форму чаще переходят участки молекулы, богатые CpG-повторами.
Энхансер (англ. enhancer — усилитель, увеличитель) — участок ДНК, который после связывания с ним факторов транскрипции стимулирует транскрипцию с основных промоторов гена или группы генов.
Слайд 22Хромосомы с местами локализации
G-квадродуплексов
Biffi, G., et al., Nature Chemistry,
2013
Структура G-квадродуплекса
Слайд 23?
Какую длину (в нм) будет иметь линейный фрагмент молекулы ДНК,
содержащий 200 пар нуклеотидов? Округлите ответ до целого.
Какое обозначение используется
для наиболее распространенной структуры молекулы ДНК?
А-форма Z-форма C-форма B-форма
Слайд 25?
Выберите верные утверждения относительно структуры ДНК:
1) Основная форма ДНК
представлена левозакрученной спиралью;
В основе формирования сахарофосфатного остова лежит образование ковалентных
связей дезоксирибозы с остатками фосфорной кислоты;
Мономерами цепи ДНК являются нуклеозиды;
На противоположных концах нити ДНК содержится фосфатная группа (5'-конец) и свободная гидроксильная группа (3'-конец);
Правило комплементарности связано с образованием водородных связей между А-Т и Г-Ц парами нуклеотидов.
Слайд 26?
Вам дана последовательность ДНК:
5' ATTGCCACTG 3'
Запишите обратную комплементарную последовательность в
соответствии с правилом записи последовательностей
Слайд 28?
Какие процессы являются матричными:
Обратная транскрипция
Транскрипция
Трансляция
Репликация
Слайд 29Репликация вируса иммунодефицита человека
в клетке
Слайд 30Механизм репликации ДНК
После открытия Д.Уотсоном и Ф.Криком (1953 г.) двойной
спирали ДНК было предложено несколько возможных механизмов её репликации.
Слайд 31Механизм репликации ДНК
Гипотеза полуконсервативной репликации ДНК – каждая дочерняя двойная
спираль ДНК состоит из одной старой (матричной) цепи и из
одной вновь синтезированной цепи.
Слайд 32Механизм репликации ДНК
Гипотеза консервативной репликации ДНК - материнская двойная спираль
как целое выступает в качестве матрицы для синтеза дочерней спирали,
состоящей из двух новых цепочек (большая роль гистонов в процессе репликации).
Слайд 33Механизм репликации ДНК
Гипотеза дисперсной репликации ДНК (предложил Макс Дельбрюк) –
для решения проблемы раскручивания длинных дуплексов при копировании ДНК.
Для
предотвращения суперскручивания ДНК при репликации в неё через каждые 5 нуклеотидных остатков вносятся разрывы, которые «зашиваются» после того, как излишнее напряжение снимется с молекулы. В результате дочерняя цепь состоит из чередующихся старых и новых участков длиной по 5 нуклеотидных остатков. То же верно и для материнской цепи.
Слайд 35Инициация Элогнация
Терминация
Реплика́ция (от лат. replicatio — возобновление) —
процесс синтеза дочерней молекулы
Слайд 36Характеристики процесса репликации
Матричный — последовательность синтезируемой цепи ДНК однозначно определяется
последовательностью материнской цепи в соответствии с принципом комплементарности;
Полуконсервативный — одна
цепь молекулы ДНК, образовавшейся в результате репликации, является вновь синтезированной, а вторая — материнской;
Направление от 5’-конца новой молекулы к 3’-концу;
Полунепрерывный — одна из цепей ДНК синтезируется непрерывно, а вторая — в виде набора отдельных коротких фрагментов (фрагментов Оказаки);
Начинается с определённых участков ДНК, которые называются сайтами инициации репликации (англ. origin).
Слайд 37Наличие дезоксирибозы вместо рибозы в составе сахарофорсфатного остова делает ДНК
значительно более устойчивой по сравнению с РНК. ДНК выдерживает диапазон
изменения pH от 2 до 10 без потери нативной двухцепочечной структуры.
Воздействие высокой температуры может привести к плавлению водородных связей между азотистыми основаниями. Этот процесс приводит к расхождению двух нитей ДНК и называется денатурацией, однако он обратим, и молекула легко восстанавливает исходную двуцепочечную структуру при понижении температуры.
Почему хранитель информации ДНК?
Слайд 38У ДНК есть разнообразные формы. В-форма ДНК сохраняется при выделении
ДНК при высокой влажности. При пониженной влажности, что возможно, например,
при хранении ДНК в спиртовом растворе, может образовываться А-конформация, представляющая собой немного иначе скрученную спираль. На один виток в ней приходится 11 пар оснований, участки с азотистыми основаниями не перпендикулярны оси молекулы, а образуют угол в 70 градусов, что приводит к образованию внутри молекулы полости. Подобная форма ДНК обнаруживается в естественных условиях во время транскрипции.
Почему хранитель информации ДНК?
Слайд 39 Существует особая конфигурация, называемая Z-формой. В таком состоянии обычно
пребывает ДНК, обогащенная ГЦ-нуклеотидами в своём составе. Она представляет собой
левозакрученную спираль, в отличие от А- и В-форм, На один виток такой спирали в Z-форме приходится 12 пар оснований. Z-ДНК может обеспечивать сверхспирализацию ДНК, что также важно во время транскрипции.
Почему хранитель информации ДНК?
Слайд 40Резюме
ДНК представлена двуцепочечной правозакрученной спиралью, существующей в организме в В-форме.
На один виток, составляющий в длину 3.4 нм, приходится 10
пар оснований.
В структуре молекулы ДНК выделяют конец со свободной OH-группой (3’ конец) и конец с фосфатной группой (5’ конец). Согласно стандартным правилам записи, последовательности ДНК представляют от 5’ конца к 3’.
Слайд 41Резюме
Комплементарность оснований в молекуле ДНК (А-Т, Г-Ц) обсуловлена формирванием между
этими основаниями термодинамически эффективных водородных связей.
Между нуклеотидами А-Т образуется
2 водородные связи, а между Г и Ц – 3. Из-за того, что в паре А-Т образуется меньше водородных связей, то эта пара нуклеотидов будет более подвержена разрыву, как и цепочка обогащенная большим количеством АТ будет расплетаться с меньшими затратами энергии.
Слайд 42Резюме
Репликация — воспроизведение молекулы ДНК — возможна благодаря комплементарности оснований. Процесс
репликации лежит в основе передачи наследственной информации, то есть является
ключевым для передачи информации в ряду поколений.
Репликация ДНК проходит по полуконсервативному механизму. Это означает, что каждая дочерняя двуцепочечная молекула ДНК содержит одну исходную (родительскую) и одну новосинтезированную (дочернюю) цепь.
В репликации, как и в любом матричном процессе, выделяют три основные стадии: инициацию, элонгацию и терминацию.
