Свойства элементарной мембраны:

• пластичность (быстро восстанавливается после повреждения, а также растягивается и сжимается при клеточных движениях);

• полупроницаемость (избирательно пропускает определенные молекулы);

• способность самозамыкаться (образование фагосом и вакуолей при питании амебы).

Функции элементарной мембраны:

• структурная;

• барьерная;

• участие в процессах обмена веществ клетки;

• рецепторная.

Организация потока веществ в клетке

Поток веществ в клетке проходит 3 этапа:

а) поступление веществ в клетку (мембранный транспорт);

б) превращение и распределение веществ в клетке;

в) выделение из клетки продуктов обмена.

Механизмы мембранного транспорта

Пассивный транспорт - идет по градиенту концентрации без затраты энергии. Вода и мелкие молекулы могут поступать в клетку фильтрацией, диффузией, через поры или при растворении в липидах. Облегченная диффузия связана с участием в переносе молекул белков-переносчиков – пермеаз. Так попадают в клетку аминокислоты, сахара, жирные кислоты.

Активный транспорт - требует затрат энергии, так как проходит против градиента концентрации. Для такого переноса необходимы ферменты, молекулы АТФ и образование специальных ионных каналов. Примером такого механизма является натрий-калиевый насос.

Вопрос №6:

Анаболитическая система осуществляет реакции пластического обмена или ассимеляции. Ассимеляция – это совокупность реакций биологического синтеза, при которой из поступивших в клетку веществ образуются вещества, специфические для данной клетки. Она включает органоиды: рибосомы, эндоплазматическую сеть (ЭПС), комплекс Гольджи.

Рибосомы – сферические тельца (диаметр 15-35 мкм), состоящие из большой и малой субъединиц. Могут располагаться свободно в цитоплазме, на наружной ядерной оболочке, на каналах эндоплазматической сети. Большая субъединица рибосомы содержит три различные молекулы р-РНК и 40 молекул белков, малая субъединица – одну молекулу р-РНК и 33 молекулы белков. Сборка рибосом происходит в области пор ядерной мембраны. Информация о структуре р-РНК и белках рибосом содержится в «ядрышковых организаторах» (участки молекулы ДНК в области вторичных перетяжек спутничных хромосом). Рибосомы непосредственно участвуют в сборке молекул белка. Свободные рибосомы синтезируют белки для жизнедеятельности самой клетки, прикрепленные – белки для вывода из клетки.

Эндоплазматическая сеть (ЭПС) – это каналы, расположенные по всей клетке и соединяющиеся с перинуклеарным пространством ядра и с полостями комплекса Гольджи. Стенка каналов – элементарная мембрана. Каналы ЭПС выполняют функцию компартментализации цитоплазмы клетки – разделение ее на участки, в которых протекают различные биохимические реакции. Гранулярная ЭПС (на ее мембранах расположены рибосомы) участвует в биосинтезе белков, которые затем транспортируются к комплексу Гольджи. На мембранах гладкой ЭПС (не содержит рибосом) синтезируются углеводы (гликоген) и липиды (холестерин). Она принимает участие в синтезе стероидных гормонов, в выделении ионов хлора (клетки эпителия желез желудка), в обезвреживании токсических веществ клетками печени.

Комплекс Гольджи состоит из пузырьков, трубочек, мешочков. Основные элементы комплекса – диктиосомы. Диктиосомы – это стопки из 10-15 элементарных мембран, которые на концах имеют расширения. Эти расширения образуют пузырьки, которые отделяются и превращаются в лизосомы и вакуоли. Часть этих пузырьков выводит из клетки секреты или продукты обмена. Функции комплекса Гольджи: 1) сортировка и упаковка в пузырьки синтезированных в ЭПС веществ; 2)образование сложных соединений (липопротеинов, гликопротеинов); 3) сборка элементарных мембран; 4) образование лизосом, глиоксисоми вакуолей; 5) секреция веществ.

Вопрос № 7:

Катаболитическая система клетки осуществляет реакции энергетического обмена или диссимиляции. Диссимиляция – это совокупность реакций ферментативного расщепления сложных органических соединений, сопровождающихся с выделением энергии. В нее входят: митохондрии, лизосомы, микротельца (пероксисомы и глиоксисомы).

Первичные лизосомы образуются в комплексе Гольджи. Это округлые тельца (размером 0,2-0,4 мкм в диаметре), покрытые элементарной мембраной. В их состав входит примерно 50 различных гидролитических ферментов. Расщепление веществ происходит во вторичных лизосомах, которые образуются при слиянии первичной лизосомы и фагосомы. Лизосомы способны растворять Структуры отдельных органоидов.

Пероксисомы образуются в ЭПС. Их ферменты (оксидазы) окисляют аминокислоты с образованием перекиси водорода (Н2О2).

Глиоксисомы образуются в комплексе Гольджи. Их ферменты превращают жиры в углеводы.

Митохондрии в световом микроскопе имеют форму палочек, нитей, гранул. Величина митохондрий – от 0,5 до 7 мкм. Число их неодинаково в клетках с различной активностью. Стенка митохондрии имеет наружную и внутреннюю мембраны. Выросты внутренней мембраны образуют кристы, между которыми находится гомогенный внутренний матрикс. Промежуток между мембранами стенки митохондрии заполнен наружным матриксом. В митохондриях находятся 3 системы ферментов: во внутреннем матриксе – ферменты цикла Кребса, или цикла; на внутренней мембране и в наружном матриксе – ферменты тканевого дыхания; в АТФ-сомах (кристы) –ферменты окислительного фосфорилирования. Митохондрия имеет автономную систему биосинтеза белка. Во внутреннем ее матриксе находятся рибосомы, различные виды РНК и кольцевые молекулы ДНК.

Функции митохондрий: синтез АТФ; синтез специфических белков и стероидных гормонов.

Вопрос №8:

Организация потока энергии в клетке

Энергетический обмен имеет 3 этапа:

I – подготовительный

II – бескислородный (анаэробный)

III – кислородный (аэробный)

Первичным источником энергии на планете является Солнце.

Подготовительный этап протекает в пищеварительной системе организмов и в фагосомах клеток, где сложные органические соединения расщепляются до простых: полисахариды до моносахаридов, белки до аминокислот, жиры до глицерола и жирных кислот. Выделяемая при этом энергия рассеивается в виде тепла.

Анаэробный этап протекает в цитоплазме клеток. В нем участвуют 10 ферментов. Глюкоза расщепляется до пировиноградной кислоты, и образуются 2 молекулы АТФ. Пировиноградная кислота может поступать в митохондрии (для дальнейших превращений). При работе мышц в них образуется молочная кислота.

Аэробный этап энергетического обмена протекает в митохондриях. Пировиноградная кислота в соединении с коферментом А (К0А) поступает во внутренний матрикс митохондрии. От активированной формы уксусной кислоты (Ацетил К0А) отщепляются атомы водорода. Из митохондрии выделяется образовавшийся CO2, а протоны и электроны (из атомов водорода) переходят на систему ферментов тканевого дыхания. Протоны накапливаются на наружной поверхности внутренней мембраны, а электроны – на внутренней. При достижении критического потенциала протоны проходят через каналы в АТФ – сомах. Электроны отдают энергию для присоединения остатков фосфорной кислоты к АДФ и образования АТФ и соединяются с протонами. Образуются атомы водорода, которые с кислородом дают молекулы воды. В результате всех реакций преобразования 1 молекулы глюкозы образуется 36 молекул АТФ + 2 молекулы анаэробного этапа – итого 38 молекул АТФ.

Вопрос №9:

Ядро является обязательным структурным компонентом каждой эукариотической клетки.

Строение: ядерная оболочка (кариолемма) – 2 мембраны (наружная и внутренняя); ядерный сок ( кариолимфа); хроматин (ДНК); белки-гистоны; ядрышко; поры; рибосомы; перинуклеарное пространство; глыбка хроматина.

Функции: 1) Хранение и передача генетической информации; 2) Регуляция всех процессов жизнедеятельности.

Метафазная хромосома состоит из двух продольных нитей (ДНП) – хроматид, соединённых в области первичной перетяжки (центромера). Центромера делит тело хромосомы на 2 плеча. Концевые отделы дистальных участков называются теломерами.

Типы хромосом:

1. Метацентрические хромосомы – центромера расположена посередине, и плечи имеют одинаковую длину. Участок плеча около центромеры называется проксимальным, противоположный – дистальным.

2. Субметацентрические хромосомы – центромера смещена от центра и плечи имеют разную длину.

3. Акроцентрические хромосомы – центромера сильно смещена от центра и одно плечо очень короткое, второе плечо очень длинное.

Для хромосом всех организмов существует 4 правила:

1. Правило постоянства числа хромосом.

2. Парность хромосом.

3. Индивидуальность хромосом.

4. Непрерывность хромосом.

Вопрос №10:

В жизни клетки выделяют клеточный и митотический циклы.

Клеточный, или жизненный, цикл клетки – это период времени от появления клетки до ее гибели или до конца следующего клеточного деления. Периоды жизненного цикла соматических клеток: рост и дифференцировка, выполнение специфических функций, подготовка к делению (размножению), деление.

Митотический цикл – период подготовки клетки к делению (интерфаза) и само деление (митоз).

Интерфаза состоит из трёх периодов:

- Пресинтетический. Клетка выполняет свои функции, увеличивается в размерах, в ней идёт синтез белков и нуклеотидов, накапливается энергия в виде АТФ. Продолжительность от нескольких часов до нескольких месяцев и даже лет. Генетический материал 2n1chr2c.

- Синтетический. Происходит репликация молекул ДНК и её содержание в клетке удваивается. Содержание генетического материала 2n2chr4c. Длительность 6-8 часов.

-Постсинтетический. Клетка готовится к митозу: накапливается энергия, синтезируются белки ахроматинового веретена. Содержание генетического материала 2n2chr4c.

Причины митоза:

• Изменение ядерно-цитоплазменного соотношения (1/69 – 1/89);

• Появление «митогенетических лучей»;

• Наличие «раневых гормонов».

Вопрос №11:

Митоз – это деление соматических клеток, а мейоз – это деление соматических клеток половых желез и в отличие от митоза имеет 2 типа деления.

Непрерывный процесс митоза разделяют на 4 стадии: профаза, метафаза, анафаза и телофаза.

Профаза начинается со спирализации хроматина: длинные хроматиновые нити укорачиваются и утолщаются, образуя хромосомы. Центриоли расходятся к полюсам клетки, формируются нити веретена деления. Увеличивается объем ядра, растворяются ядрышки и ядерная оболочка. Хромосомы выходят в цитоплазму клетки. Содержание генетического материала 2n2chr4с.

Метафаза: хромосомы ориентируются по экватору клетки, образуя метафазную пластинку. Нити веретена деления присоединены к центромерам хромосом. Можно видеть, что каждая хромосома состоит из двух хроматид. Содержание генетического материала не изменяется 2n2chr4с.

Анафаза. Нити веретена деления сокращаются. Хроматиды разделяются в области центромер и расходятся к полюсам клетки. Они называются дочерними хромосомами. Содержание генетической информации – 2n1chr2с у каждого полюса клетки.

В телофазу идет формирование дочерних ядер. Образуются оболочки ядер, хромосомы деспирализуются, теряют четкие очертания, восстанавливаются ядрышки.

Конечный этап митоза – цитокинез (разделение цитоплазмы).

Эндомитоз – это репродукция (удвоение) хромосом без деления ядра. Он приводит к образованию полиплоидных клеток.

При политении происходит многократное удвоение хроматид. Хроматиды не расходятся, образуя политенные (многонитчатые) хромосомы. Они встречаются в слюнных железах мухи дрозофилы.

Мейоз состоит из двух делений – мейоз I и мейоз II. Каждое деление имеет четыре фазы: профаза I и профаза II, метафаза I и метафаза II, анафаза I и анафаза II, телофаза I и телофаза II.

Самой сложной является профаза мейоза I. Она имеет 5 стадий:

1- лептотена: хроматин спирализуется, образуются тонкие хроматиновые нити, которые начинают движение друг к другу центромерными участками; генетический материал – 2n2chr4c.

2 – зиготена: начинается конъюгация коротких, толстых хроматиновых нитей (хромосом), которые соединяются по всей длине; генетическая информация не изменяется – 2n 2chr4c.

3 – пахитена: гомологичные хромосомы плотно соединяются по всей длине; образуемые фигуры называют биваленты хромосом или тетрады хроматид; генетический материал можно записать так – 1n biv4chr4с; к концу стадии в области центромер начинают действовать силы отталкивания и происходит кроссинговер – обмен участками гомологичных хромосом;

4 – диплотена: продолжают действовать силы отталкивания, но хромосомы остаются соединенным в области хиазм (перекрестов); содержание генетического материала сохраняется – 1n biv 4chr4с;

5 – диакинез: заканчивается спирализация хромосом, исчезают ядерная оболочка и ядрышко; биваленты хромосом, соединенные своими концами, выходят в цитоплазму и движутся к центру клетки; нити веретена деления прикрепляются к центромерам хромосом; 1n biv 4chr4c.

В метафазе мейоза I биваленты располагаются по экватору клетки; четко видны отдельные хромосомы; генетический материал – 1n biv 4chr4с.

Анафаза I: биваленты распадаются на отдельные гомологичные хромосомы, которые расходятся к полюсам клетки; каждая хромосома содержит 2 хроматиды; содержание генетического материала на каждом полюсе клетки – 1n2chr2с; произошла редукция (уменьшение) числа хромосом – из диплоидного набор хромосом стал гаплоидным. Поэтому первое деление мейоза называется редукционным.

В телофазу мейоза I происходит цитокинез, и образуются две дочерние гаплоидные клетки – 1n2chr2c; в отличие от митоза в этой фазе не происходит деспирализация хромосом.

После мейоза I наступает интеркинез – короткий промежуток между двумя делениями и начинается мейоз II. Репликация ДНКне происходит.

Второе деление мейоза не отличается от митоза, но в профазе II не происходит спирализация хромосом (1n2chr2c), а в анафазе II к полюсам клетки отходят хроматиды (дочерние хромосомы). Каждая дочерняя клетка получает набор генетической информации 1n1chr1с. Гаплоидный набор

хромосом сохраняется. Второе деление мейоза называется эквационным, или уравнительным.

Из одной материнской диплоидной клетки образуются 4 клетки (гаметы) с гаплоидным набором хромосом.

Амитоз – прямое деление клетки – деление клеток простым разделением ядра надвое. При амитозе хроматин в ядре не спирализуется, не образуется веретено деления. Ядро и цитоплазма делятся перетяжкой надвое. Доказано, что генетический материал равномерно распределяется между дочерними клетками. Амитозом делятся обычно неспециализированные клетки: клетки

эпителия слизистых оболочек, раковые клетки и клетки, участвующие в регенерации. Амитоз может приводить к образованию многоядерных клеток (разделилось ядро, но не разделилась цитоплазма).

Значение митоза:

- поддержание постоянства числа хромосом, обеспечение генетической преемственности в клеточных популяциях;

- равномерное распределение хромосом и генетической информации между дочерними клетками.

Значение мейоза:

- это механизм образования гамет;

- поддерживает постоянство числа хромосом при половом размножении;

- обеспечивает комбинативную изменчивость в результате кроссинговера, независимого расхождения хроматид и хромосом, при образовании гамет.

Вопрос №12:

Нуклеиновые кислоты являются полимерами.

Молекула ДНК состоит из двух спиралей. Цепочка нуклеотидов соединяется ковалентными фосфодиэфирными связями между дезоксирибозой одного и остатком фосфорной кислоты другого нуклеотида. Внутри спирали находятся соединенные по принципу комплементарности азотистые основания: А –Т – две водородные связи, Г – Ц – три водородные связи.

Свойство комплементарности азотистых оснований выражается в правилах Чаргаффа:

- количество пуриновых оснований равно количеству пиримидиновых оснований: А + Г = Ц + Т;

- количество аденина равно количеству тимина (А = Т), количество гуанина равно количеству цитозина (Г = Ц).

ДНК находится в клетке, в ядре, в митохондриях и пластидах.

Свойства ДНК: репликация (самовоспроизведение) и способность к репарации (восстановление структуры после нарушений молекулы).

Функция ДНК: сохраняет и передает генетическую информацию при размножении клеток и организмов.

Молекула РНК также является полинуклеотидом, но имеет одну цепочку. Вместо тимина в ее состав входит урацил, а вместо дезоксирибозы – сахар рибоза.

У некоторых вирусов РНК является хранителем наследственной информации и имеет в молекуле 2 цепочки.

В клетке имеются три вида РНК. 3-4% от всей РНК составляет информационная РНК (и-РНК): она «переписывает» генетическую информацию с ДНК и переносит ее в рибосомы – место сборки белковых молекул. Рибосомальная РНК (р-РНК) составляет 80-85% от всей РНК. Она входит в состав рибосом и обеспечивает пространственное взаиморасположение и-РНК и т-РНК. Транспортная РНК (т-РНК) транспортирует (переносит) аминокислоты из цитоплазмы в рибосомы. Т-РНК составляют 10-20% от всей РНК.

Рибонуклеиновые кислоты находятся в ядре, в цитоплазме, в митохондриях и пластидах.

Функции РНК: участие в синтезе белковых молекул (молекул полипептидов).

Вопрос №13:

Одним из доказательств роли ДНК в передаче наследственной информации стали опыты по трансформации бактерий (Гриффитс, 1929г.) Ф.Гриффитс работал на мышах с двумя штаммами бактерий. Капсульные бактерии были патогенны и вызывали гибель мышей от воспаления легких, бескапсульные были непатогенны, мыши оставались живы.

В 1944г. О.Эвери, К.Мак-Леод и М.Мак-Карти разделили бактерии S – штамма на компоненты. Это были: липиды, углеводы и ДНК. Только при добавлении очищенной ДНК к R- штамму наблюдали образование капсулы (признак патогенности) бескапсульными бактериями.

Трансформация бактерий – это включение участков ДНК бактерий одного штамма в ДНК другого штамма и передача его свойств. Следующим доказательством роли ДНК в передаче наследственной

информации были опыты Н. Циндера и Дж. Ледерберга (1952г.) по трансдукции у бактерий.

Опыт заключался в следующем. В U-образную трубку с питательной средой и бактериальным фильтром посредине помещали два штамма бактерий: в одно колено – триптофансинтезирующие, во второе колено – триптофаннесинтезирующее. Фильтр был непроходим для бактерий, и они не

смешивались. Если в колено с триптофансинтезирующими бактериями вводили бактериофаг, то через некоторое время эти бактерии обнаружили среди триптофаннесинтезирующих. Фильтр был проницаемым для бактериофага. Явление получило название трансдукции.

Трансдукция – способность бактериофага переносить участки ДНК от одного штамма бактерий к другому и передавать его свойства.

В 1950г. в опытах Х. Френкель-Конрата было получено еще одно доказательство участия нуклеиновой кислоты (РНК) в передаче признаков.

Вирус табачной мозаики (ВТМ) разделили на РНК и белок.

В 40-х годах Г. Бидл и Е. Татум выдвинули гипотезу «один ген – один фермент» на основании того, что гены отвечают за синтез ферментов. Но ген не всегда определяет синтез целой белковой молекулы. Поэтому гипотезу уточнили – «один ген – один полипептид». Так было доказано, что материальной единицей наследственности и изменчивости является ген. Ген – это участок молекулы ДНК, несущий информацию о синтезе определенного полипептида.

Вопрос №14:

Свойства генов

1. Специфичность – уникальная последовательность нуклеотидов для каждого структурного гена.

2. Целостность – как функциональная единица (программирование синтеза белка) ген неделим.

3. Дискретность – в составе гена имеются субъединицы: мутон – субъединица, которая отвечает за мутацию; рекон – отвечает за рекомбинацию. Минимальная их величина – пара нуклеотидов.

4. Стабильность – гены относительно устойчивы (стабильны). Частота самопроизвольной мутации одного гена составляет примерно 1 : 10-5 на поколение.

5. Лабильность – устойчивость генов не абсолютная, они могут изменяться, мутировать.

6. Плейотропия – множественное действие гена (один ген отвечает за несколько признаков).

7. Экспрессивность – степень фенотипического проявления гена. Она определяется факторами среды и влиянием других генов.

8. Пенетрантность – частота проявления гена: отношение (в процентах) числа особей, имеющих данный признак, к числу особей, имеющих данный ген.

Классификация генов

По функциям гены классифицируют на структурные и функциональные. Структурные гены содержат информацию о белках-ферментах, гистонах, о последовательности нуклеотидов в разных видах РНК. Функциональные гены оказывают влияние на работу структурных генов. Функциональными являются гены-модуляторы и гены-регуляторы. Гены-модуляторы – это ингибиторы, интенсификаторы, модификаторы. Они усиливают, ослабляют или изменяют работу структурных генов. Регулируют работу структурных генов гены-регуляторы и гены-операторы.

Генотип всех соматических клеток организма одного вида одинаков. Но клетки разных тканей отличаются друг от друга. Вероятно, это связано с тем, что в них работают разные блоки генов. Область проявления действия данного гена называется полем его действия (например, распределение волосяного покрова на теле человека). Как правило, гены, детерминирующие

определенные признаки, «работают» непостоянно (например, гены,

определяющие синтез половых гормонов); их функция значительно снижается

с возрастом. Период функционирования гена называется временем его действия.

По месту действия гены подразделяют подразделяют на три группы:

1) функционирующие во всех клетках;

2) функционирующие в клетках одной ткани;

3) специфичные для одного типа клеток.

Первичными функциями генов являются хранение и передача наследственной информации. Гены выполняют в клетке две основные функции.

Гетеросинтетическая функция – это программирование биосинтеза белка в клетке.

Аутосинтетическая функция – репликация ДНК (самоудвоение ДНК).

Репликация ДНК проходит в синтетический период интерфазы митоза. Синтез молекулы ДНК – полуконсервативный: одна цепочка материнская («старая»), на ней собирается новая цепочка – «дочерняя». Новая цепочка собирается по принципу комплементарности. Основной фермент

синтеза – ДНК – полимераза (А. Коренберг, 1956).

Спираль ДНК раскручивается и делится на две цепочки, каждая выполняет роль матрицы. Репликация начинается сразу в нескольких точках молекулы ДНК. Участок ДНК от точки начала одной репликации до точки начала другой называется репликоном. Хромосомы эукариот имеют много репликонов, нуклеоид бактерий – 1 репликон. ДНК – полимераза в репликоне может двигаться вдоль материнской нити только в направлении от конца 3' к концу 5'. Поэтому сборка дочерних нитей ДНК идет антипараллельно – в противоположных направлениях. Процесс во всех репликонах проходит одновременно. Участок репликации называется репликационной вилкой. В

каждой вилке новые цепи ДНК одновременно собирают несколько ДНК – полимераз.

В каждой репликационной вилке ДНК-полимераза может постепенно и непрерывно собирать одну новую цепь ДНК (так как она движется в одном направлении). Вторая цепь – дочерняя – синтезируется короткими участками по 150-200 нуклеотидов под действием ДНК-полимеразы, которая движется в обратном направлении. Эти участки называются фрагментами Оказаки. Все

синтезированные участки полинуклеотидной цепи соединяются ферментом лигазой.

Весь геном клетки реплицируется 1 раз в митотическом цикле.

Вопрос №15:

Уровни упаковки генетического материала

Первый уровень упаковки – нуклеосомный. Нуклеосома – это глобула из 8 молекул гистонов, вокруг которой спираль ДНК образует около 2-х витков и переходит на следующую глобулу. Диаметр

нуклеосомной нити около 13 нм. Сокращение длины ДНК в 6-7 раз. Такая картина имеет место в интерфазе.

Второй уровень упаковки – супернуклеосомный (или соленоидный). Происходит конденсация

нуклеосомной нити и образование спирали. Нуклеосомы «сшиваются» гистоном Н1. Один виток спирали содержит от 6 до 10 нуклеосом. Диаметр спирали примерно 25 нм. Длина нити сокращается в 7 раз. Супернуклеосомный уровень упаковки можно увидеть с помощью электронного микроскопа в интерфазе и при митозе.

Третий уровень упаковки – хроматидный. Спирализация продолжается и супернуклеосомная нить образует изгибы и петли. Она является основой хроматиды. Диаметр петель – 50 нм. Нить ДНП сокращается в 10-20 раз. Такой уровень упаковки можно увидеть в профазе митоза.

Четвертый уровень – уровень метафазной хромосомы. В метафазе хроматиды еще спирализуются.

Сокращение длины нитей происходит в 20 раз. Длина метафазных хромосом от 0,2 до 150 мкм, диаметр 0,2 -5,0 мкм.

Общий итог конденсации ДНК – 10000 раз.

Вопрос №16:

Генетический код и его свойства

Запись генетической информации в виде последовательности нуклеотидов в молекулах ДНК и и-РНК, называется генетическим кодом. Триплет нуклеотидов, кодирующий определенную аминокислоту, называется кодоном. Кодон – это элементарная функциональная единица гена.

Свойства генетического кода:

- триплетность: одной аминокислоте в молекуле полипептида соответствует один кодон;

- универсальность: у всех живых организмов один и тот же кодон определяет одинаковые аминокислоты;

- неперекрываемость: один нуклеотид входит в состав только одного триплета;

- вырожденность, или избыточность: одну аминокислоту может кодировать несколько триплетов (аминокислот – 20, возможных триплетов – 64);

- непрерывность: нет разделительных знаков между нуклеотидами;

- однонаправленность: образование и-РНК происходит в направлении от 3' конца к 5' концу;

- наличие среди триплетов инициирующих кодонов (с них начинается

биосинтез белка), кодонов-терминаторов (обозначают конец биосинтеза белка).

Соответствие порядка нуклеотидов в молекуле ДНК порядку аминокислот в молекуле полипептида называется колинеарностью.

Биосинтез белка в клетке

Биосинтез белка в клетке – сложный процесс. Главную роль в нем выполняют нуклеиновые кислоты. В ядре клетки на одной из цепей ДНК (кодирующий) синтезируется и-РНК с участием фермента РНК-полимеразы. Она «переписывает» порядок расположения нуклеотидов в молекуле ДНК (по правилу комплементарности). Этот процесс называется транскрипцией. Информационная РНК через ядерные поры выходит в цитоплазму клетки и направляется к рибосомам. В цитоплазме происходит роцессии рекогниции (узнавании тРНК своей аминокислоты). Транспортная РНК имеет особое строение. Один конец молекулы содержит триплет нуклеотидов. Он называет антикодоном и

соответствует определенной аминокислоте. На противоположном антикодону конце находится участок для прикрепления аминокислоты и два конца молекулы т-РНК. На конце 3' фиксируется триплет ЦЦА, на конце 5' – Г (гуанин).

Определенная аминокислота присоединяется к «своей» т-РНК при участии фермента аминоацил-тРНК-синтетазы и АТФ. Аминокислоты поступают в большую субъединицу рибосомы. В рибосомах начинается процесс трансляции – последовательность нуклеотидов и-РНК определяет последовательность аминокислот молекулы полипептида. В цитоплазме и-РНК связывается с малой единицей рибосомы (одной или нескольких). Комплекс рибосом, объединенных и-РНК, называется

полисомой.

Начало трансляции – инициация, окончание трансляции – терминация. Процесс образования пептидных связей между аминокислотами называется элонгация.

В рибосоме одновременно находятся два кодона и-РНК: один – против аминоацильного центра, второй – против пептидильного центра. Аминокислота со своей т-РНК образует комплекс аминоацил-т-РНК. Если антикодон т-РНК и кодон и-РНК, который находится против аминоацильного центра, комплементарны, то аминоацил-т-РНК образует временную связь с кодоном и-РНК. Рибосома продвигается на один триплет и аминоацил-т-РНК переходит в пептидильный центр. В аминоацильный центр поступает вторая т-РНК с аминокислотой. Между первой и второй аминокислотами устанавливается пептидная связь. Рибосома продвигается на один триплет, освободившаяся т-РНК уходит за новой аминокислотой. Вторая т-РНК переходит в пептидильный центр. В аминоацильный центр приходит новая т-РНК с аминокислотой. Между аминокислотами устанавливается пептидная связь и идет сборка полипептидной молекулы по информации и-

РНК. Окончание синтеза полипептида (терминация) определяют кодоны УАА, УАГ, УГА (кодоны-терминаторы). В каждой рибосоме полисомы синтезируются одинаковые полипептиды.

Вопрос №17:

Регуляция транскрипции у прокариот и эукариот

Регуляция работы генов у прокариот была описана в 1961 году Ф. Жакобом и Ф. Моно. Нить ДНК условно представлена в виде прямой, на которой находятся структурно-функциональные участки: группа структурных генов (А, В, С), рядом с ними – ген-оператор. Ген-оператор включает и выключает работу структурных генов. Структурные гены активны непостоянно. Участок прикрепления РНК-полимеразы – промотор находится рядом с геном-оператором. В состав оперона входят также инициатор (последовательность нуклеотидов, с которой начинается транскрипция) и терминатор транскрипции (отсоединяет РНК-полимеразу от ДНК). Единица транскрипции прокариот включает промотор, ген-оператор и структурные гены и называется опероном.

На некотором расстоянии от оперона находится ген-регулятор. Он активен постоянно. По его информации синтезируется белок-репрессор, который блокирует ген-оператор, и структурные гены неактивны. Оперон не работает. Если в клетку поступает индуктор (ферменты для его расщепления

закодированы в опероне), он связывает белок-репрессор. Ген-оператор освобождается, РНК-полимераза разрывает водородные связи между цепочками ДНК структурных генов. На одной из цепочек синтезируется (по принципу комплементарности) и-РНК. На рибосомах цитоплазмы по ее

информации синтезируются белки-ферменты, которые разрушают индуктор. Оперон работает, пока не разрушится весь индуктор. После его разрушения освобождается белок-репрессор, который снова блокирует ген-оператор. Структурные гены выключаются, и белки-ферменты не синтезируются. Для каждого оперона имеется свой специфический индуктор (например, лактоза,

фруктоза).

В 1972 году Г.П.Георгиев предложил схему регуляции работы генов у эукариот. Принципиально она не отличается от схемы регуляции у прокариот. Но усложняется структура самой схемы и механизм ее работы. Единица транскрипции эукариот называется транскриптоном. Он состоит из неинформативной зоны и информативной зоны. Неинформативная, или акцепторная, зона включает промотор, инициатор и блок генов-операторов. Информативная зона содержит структурный ген, который заканчивается терминатором. В составе структурного гена находятся

интроны – неинформативные участки ДНК и экзоны – информативные участки. Работу транскриптона регулирует блок генов-регуляторов. На основе их информации синтезируется несколько белков-репрессоров, которые блокируют гены-операторы. Так же как и у оперона, считывание информации со структурного гена происходит, когда в клетку попадают индукторы. В

данном случае индукторами являются вещества сложного строения (например, гормоны), для расщепления которых необходимо несколько ферментов. Индукторы освобождают гены-операторы от белков-репрессоров. На одной из нитей ДНК по принципу комплементарности синтезируется и-РНК, но она снимает информацию со всего транскриптона и представляет собой про-и-РНК. В ядре под действием экзо- и эндонуклеаз происходит процессинг про-и- РНК – разрушение неинформативной части и расщепления ее на фрагменты. И-РНК, соответствующая экзонам, образуется в результате сплайсинга(сшивания) информативных участков ферментами лигазами. После таких преобразований и-РНК поступает в цитоплазму на рибосомы, где синтезируются белки-ферменты для разрушения индукторов. Когда индукторы разрушены, восстанавливается блокирование генов-операторов белками-репрессорами, и транскриптон выключается.

Вопрос №18:

Цитоплазматическая наследственность

Основная генетическая информация организма содержится в клеточном ядре. В 1908г. К. Корренс описал внеядерную (цитоплазматическую) наследственность. Генетический материал содержат

митохондрии и пластиды. Эти единицы, в отличие от ядерных генов, называются плазмогенами. В цитоплазме клеток может находиться ДНК вирусов и плазмиды бактерий – кольцевые двухцепочечные ДНК.

У человека с цитоплазматической наследственностью связаны болезнь Лебера (нейрит с атрофией зрительного нерва) и анэнцефалия. Цитоплазматическое наследование идет по материнской линии, через яйцеклетки, так как сперматозоиды практически не содержат цитоплазмы.

Критериями цитоплазматической наследственности являются:

- отсутствие расщепления признаков в потомстве по законам Менделя;

- невозможность выявить группысцепления;

- различные результаты возвратного скрещивания; при ядерном

наследовании они одинаковы:

Р: ♀АА х ♂аа

Р: ♀аа х ♂АА

Известны несколько видов цитоплазматической наследственности.

Митохондриальная наследственность описана Б. Эфрусси в 1949г. Он обнаружил, что примерно 1% колоний хлебных дрожжей образуют карликовые колонии. Их рост тормозится потому, что произошла мутация плазмогенов и их митохондрии не имеют дыхательных ферментов. Имеются

данные о некоторых болезнях человека, которые являются следствием мутаций митохондриальных генов (например: митохондриальная цитопатия, несращение верхних дуг позвонков, старческое слабоумие и др.).

Пластидную наследственность описал К. Корренс в 1908 году. Растение ночная красавица имеет пестрые листья. Произошла мутация, и в части пластид не образуется хлорофилл. Пластиды при размножении распределяются неравномерно. Часть клеток получает нормальные пластиды и

имеет зеленые листья; часть клеток получает пластиды, не имеющие хлорофилла – листья белые и растение погибает; часть клеток получает и зеленые (нормальные) и мутантные пластиды – растения имеют пестрые листья (зеленые с белыми пятнами).

Псевдоцитоплазматическая наследственность связана с попаданием в клетку вируса или чужеродной (бактериальной) ДНК. Примером может быть предрасположенность некоторых мышей к опухолям молочной железы. Если нормальных мышат кормит самка «раковой линии», все мыши будут иметь опухоли молочной железы. И наоборот: если мышат «раковой линии» кормит

здоровая самка, все мышата будут здоровы. Причиной фактора молока у мышей оказался вирус.

Вопрос №19:

Генная инженерия

Достижения молекулярной биологии, биохимии и генетики дали начало новому разделу науки – генной инженерии. Методами генной инженерии по заранее составленному плану создают новые генетические структуры, организмы с новой генетической программой. Это стало возможным при разработке методов переноса генетической информации из одного организма в другой.

Методы генной инженерии были разработаны в 60-70-х годах прошлого столетия. Они включают следующие основные этапы:

• Получение генетического материала;

• Включение этого материала в автономно реплицирующуюся генетическую структуру и создание рекомбининтной ДНК;

• Введение рекомбинантных молекул ДНК в клетку-реципиент и включение её в хромосомный аппарат;

• Отбор трансформированных клеток, в геном которых включён переносимый ген.

Вопрос №20:

Необходимые для пересадки гены можно получать с помощью рестриктаз. Рестриктазы – ферменты, открытые в 1964 году. К настоящему времени их выделено более 500. Они могут узнавать определенные последовательности нуклеотидов и вырезать эти участки из цепи ДНК. На концах фрагмента ДНК образуются одноцепочечные «липкие концы». Полученные гены соединяют с векторными молекулами, которыми могут быть плазмиды бактерий, вирусы и фаги. Рестриктаза разрывает кольцевую ДНК плазмиды, в нее вводят ген (участок ДНК). Фермент лигаза соединяет липкие концы плазмиды с липкими концами гена и получается молекула рекомбинантной ДНК. Такая ДНК способна проникать в клетку-реципиент.

Вопрос №22:

Рекомбинантные молекулы ДНК попадают не во все клетки. Поэтому на специальных питательных средах проводят отбор трансформированных клеток с введенным в них геном. Далее проводят размножение клеток с рекомбинантной ДНК и получают клон клеток с определенными свойствами.

?

Вопрос №25:

Скрещивание, при котором анализируется одна пара альтернативных признаков, называется моногибридным.

По результатам моногибридного скрещивания сформулированы два закона Менделя.

Первый закон – закон единообразия гибридов первого поколения: при скрещивании гомозиготных особей, анализируемых по одной паре альтернативных признаков, наблюдается единообразие гибридов по фенотипу и генотипу.

Второй закон – закон расщепления признаков у гибридов второго поколения: при скрещивании между собой гибридов первого поколения, анализируемых по одной паре альтернативных признаков, во втором поколении наблюдается расщепление по фенотипу в отношении 3:1 (3 части

особей с доминантным признаком, 1 часть особей с рецессивным признаком), по генотипу 1:2:1 (1 часть особей – доминантные гомозиготы (АА), 2 части

особей – гетерозиготы (Аа), 1 часть особей – рецессивные гомозиготы (аа)).

Вопрос №26:

Скрещивание, при котором анализируется более двух пар альтернативных признаков называется полигибридным.

Третий закон Менделя – закон независимого наследования признаков: при скрещивании гомозиготных особей, анализируемых по нескольким парам альтернативных признаков, во втором поколении наблюдается независимое наследование признаков и соответствующих им генов.

Вопрос №27:

Внутриаллельные взаимодействия генов

1. Полное доминирование: окраска горошин, карие и голубые глаза у человека, прямые и вьющиеся волосы, 5 и 6 пальцев на руке и другие признаки. Их называют менделирующими – расщепление подчиняется законам Менделя.