🗊Презентация Поток информации в клетке

Поток информации в клетке. Кодирование и реализация генетической информации.

Значение потока информации. Доказательства генетической роли ДНК. Благодаря потоку информации клетки сохраняют и передают потомкам многовековой опыт своих предшественниц, а именно сохраняют индивидуальную и видовую специфичность, воссоздают свою структурную организацию и сохраняют способность к выполнению своих функций в организме.

Строение, свойства и функции ДНК.

Свойства ДНК.

В) дисперсионная схема – в процессе удвоения молекулы ДНК составляющие ее цепи разрываются или разрушаются, так что после синтеза дочерних молекул последние включают в свой состав случайным образом перекомбинированные фрагменты исходящих молекул.

Редупликация осуществляется при участии ряда ферментов. Хеликаза раскручивает и разделяет материнскую спираль ДНК на 2 нити, на которых по принципу комплементарности при участии фермента ДНК-полимеразы собираются дочерние цепи. Топоизомераза скручивает дочерние молекулы. Матричный синтез ДНК идет одновременно на обеих цепях материнской молекулы антипараллельно. Антипараллельность обеспечивает специфичность направления движения фермента ДНК-полимеразы, т.е. она может двигаться только в направлении 5'-3'. Цепочки собираются с разной скоростью. На лидирующей нити по мере раскручивания репликона постепенно и непрерывно наращивается дочерняя цепь. На отстающей нити дочерняя тепь синтезируется также в направлении 5'-3', но отдельными фрагментами (Оказаки) по мере раскручивания репликона. Фермент лигаза сшивает в единую нить фрагменты.

Участок ДНК с основными повреждениями, вызываемыми УФ-светом а - тиминовый димер циклобутанового типа; б - пиримидиновый димер, соединенный 6-4 связью. С - цитозин; Т - тимин

Принцип генетического кодирования. Свойства генетического кода Генетический код – последовательность нуклеотидов ДНК, определяющая последовательность аминокислот в полипептиде (4-х сигнальный). Содержит информацию о 20 различных аминокислотах.

триплетность. вырожденность (избыточность). специфичность (однозначность). линейность, неперыкрываемость. «Без запятых». универсальность.

Поток генетической информации у прокариот и уэкариот

1 этап. Транскрипция ДНК. На транскрибируемой цепи ДНК с помощью ДНК-зависимой РНК-полимеразы достраивается комплементарная цепь иРНК. Молекула иРНК является точной копией нетранскрибируемой цепи ДНК.

2 этап. Процессинг (созревание) иРНК. Синтезированная молекула иРНК (первичный транскрипт) подвергается дополнительным превращениям. В большинстве случаев исходная молекула иРНК разрезается на отдельные фрагменты. Одни фрагменты – интроны – расщепляются до нуклеотидов, а другие – экзоны – сшиваются в зрелую иРНК. Процесс соединения экзонов «без узелков» называется сплайсинг.

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

Инициация - образование пептидной связи между двумя первыми аминокислотами полипептида. Первоначально образуется инициирующий комплекс, в состав которого входят: малая субъединица рибосомы, специфические белки (факторы инициации) и специальная инициаторная метиониновая тРНК с аминокислотой метионином.

При объединении субъединиц образуется целостная рибосома, которая несет два активных центра (сайта): А–участок (аминоацильный, который служит для присоединения аминоацил-тРНК) и Р–участок (пептидилтрансферазный, который служит для образования пептидной связи между аминокислотами).

После образования пептидной связи между двумя первыми аминокислотами рибосома сдвигается на один триплет. В результате происходит транслокация (перемещение) инициаторной метиониновой тРНК за пределы рибосомы. Водородная связь между стартовым кодоном и антикодоном инициаторной тРНК разрывается. В результате свободная тРНК отщепляется и уходит на поиск своей аминокислоты.

Элонгация - присоединение последующих аминокислот, т.е. наращивание полипептидной цепи.

Терминация - окончание синтеза полипептидной цепи. Рибосома достигает такого кодона иРНК, которому не соответствует ни одна тРНК. Существует три таких нонсенс–кодона: УАА («охра»), УАГ («янтарь»), УГА («опал»). На этих кодонах иРНК рабочий цикл рибосомы прерывается, и наращивание полипептида прекращается. Рибосома под воздействием определенных белков вновь разделяется на субъединицы.

ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ ГЕНЕТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОНЯТИЯ ГЕНОМ.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГЕНОМА. Термин «геном» был предложен немецким ученым Винклером (1920 г). В классической генетике ГЕНОМ - генетический материал, заключенный в гаплоидном наборе хромосом. В молекулярной генетике ГЕНОМ – это суммарная длина молекул ДНК в гаплоидном числе хромосом. У каждого биологического вида свой геном (видоспецифичность), который характеризуется: 1. определенным количеством хромосом (у кишечной палочки -1, у человека – 23). 2. суммарной длиной ДНК (у кишечной палочки - 0,1 см, у человека – 187 см).

В 40-х годах ХХ века Бидл и Татум сформулировали гипотезу «1 ген – 1 фермент». Ген – это функциональный участок хромосомы, контролирующий образование белков – ферментов. Позднее было установлено, что гены отвечают за формирование разных белков, поэтому формула была изменена «1 ген – 1 белок».

Чейз и Херши доказали, что этим функциональным участком является ДНК, следовательно ген – это участок молекулы ДНК, контролирующий синтез 1 белка. В настоящее время считают, что ген – это участок ДНК, который характеризуется специфической последовательностью нуклеотидов и контролирует синтез полипептидной цепи (тоже неточное).

КЛАССИФИКАЦИЯ ГЕНОВ.

В зависимости от локализации генов в структурах клетки различают: ядерные. митохондриальные гены.

По своему функциональному назначению гены делятся на: А) гены, кодирующие белки Гены «домашнего хозяйства», продукты которых необходимы для обеспечения функции любого типа клеток Гены терминальной дифференцировки, которые обеспечивают специализированные функции клеток Гены транскрипционных факторов, которые контролируют особые ядерные белки, способные соединяться с регуляторными областями многих структурных генов, вызывают активацию или подавление транскрипции.

Б) гены, контролирующие синтез РНК. Гены тРНК Гены рРНК Регуляторные гены (малые ядерные).

По генопродуктам выделяют гены: структурные. Контролируют синтез ферментов, структурных белков, антител, рецепторных белков. регуляторные. Белки – репрессоры, оказывают влияние на структурные гены. гистоновые. Белки-гистоны. Только в геноме эукариот. гены тРНК. гены рРНК. 1-3 – транскрибируемые и транслируемые. 4-5 – только транскрибируемые.

ОСОБЕННОСТИ ГЕНОМА ПРОКАРИОТ И ЭУКАРИОТ. отличаются по величине информативной емкости генома – количеству генов в геноме. У кишечной палочки – 2-3 тысячи генов, у человека – 30 тысяч генов. отличаются по объему генома – суммарной длине молекул ДНК. У кишечной палочки – 0,1 см, у человека – 187 см.

явление избыточности ДНК. 80% ДНК избыточны, только 20% идет на построение генов. Характерна для эукариот. Один из антимутационных барьеров.

в геноме эукариот имеются повторяющиеся (дуплицированные) гены: а) уникальные по частоте повторов (от 3 до 10 копий на геном) – структурные гены, б) умеренно-повторяющиеся (от 1000 до 100000 копий на геном) – гистоновые гены, гены тРНК и рРНК, в) многократно-повторяющиеся гены (от 10х5 до 10х6), г) нетранскрибируемые гены (сателлитная ДНК) с высоким повтором относительно коротких нуклеотидных последовательностей, функции до конца не выяснены, занимают определенные приконцевые и прицентромерные участки хромосом.

по генному составу. У эукариот - 5, а у прокариот – 4 класса генов. У эукариот присутствуют: псевдогены (гены – испорченные копии нормально функционирующих генов), мобильные генетические элементы (транспозоны, прыгающие гены) – могут встраиваться в структурные гены и оказывать воздействие на их структуру.

различия в молекулярном строении гена. У прокариот ген на всем протяжении является функциональным, т.е. имеет цистронную структуру, а у эукариот гены имеют мозаичное или прерывистое строение, т.е. состоит из кодирующих участков – экзонов и некодирующих – интронов.

РЕГУЛЯЦИЯ АКТИВНОСТИ ГЕНОВ. Экспрессия генов — это процесс, в котором наследственная информация от гена преобразуется в функциональный продукт — РНК или белок. Экспрессия генов может регулироваться на всех стадиях процесса: и во время транскрипции, и во время трансляции, и на стадии пост-трансляционных модификаций белков.

Регуляция генов дает клеткам контроль над структурой и функцией и является основой дифференцировки клеток, морфогенеза и адаптации. Регуляция генов также является субстратом для эволюционных изменений, так как контроль за временем, местом и количественным фактором экспрессии гена может иметь эффект на функции генов в целом организме.

Механизм регуляции экспрессии генов у прокариот рассматривается на уровне оперона, а у эукариот – транскриптона.

Оперон включает в себя следующие гены: структурные. Они кодируют необходимые для клетки белки с ферментативными или структурными функциями, а также кодирующие рРНК и тРНК.

ген-регулятор. Он может находиться на некотором расстоянии от структурных генов и непосредственно не входит в состав оперона. Этот ген обеспечивает синтез особого белка репрессора, функция которого – контроль за состоянием структурных генов. Регуляторные белки обладают очень сильным сродством к гену-оператору и легко связываются с ним.

ген-оператор. Он управляет функционированием структурных генов оперона, т.е. включает или выключает их. Если этот ген свободен, то транскрипция структурных генов разрешена, если он связывается с регуляторным белком, то работа этих генов прекращается. К оператору непосредственно примыкает промотор.

Теория генетической регуляции белкового синтеза была разработана французскими генетиками Жакобо и Моно в 1961 году. Объектом изучения служил лактозный оперон кишечной палочки. Лактозный оперон состоит из промотора, оператора и 3 структурных генов, располагающихся друг за другом.

Структурные гены детерминируют (кодируют, контролируют) синтез ферментов, которые необходимы для одного метаболического цикла расщепления лактозы до глюкозы. При этом каждый ген определяет синтез одного белка фермента.

Все гены оперона функционируют совместно, поэтому одновременно синтезируются все 3 фермента, или не синтезируется ни одного.

Может быть 2 состояния оперона: А) оперон включен. Лактоза поступает в клетку и соединяется с белком-репрессором, отсоединяя его от оператора. Операторный участок разблокирован, поэтому РНК-полимераза через него проходит и осуществляет транскрипцию с этих структурных генов. Образуется иРНК, а затем белки ферменты, расщепляющие лактозу.

Все гены организма можно разделить на две большие группы: Конститутивные, индуцибельные.

Конститутивные гены – это гены с постоянной экспрессией, они постоянно включены, то есть функционируют на всех стадиях онтогенеза и во всех тканях. К ним относятся гены, кодирующие тРНК, рРНК, ДНК-полимеразы, РНК-полимеразы, белки-гистоны, белки рибосом и т.д. Иначе говоря, это «гены домашнего хозяйства», без которых клетки не могут существовать.

Индуцибельные гены («гены роскоши») – это гены с регулируемой экспрессией, они могут включаться и выключаться. У многоклеточных организмов индуцибельные гены называют тканеспецифичными, потому что они по-разному функционируют в разных тканях на разных этапах онтогенеза.

ГЕНЕТИЧЕСКИЙ АППАРАТ КЛЕТОК ЭУКАРИОТ.

ДОКАЗАТЕЛЬСТВА ГЛАВЕНСТВУЮЩЕЙ РОЛИ ЯДРА В НАСЛЕДСТВЕННОСТИ. ЗАКОНОМЕРНОСТИ НАСЛЕДОВАНИЯ ЧЕРЕЗ ЦИТОПЛАЗМУ.

Основная масса ДНК сосредоточена в ядре (более 90%). В митохондриях – 1,5%, пластидах – 0,7%, центриолях – 0,5%. Имеется ряд доказательств главенствующей роли ядра.

Косвенные доказательства. Структурные (требования, предъявляемые к материальному субстрату наследственности): постоянство присутствия в клетке, способность к самоудвоению, равномерное распределение между дочерними клетками. Всем трем удовлетворяет только ядро, а органоиды только первым двум. Анатомические особенности половых клеток. В яйцеклетке много цитоплазмы, а в сперматозоидах мало, тем не менее, у дочерних клеток особенности проявляются в равной степени.

Экспериментальные доказательства. Первые доказательства были получены на простейших (амебах). Брали два вида амеб: обычные с широкими псевдоподиями и длинные с ветвистыми псевдоподиями. С помощью микроманипуляций провели обмен ядрами. В потомстве обычных амеб появились особи с длинными тонкими псевдоподиями.

Проводились эксперименты на земноводных (лягушках и тритонах). Брали 2 вида лягушек: буро-зеленые и бело-розовые альбиносы. У буро-зеленых удаляли ядро и вместо него вставляли ядро альбиносов. В потомстве все получались альбиносами.

Закономерности наследования через цитоплазму. Наследование происходит только по материнской линии. Наследование не подчиняется законам Менделя.

Наследственный аппарат клетки.

РОЛЬ ХРОМОСОМ В НАСЛЕДСТВЕННОСТИ. СТРОЕНИЕ МЕТАФАЗНОЙ ХРОМОСОМЫ.

Ядру принадлежит главная роль благодаря наличию хромосом, которые являются материальным субстратом наследственности и связующим звеном между материнской и дочерними клетками. Роль хромосом доказывается: Основная масса ДНК сосредоточена в хромосомах. Удвоение ДНК и хромосом перед каждым клеточным делением, что обеспечивает непрерывность информации. Равномерное распределение хромосом при делении клетки. Видовое постоянство числа хромосом. Соотношение хромосом в соматических (2n) и половых (n) клетках.

Строение метафазной хромосомы.

Центромерный индекс Ic = длина р плеча : длина хромосомы х 100%. Для метацентрических хромосом = 48-50%. Для субметацентрических = 10-48%. Для акроцентрических = менее 10%. У некоторых хромосом может быть вторичная перетяжка (ядрышковый организатор), который отделяет от р плеча спутник. В нем находится ДНК, которая контролирует образование рРНК. Благодаря теломерам хромосомы не слипаются друг с другом или замыкаются сами на себя.

Химический состав хромосом. Расшифровал Фельген (1924 г). ДНК – 40%. Основные белки (гистоны) – 50%. Кислые белки – до 10%. РНК – 5%. Микроэлементы. Липиды. Причем соотношение ДНК : основные белки : кислые белки = 1: 1,3 : 0,2

Организация ДНП в хромосоме. Организация хромосом в клеточном цикле. Уровни компактизации ДНП.

Нуклеосомный уровень. Нить с нанизанными бусинами. Дискретной единицей является нуклеосома. Основу нуклеосомы составляет октомер белков-гистонов (по 2 молекулы из каждой фракции: Н2А, Н2В, Н3, Н4). Нуклеосома имеет вид шайбочки высотой 6 нм, диаметром 20 нм.. с белками связан участок ДНК длиной 140 пар нуклеотидов, она делает вокруг него 1,75 оборота. Есть свободная часть – линкер, который связывает 2 нуклеосомные частицы, его длина 60 пар нуклеотидов. С линкером связан Н1 гистоновый белок. Коэффициент компактизации приблизительно 7, т.е. ДНК укорачивается в 7 раз. Уровень соответствует G1 и S – периодам интерфазы. Нуклеосома получена учеными искусственно.

Нуклеомерный уровень (супернуклеосомный, сверхбусина, соленоид). Образуется за счет укладки или объединения 8-10 нуклеосом. В стабилизации уровня участвует связь Н1 одной нуклеосомы с Н3 другой. Коэффициент компактизации – 40. Соответствует G2 периоду интерфазы.

Хромомерный уровень. Образуется за счет образования петель из нуклеомерного уровня. В стабилизации петель участвуют кислые белки. Коэффициент компактизации – 200. Соответствует началу профазы.

Хромонемный уровень. Соответствует концу профазы. Образуется за счет сближения петель вдоль друг друга. Коэффициент компактизации – 1500-1600.

Хромосомный уровень. Метафазная хромосома. Максимальная компактизация хромосом. Коэффициент компактизации – 100000.

Функции метафазной хромосомы. Обеспечение сохранности генетического материала. Обеспечение равномерного распределения генетической информации между дочерними клетками.

Понятие об эухроматине и гетерохроматине. Захаров и Прокофьева-Бельговская, использовали методику дифференциального окрашивания хромосом. Это позволило рассмотреть отдельные хромосомы. Показали, что степень деспирализации хромосом при переходе их от метафазы к интерфазе следующего деления неодинакова, т.е. декомпактизация по длине хромосомы происходит асинхронно.

В хромосоме выделяют 2 вида участков: эухроматиновые и гетерохроматиновые.

В хромосоме выделяют 2 вида участков: эухроматиновые и гетерохроматиновые.

Функции гетерохроматина имеет отношение к синтезу рРНК и участвует в образовании ядрышка в телофазе митоза. служит разделителем структурных генов и может оказывать влияние на их активность. участвует в образовании синаптического комплекса при конъюгации гомологичных хромосом в мейозе.

Политенные хромосомы в слюнных железах комара

Различают гетерохроматин: структурный (конститутивный) – занимает определенное место в хромосоме, всегда в интерфазе сохраняет компактизованное состояние. факультативный – хроматин, который при определенном состоянии переводится в компактизованное состояние (1 из Х хромосом у особей женского пола).

Половой хроматин, его морфология, природа и значение. В 1949 году Барр и Бертрам обнаружили на периферии интерфазного ядра соматической клетки у самок интенсивно окрашенное тельце, окруженное светящимся ореолом. В 1956 году в клетках периферической крови (нейтрофилы) были обнаружены образования, являющиеся модификацией полового хроматина – «барабанные палочки» (тельце, прикрепленное к ядру тонкой нитью).

В 1961 году Лайон установила, что это не случайное явление, а в этом проявляется эволюционно-сложившийся механизм дозовой компенсации генов. У женских эмбрионов на 16 день эмбриогенеза одна из Х-хромосом спирализуется и становится неактивной (инактивируется). Процесс инактивации случайный, т.е. в части клеток спирализуется отцовская, а в части – материнская. Женщины являются природными мозаиками. Число телец Барра равно количеству хромосом – 1.

44А + ХХУ – мужчины (нет глыбок) 44А + ХХ – женщины (1 глыбка) 44А + ХХХ – женщины (2 глыбки) 44А + ХО – женщины (нет глыбок)

Значение теста полового хроматина: диагностика геномных мутаций, обусловленных числовыми аномалиями половых хромосом (когда их больше или меньше нормы). в акушерской практике для установления истинного пола ребенка в случае аномального развития наружных половых органов. в криминалистике, судебной медицине для определения пола. как секс-контроль в большом спорте.

Понятие о кариотипе. Кариотип – хромосомный комплекс соматической клетки организмов данного вида, характеризующийся определенным количеством и морфологическими особенностями (размер, форма). Основное свойство кариотипа – видовая специфичность.

Свойства кариотипа (правила хромосом)

правило постоянства числа хромосом. В клетках организма данного вида число хромосом постоянно, причем количество хромосом не зависит от уровня организации и не указывает на филогенетическое родство. правило парности хромосом. В диплоидном наборе каждая хромосома имеет себе подобную – гомологичные хромосомы.

правило индивидуальности хромосом. Каждая пара хромосом имеет свои индивидуальные особенности, отличающие их от остальных. правило непрерывности хромосом. В основе лежит способность хромосом к самоудвоению и точному распределению информации между дочерними клетками.

Функциональная характеристика хромосом. Хромосомы по функциям различают: аутосомы – хромосомы одинаковые у особей обоего пола, в которых находятся гены, контролирующие соматические признаки. У человека – 44. половые (гоносомы, гетерохромосомы). Как правило, их 2. Гены этих хромосом контролируют первичные и вторичные половые признаки и некоторые соматические (патологические особенности цветоощущения, свертывание крови).

Хромосомное определение пола. Пол потомства определяется в момент оплодотворения и зависит от сочетания половых хромосом в зиготе. 1 тип определения пола – тип ХУ. Характерен для млекопитающих, мушки дрозофилы. 2 тип – тип ZW. Характерен для животных, у которых у самок разные половые хромосомы (бабочки, рыбы, птицы). 3 тип – тип ХО. Заключается в отсутствии одной хромосомы. Самцы гетерогаметны (кузнечики, травяные клопы). 4 тип – тип 2n-n. (пчелы, осы, тли, муравьи).

Этапы дифференцировки пола у человека в онтогенезе. пол будущего ребенка определяется в момент оплодотворения в зависимости от сочетания половых хромосом в зиготе. на основе генетической информации со 2 по 12 неделю эмбриогенеза развивается гонадный пол (соответственно яичники или семенники). гонады в период полового созревания начинают выделять эстрогены (женские половые гормоны) или андрогены (мужские половые гормоны). Формируется гормональный пол.

Образование яйцеклеток и сперматозоидов – гаметный пол. В это же время определяется морфологический пол – мужской или женский фенотип. На их основе дается паспорт – паспортный пол. в формировании пола человека большую роль играют социальные и психологические факторы: с раннего детства по - разному воспитываются мальчики и девочки – пол воспитания, на основании которого формируется половая роль и половое самосознание, в соответствии с чем производится выбор полового партнера.

Методы изучения кариотипа человека В кариотипе человека 46 хромосом. В 1955 году Леван и Тио на 900 препаратах убедились, что количество хромосом 46, из них аутосом -44. Половые хромосомы всегда находятся в конце кариограммы. Микроскопическое изучение хромосом всегда составляет основу кариологического анализа – основы цитогенетического метода.

Этапы кариологического анализа Забор материала для исследования (клетки кожи, фибробласты, клетки костного мозга, но чаще – лейкоциты периферической крови. Для пренатальной (дородовой) диагностики используют эмбриобласты, полученные при амниоцентезе (небольшое количество амниотической жидкости). Все клетки должны характеризоваться высокой митотической активностью.

культивирование отобранного материала на питательной среде в присутствии ФГА (фитогемагглютинин) в течение 3 суток в термостате при температуре 37 градусов. разрушение веретена деления добавлением колхицина, чтобы остановить митоз на стадии метафазы.

нанесение взвеси культуры на предметные стекла и подвергают гипотоническому шоку, происходит рассосредоточение хромосом. фиксация препарата смесью этанола и уксусной кислоты. окрашивание (рутинное – сплошное, дифференциальное – каждая хромосома приобретает определенный индивидуальный рисунок).

фотографирование и вырезка. составление идиограммы. Идиограмма – системное расположение хромосом в порядке убывания их размеров с учетом их формы. идентификация полученной идиограммы с эталоном (Денверская номенклатура при рутинном окрашивании).

Денверская классификация хромосом предложена в 1960 году. По этой классификации все хромосомы делят на 7 групп. Критерии: размер и форма. 1 (А) – 1-3 пары, самые крупные по размерам, 1 пара – метацентрическая, 2 и 3 пары – субметацентрические. 2 (В) – 4-5 пары. Крупные, субметацентрические. 3 (С) – 6-12 пары. Самая многочисленная группа. Средние размеры, субметацентрические. К группе относят Х хромосомы. 4 (D) – 13-15 пары. Средние размеры, акроцентрические, спутничные. 5 (Е) – 16-18 пары. Относительно маленькие, субмета- и метацентрические. 6 (F) – 19-20 пары. Маленькие, метацентрические. 7 (G) – 21-22 пары, самые маленькие, акроцентричные, спутничные + У хромосома.