Кафедра биологии
Курс биологии с экологией для стоматологического факультета МГМСУ
План-конспекты лекций
ЛЕКЦИЯ № 1
Вводная: Молекулярный и клеточный уровни организации биологических систем.
Биология -как наука
|
Современная биология представляет собой комплекс наук, изучающая биологические системы на всех уровнях и во всех проявлениях жизни.
|
Задачи биологии.
|
Раскрытие сущности жизни, её закономерностей, определение места и роли человека, в природе, раскрытие его биосоциальной сущности.
|
Объекты изучения
биологии.
|
Структурная организация и свойства биологических систем на всех уровнях организации. Центральным объектом изучения в медицинском ВУЗе является человек.
|
Биология и медицина.
|
Биология является теоретической основой медицины. Знание общебиологических закономерностей расширяет возможности диагностической и лечебной деятельности врача.(И.В. Давыдовский).
|
Сущность жизни.
|
Развитие представлений о сущности жизни. Критический анализ витализма, механицизма. Определения жизни данные Аристотелем, Биша, А.И.Опариным, А.Н.Колмогоровым, М.В.Волькенштейном. Системный подход в понимании сущности жизни- как способе существования открытых биологических систем в пространстве и во времени.
|
Основные свойства биологических систем.
|
Единый принцип структурной организации, способность к самообновлению, самоорганизации и снижению энтропии /негэнтропия/; способность к саморегуляции; поддержанию гомеостаза; способность к самовоспроизведению; способность поддерживать неравновесное состояние со средой; способность достижения многообразия жизни из различных сочетаний одних и тех же элементов; раздражимость, движение, рост, наследственность, изменчивость, ритмичность, структурированность, дискретность и целостность, многоуровневость и иерархичность, индивидуальное и историческое развитие /онтогенез и филогенез/.
|
Эволюционно обусловленные уровни организации живых систем.
|
Молекулярно-генетический, клеточный, онтогенетический, популяционно-видовой, биогеоценотический, биосферный. Их характерис-
тика и иерархия.
|
Краткая история развития учения о клетке. Создание клеточной теории.
|
В 1609 г. был изобретен микроскоп. Первое микроскопическое исследование среди профессиональных ученых принадлежит Р.Гуку, который в книге "Микрография ..." (1665 г.) описал клетку и установил факт широкого распространения клеточного строения среди растений.
В начале XIX в. Г.Линк и К.Рудольфи описали оболочку растительной клетки, назвав ее вегетативной мембраной. Начиная с 30-х годов XIX в, школой чешского ученого Я.Пуркинье детально описаны животные клетки. Открыто ядро. В 1838 г. немецкие ученые Т.Шванн и М. Шлейден создали крупнейшее научное обобщение XIX в. - клеточную теорию. Было показано, что ткани всех организмов состоят из клеток, принципиально сходных между собой (принцип гомологичности). Б 1857 г. Р.Вирхов сформулировал принцип цитогенеза - каждая клетка от клетки,
В XX в. получены доказательства того, что клетка является открытой, целостной, универсальной и в то же время элементарной живой системой, обеспечивая все необходимые свойства жизни: самообновление, самовоспроизведение и саморегуляцию. В процессе жизни клетки дифференцируются и находятся в тесном единстве с окружающей средой.
|
Концепция о
минимальной
клетке.
|
Возникла в 50-х годах XX в. и характеризует минимальный набор структур, необходимых для жизнедеятельности клетки: система внешних и внутренних мембран, аппарата самовоспроизведения и обмена энергии.
|
Деление клеток на прокариотические и эукариотические. Некоторые адап- . тации бактерий к защитным механизмам в ротовой полости человека.
|
Все клетки делят на про- и эукариотические. Они формируют организмы - прокариоты (бактерии, сине-зеленые водоросли и др.) и эукариоты (растения, животные, грибы). Выделяют неклеточные формы жизни - вирусы и фаги. Принципиальные отличия - размеры, строение поверхностного аппарата, ядра, элементов цитоплазмы. Прокариоты удобные объекты для научных исследований. Прокариоты - паразиты эукариот (бактерии и их капсульные полисахариды) . Муреиновый слой клеточной стенки грамотрицательных бактерий ( , ) покрыт снаружи слоем мягких липидов, что защищает их от лизоцима слюны, слез. Липидный слой придает устойчивость к пенициллину. Наличие капсулы - устойчивость к фагоцитам.
|
Происхождение про- и эукариотических клеток.
|
2 гипотезы происхождения эукариотических клеток:
1)Эукариотические клетки - это результат усложнения строения прокариотических клеток.
2)По теории эндосимбиоза гетеротрофные эукариоты возникли в результате проникновения аэробных прокариот в клетку примитивного предшественника (так возникли митохондрии). Автотрофные эукариоты возникли в результате последующего внедрения в клетку фитосинтезирущих прокариот (так возникли хлоропласты).
|
Клетка как целостная система.
|
Это результат длительной эволюции, жесткого отбора, многочисленных адаптаций. Мембранные и немембранные структуры клетки формируют единую более или менее сложно устроенную интегрированную и адаптированную живую систему.
Поверхностный аппарат, элементы цитоплазмы и ядерный аппарат - основные части клетки.
Поверхностный аппарат - связь с внешней и внутренней окружающей средой, слоистость строения: I) надмембранные структуры: гликокаликс, клеточная стенка; 2) плазматическая мембрана - жидкостно-мозаичная модель; 3) субмембранные структуры - микрофибриллы, микротрубочки, скелетные фибриллы. Свойства и функции поверхностного аппарата: разграничительная, транспортная, барьерная, рецепторная, электрическая, опорная регуляторная.
Обезболивающий эффект при местной анестезии в хирургической стоматологии связан с взаимодействием препарата с рецептором мембраны Nа-канала. В результате блокируется ток ионов Na и нарушается восприятие и передача биотоков. Элементы цитоплазмы (органеллы, гиалоплазма, включения …) обеспечивают реализацию генетической программы клетки, энергетические, метаболические, посреднические и репродуктивные свойства клетки.
Ядерный аппарат благодаря хромосомам обеспечивает хранение биологической информации и точного самоудвоения генетической информации и ее разделения между двумя дочерними клетками„
|
Уровни упаковки ДНК в хромосоме эукариот.
|
Нуклеосомная нить, фибрилла с d = 25 мм, хромомеры, хромонема, хромотида. У прокариот ДНК упакована без гистонов.
|
ЛЕКЦИЯ №2
Тема: Структурно-функциональная организация наследственного материала.
Наследственность и изменчивость
|
Наследственность – способность передавать свои свойства следующим поколениям. Изменчивость – способность организмов изменяться. Наследственные изменения, закрепленные естественным отбором в процессе эволюции, ведут к развитию органического мира на Земле, создают его разнообразие и обеспечивают адаптацию организмов к условиям обитания.
|
Материальная основа наследственности
|
Материальной структурой наследственности и изменчивости являются нуклеиновые кислоты. У всех клеточных организмов наследственная информация содержится в ДНК. ДНК состоит из нуклеотидов, соединяющихся фосфодиэфирными связями в длинные цепи. Две цепи ДНК (за исключение некоторых вирусов) соединяются через азотистые основания по принципу комплементарности и образуют двойную спираль.
|
Наследственный материал вирусов
|
Наследственная информация у вирусов может содержаться либо в РНК, либо в одно- или двуцепочечных ДНК. Вирусы имеют ферменты, позволяющие им синтезировать ДНК на матрице РНК. Открытие таких ферментов – ревертаз заложило основу генной инженерии.
|
ДНК про- и эукариот
|
Прокариоты содержат одну кольцевую молекулу ДНК, средний размер которой – несколько миллионов пар нуклеотидов. Могут иметь дополнительный генетический материал – плазмиды.
У эукариот – линейная двуцепочечная ДНК, соединенная с белками (гистоновыми и негистоновыми), образует хромосомы. Количество нуклеотидов в ДНК и количество хромосом может варьировать у эукариот в широких пределах. ДНК в основном находится в ядре, небольшая часть – в цитоплазме (в митохондриях и пластидах).
|
Ген – единица наследственность
|
Участок ДНК, кодирующий информацию об одном полипептиде, называется геном. Однако существуют гены, кодирующие рибосомальные или транспортные РНК. В то же время, есть полипептиды (например, иммуноглобулины), кодируемые двумя генами. Поэтому точное определение гена, удовлетворяющее всем случаям, дать сложно. Одно из последних определений гена – любая транскрибирующаяся последовательность нуклеотидов.
|
Геном про- и эукариот
|
Геном – совокупность нуклеотидов или генов, содержащихся в гаплоидном наборе хромосом. Также в геном включаются цитоплазматические гены, а у прокариот - гены плазмид. В процессе эволюции величина генома увеличивалась. Геном прокариот может содержать несколько сотен генов и менее миллиона пар нуклеотидов (микоплазма). Геном круглого червя Caenorhabditis elegans - 100 млн. п.н., 19 тыс. генов, человека – около 3 млрд. пар нуклеотидов, 25 тысяч генов, из которых 37 - митохондриальные.
|
Структура генома про- и эукариот
|
Основную часть генома прокариот составляют гены и регуляторные участки ДНК. У эукариот такие участки составляют 10%, а 90% - некодирующая спейсерная ДНК. Данные об этой части ДНК, ее строении и функциях постоянно обновляются и уточняются. Показано, что значительная ее часть может транскрибироваться, однако функции этого транскрипта остаются непонятными.
|
Классификация нуклеотидных последовательностей у эукариот
|
Представленные в единственном числе на геном (например, большинство генов ферментов)
Уникальные последовательности – гены, Умеренно повторяющиеся – гены с числом повторов от нескольких до нескольких сотен (гены гистонов, р-РНК и некоторые другие)
Высокоповторяющиеся последовательности – сателлитная ДНК, в которой число повторов может достигать нескольких миллионов.
|
Псевдогены, эндогенные вирусы и мобильные гены
|
Значительная часть ДНК эукариот может быть “загрязнена” генами, утратившими в процессе эволюции свои функции, а также вирусами. Часть из них мутировала и потеряла способность к транскрипции. Другая часть сохранила способность активировать гены ферментов, способных вырезать и переносить гены в другие части генома (мобильные элементы). Эндогенные вирусы могут вызывать целый ряд заболеваний, в том числе онкологических, а мобильные элементы являются причиной значительной части спонтанных мутаций.
|
Свойства наследственного материала
|
Основные свойства:
способность к репликации (удвоению)
транскрипция (переписывание информации на РНК)
рекомбинация (обмен участков ДНК)
способность мутировать (изменять последовательности нуклеотидов)
репарация (восстановление повреждений ДНК)
|
Свойства наследственного материала обеспечивают его функции
|
Основные функции наследственного материала:
Хранение и передача наследственного материала последующим поколениям клеток и организмов
Реализация наследственного материала в процессе онтогенеза
Для сохранения наследственных свойств требуется точное удвоение ДНК, идентичное распределение генетического материала между дочерними клетками и исправление возникающих в процессе метаболизма ошибок и нарушений.
Для приобретения новых свойств и признаков, необходимых для адаптации в процессе эволюции, происходят мутации и рекомбинации
|
Пространственная организация наследственного материала в клетке
|
Пространственная организация кольцевой ДНК прокариот и хромосом эукариот строго определенна и обеспечивает эффективное хранение и воспроизведение информации. Это достигается за счет соединения ДНК с белками хромосом и белками мембраны, ее спирализации и суперспирализации, образования петель. Компактная укладка хроматина позволяет упорядоченно расположить в ядре клетки молекулы ДНК, общей длиной более метра. В конденсированном гетерохроматине хранится нетранскрибируемая наследственная информация. В деспирализованном “рыхлом” эухроматине гены доступны для транскрипции.
|
Уровни организации хроматина у эукариот
|
Нуклеосомный – соединение ДНК с гистонами, образование нуклеосом
Микрофибрилла (соленоид)
Петли (хромомеры)
Суперспираль метафазной хромосомы
|
ЛЕКЦИЯ №3
Тема: Реализация наследственной информации. Регуляция активности генов и синтеза белка.
Реализация наследственной
информации осуществляется
через синтез белка
|
Наследственная информация записана на ДНК в виде генов. Гены кодируют информацию о белках. Все другие признаки организма реализуются через белки, посредством выполнения ими своих функций. Для развития простых признаков требуется работа одного гена и синтез одного белка, для сложных – нескольких или многих.
|
Генетический код
|
Информация об аминокислотной последовательности (первичной структуре) белка закодирована на гене в виде последовательности триплетов нуклеотидов. Основные свойства кода: триплетность, вырожденность, специфичность и универсальность.
|
Синтез белка у прокариот
|
Первый этап синтеза белка – транскрипция осуществляется ферментом РНК-полимеразой. Выбор кодирующей цепи ДНК, стартовой точки и направления синтеза определяется особым участком перед геном – промотором. С матрицы ДНК информация переписывается на м-РНК сразу с нескольких функционально связанных генов. Окончание считывания определяется терминатором.
Второй этап – трансляция начинается одновременно с транскрипцией. Синтезированные полипептиды приобретают вторичную и последующие структуры, а при необходимости – модифицируются (третий этап - созревание белка)
|
Особенности синтеза белка у эукариот
|
Синтез белка осуществляется в четыре этапа. Транскрипция осуществляется с каждого гена отдельно. Синтезируемая РНК (пре-м-РНК или гетероядерная-РНК) подвергается преобразованию – процессингу, от которого зависит первичная структура белка и количество синтезируемых молекул. Подавляющаяся часть гя-РНК метаболизируется и не участвует в синтезе белка
|
Транскрипция
|
В отличие от прокариот, ген эукариот содержит кодирующие и некодирующие последовательности нуклеотидов – экзоны и интроны. Количество интронов, разделяющих экзоны, может достигать нескольких десятков, а их длина значительно превышает длины экзонов. Пре-м-РНК переписывает всю информацию с гена.
|
Посттранскрипция
|
Созревание пре-м-РНК включает в себя вырезание интронов, сшивание (сплайсинг) экзонов и модификацию концов зрелой м-РНК. Прямой сплайсинг соединение всех экзонов в порядке их расположения на гене. Альтернативный сплайсинг – изменяется порядок расположения и количество сшиваемых экзонов. Альтернативный сплайсинг позволяет создавать до ста различных модификаций м-РНК и, соответственно, белка с одного гена. Процессами посттранскрипции определяется длительность жизни РНК, ее доставка в цитоплазму к месту синтеза полипептада и созможность синтеза белка.
|
Трансляция
|
Синтез полипептида в рибосоме. Начинается со стартового кодона, протекает в три этапа – инициация, элонгация и терминация. Заканчивается стоп-кодоном (терминирующий, нонсенс-кодон). Одновременно с молекулы М-РНК может синтезироваться несколько полипептидов несколькими рибосомами.
|
Посттрансляция
|
Созревание белка осуществляется за счет приобретения им вторичной – четвертичной структур и модификации белковой молекулы. Полипептид может разрезаться на части, к нему могут присоединяться другие молекулы. Формируются протеиновые структуры, способные к выполнению разнообразных функций.
|
Регуляция активности генов у прокариот.
|
В 1965 году Жакоб и Моно были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине за открытие механизма регуляции синтеза белка в лактозном опероне. Единица регуляции – оперон содержит ген регулятор, промотор, оператор, функционально связанные структурные гены и терминатор. Основные факторы регуляции – репрессор, блокирующий считывание информации при присоединении к оператору, и индуктор – освобождающий оператор и делающий гены доступными для РНК-полимеразы. В нормальных условиях у прокариот активна большая часть генов – более 90%.
|
Особенности регуляции активности генов у эукариот
|
У эукариот нет оперонов – каждый ген регулируется самостоятельно. Отсутствуют операторы – точкой приложения репрессоров и индукторов является промотор. Значительную роль в регуляции играют белки хромосом, определяющие конденсацию и спирализацию хроматина, делающие гены доступными или заблокированными для транскрипционной машины. Активно работающих генов клетке эукариот – 10-20%.
|
Регуляторные гены эукариот
|
Регуляторные и сенсорные гены, энхансеры, сайленсеры и другие нуклеотидные последовательности, участвующие в регуляции активности генов, составляют значительную часть геномаэукариот. Они отвечают за синтез белков-регуляторов, восприятие регуляторных сигналов доступность гена для транскрипционных факторов, влияют на активность РНК-полимеразы. Результатом регуляции является репрессия или экспрессия генов. Регуляция экспрессии позволяет изменять активность транскрипции с сотни раз. Возможна регуляция за счет химической модификации (фосфорилирования) ДНК. В сложную последовательность событий регуляции одного структурного гена могут быть включены многие гены–регуляторы.
|
Регуляция на уровне посттранскрипции
|
Важнейший этап регуляции синтеза белка у эукариот. Определяет возможность участия м-РНК в синтезе белка, длительность и интенсивность процессов трансляции. Альтернативный сплайсинг влияет на окончательную структуру белка.
|
Малые РНК
|
Особый класс регуляторных РНК размером от нескольких десятков до сотен нуклеотидов. si-РНК размером 20-30 нуклеотидов способны связываться с определенными участками ДНК, специфически регулируя работу генов (явление РНК-интерференции). Участвуют в распознавании и блокировании вирусных нуклеиновых кислот. Спариваясь с гетероядерной РНК, определяют ее дальнейшую судьбу.
|
Регуляция синтеза белка у эукариот
|
Осуществляется на всех этапах – от транскрипции до посттрансляции. Определяется возможность синтеза белка, скорость синтеза, количество и окончательная структура молекул, их функциональная активность и длительность жизни.
|
ЛЕКЦИЯ № 4
|
