Презентация по молекулярной генетике для магистров первого года обучения на тему Введение в цитологию. Молекулярная генетика (1 курс магистратуры)

Никола Тесла,изобретатель в области электротехники и радиотехники, инженер, физик.Действие даже самого крохотного существа приводит к изменениям во всей Вселенной.Матвеенко Ольга Альбертовна План лекции:I. Введение в цитологиюa) Клеточная теорияb) Типы клеток и тканейc) Органоиды клеткиII. Основы молекулярной биологииa) ДНК. Структура и свойства. Понятие гена.b) Основная догма молекулярной биологии.c) Мутагенные воздействия на клетку и их последствия. I. Введение в цитологиюa) Клеточная теорияЦИТОЛОГИЯ - наука о клетке.Клетки – это структурные единицы организмов. Впервые этот термин употребил Роберт Гук в 1665 году. К XIX веку усилиями многих учёных сложилась клеточная теория. Основные положения клеточной теории:клетка – основная единица строения и развития всех живых организмов;клетки всех организмов сходны по своему строению, химическому составу, основным проявлениям жизнедеятельности;каждая новая клетка образуется в результате деления исходной (материнской) клетки;в многоклеточных организмах клетки специализированы по выполняемой ими функции и образуют ткани. Из тканей состоят органы, которые тесно связаны между собой и подчинены системам регуляции.

b) Типы клеток и тканей c) Органоиды клетки Клеточная мембрана – ультрамикроскопическая плёнка (биополимер), состоящая из двух мономолекулярных слоев белка и расположенного между ними бимолекулярного слоя липидов.Функции плазматической мембраны клетки:Барьерная.Связь с окружающей средой (транспорт веществ).Связь между клетками тканей в многоклеточных организмах.Защитная.СТРОЕНИЕСостав и строение клеточной мембраны


Важной проблемой является транспорт веществ через плазматические мембраны. Он необходим для доставки питательных веществ в клетку, вывода токсичных отходов, создания градиентов для поддержания нервной и мышечной активности. Существуют следующие механизмы транспорта веществ через мембрану:Функции:ДиффузияОсмосАктивный транспорт Транспорт веществ через мембрану



диффузия обеспечивает перемещение маленьких, незаряженных молекул по градиенту концентрации между молекулами липидов (газы, жирорастворимые молекулы проникают прямо через плазматическую мембрану); при облегчённой диффузии растворимое в воде вещество (глюкоза, аминокислоты, нуклеотиды) проходит через мембрану по особому каналу, создаваемому белком-переносчиком; осмос (диффузия воды через полупроницаемые мембраны); Процессы не требуют дополнительной энергии.Диффузия, осмос


активный транспорт - перенос молекул Na+ и K+, H+ из области с меньшей концентрацией в область с большей (против градиента концентраций) посредством специальных транспортных белков. Пример – калий – натриевый насос; эндоцитоз и экзоцитоз; захват клетками щитовидной железы ионов йода из крови против градиента концентрации в 1000 раз. Процесс требует затраты энергии АТФ.Активный транспорт



При эндоцитозе мембрана образует впячивания, которые затем трансформируются в пузырьки или вакуоли. ! процесс требует дополнительной энергии Различают:фагоцитоз – поглощение твёрдых частиц (например, лейкоцитами крови);пиноцитоз – поглощение жидкостей.Эндоцитоз


экзоцитоз – процесс, обратный эндоцитозу; из клеток выводятся непереварившиеся остатки твёрдых частиц и жидкий секрет. ! процесс требует дополнительной энергии Экзоцитоз

Хищная инфузория дидиниум поедает инфузорию-туфельку
Цитоплазма – это полужидкая среда клетки, в которой располагаются органоиды. Цитоплазма состоит из воды и белков. Цитоплазма способна двигаться со скоростью до 7 см/час.Органоиды - это постоянные клеточные структуры, каждая из которых выполняет свои функцииЦиклоз – это движение цитоплазмы внутри клеткиСЕТЧАТЫЙЦИКЛОЗКРУГОВОЙЦИКЛОЗЭндоплазматическаясетьЦитоплазматическийматриксРибосомыКлеточный центрМитохондрииАппарат ГольджиПластидыЛизосомыЦитоплазма
1. Основное вещество цитоплазмы – гиалоплазма (существует в двух формах: золь - более жидкая и гель – более густая.2. Органеллы – постоянные компоненты.3. Включения –временные компоненты. Свойство цитоплазмы – циклоз (постоянное движение)Цитоплазма


Состав и строение:2 Мембраны НаружнаяВнутренняя (образует выросты – кристы)Матрикс В матриксе митохондрии (полужидком веществе) находятся ферменты, рибосомы, ДНК, РНК. Число митохондрий в одной клетке от единиц до нескольких тысяч. Функции:Синтез АТФ,Синтез собственных органических веществ,Образование собственных рибосом.Митохондрии








Строение: - Одна мембрана образует: полости, канальцы и трубочки. - На поверхности мембран – рибосомы (шероховатая или гранулярная ЭПС)Без рибосом (гладкая или агранулярная ЭПС) Функции:Синтез органических веществ (с помощью рибосом)Транспорт веществЭндоплазматическая сеть




Строение:Окруженные мембранами полости (цистерны) и связанная с ними система пузырьков. Функции:Накопление органических веществ«Упаковка» органических веществВыведение органических веществОбразование лизосомАппарат Гольджи






Строение:Пузырьки овальной формы(снаружи – мембрана, внутри ферменты)Функции:Расщепление органических веществ,Разрушение отмерших органоидов клетки,Уничтожение отработавших клеток.Лизосомы



Строение:МалаяБольшаяСостав: - р-РНК (рибосомная) - белки.Функции: Обеспечивает биосинтез белка (сборку белковой молекулы из аминокислот).субъединицыНемембранные органеллы.Рибосомы







Строение:2 Центриоли у животных и низших растений (расположены перпендикулярно друг другу)У высших растений центриолей нетСостав центриолей:Белковые триплеты микротрубочекСвойства: способны к удвоениюФункции:Принимает участие в делении клеток животных и низших растений, образуя веретено деленияФормирует цитоскелет (микротрубочки)Клеточный центр





Клеточное ядро - это важнейшая часть клетки. Оно есть почти во всех клетках многоклеточных организмов. Клетки организмов, которые содержат ядро называют эукариотами. Клеточное ядро содержит ДНК- вещество наследственности, в котором зашифрованы все свойства клетки.Структура ядраСтроение и состав структурыФункции структурыЯдерная оболочкаНаружная и внутренняя мембранаОбмен веществ между ядром и цитоплазмойНуклеоплазмаЖидкое вещество, в его составе – белки , ферменты, нуклеиновые кислотыЭто внутренняя среда ядра – накопление веществЯдрышкоСодержит молекулы ДНК и белокСинтез рибосомной РНКХроматинСодержит хромосомы и белокСодержит наследственную информацию, хранящуюся в молекулах ДНК Клеточное ядро
II. Основы молекулярной биологии.a) ДНК. Структура и свойства. Понятие гена. ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) открыта в 1868 г швейцарским врачом И. Ф. Мишером в клеточных ядрах лейкоцитов, отсюда и название – нуклеиновая кислота (лат. «nucleus» - ядро).В 20-30-х годах XX в. определили, что ДНК – полимер (полинуклеотид), в эукариотических клетках она сосредоточена в хромосомах. Предполагали, что ДНК играет структурную роль.В 1944 г. группа американских бактериологов из Рокфеллеровского института во главе с О. Эвери показала, что способность пневмококков вызывать болезнь передается от одних к другим при обмене ДНК. ДНК является носителем наследственной информации. История открытия нуклеиновых кислот





1953Фрэнсис КрикДжеймс УотсонОткрыта структура ДНКДата рождениямолекулярной биологии Francis Harry Compton CrickJames Dewey WatsonНобелевская премия 1962 Розалинд Франклин Рентгеноструктурный портрет ДНК – знаменитое фото 511920 - 1958 ДНК – самая большая молекула в клетке. Длина ДНК в одной клетке человека 190 см, общая длина ДНК человека 2x1010 км!Каждая хромосома = одна молекула ДНК23 хромосомы человека = 23 молекулы ДНК Самые длинные из них ≈ 8 смДНК – это молекула-текст. В последовательности ее нуклеотидов записана вся наследственная программа организмаЗнаете ли вы, что:

Нуклеиновые кислоты являются биополимерами, мономеры которых – нуклеотиды.Каждый нуклеотид состоит из 3-х частей:азотистого основания,пентозы – моносахарида,остатка фосфорной кислоты.ДНК имеет 4 уровня организации молекулы (первичная, вторичная, третичная и четвертичная). ПуриныПиримидиныТимин, ТЦитозин, ЦАденин, АГуанин, ГДНК Нуклеотидфосфат Сахар (рибоза / дезоксирибоза)Азотистое основание – одно из 4 1’3’5’Первичная структура ДНК 1950 Правила ЧаргаффаЭрвин Чаргафф Правила Чаргаффа[ А ] + [ Г ] = [ Т ] + [ Ц ] = 50% Объяснение правилам Чаргаффа дали Уотсон и КрикДНК – это 2 цепочки, соединенные по принципу комплементарности
Принцип комплементар-ности: А Т Г Ц - - - - - - - - - - - -Слабые водородные связи!Прочнее
3’ТОН5’ЦA3’ОН5’3’5’ТAНОГ





2 нм3.4 нм1 виток – 10 н.п. На одну н.п. приходится 0.34 нмВторичная структура ДНК клеткахромосомы в ядреДНКхромосома1 молекула ДНКгенещё ген

Молекулы ДНК можно увидеть под электронным микроскопомХромосомы бактерий (кольцевые) Ген – фрагмент ДНК, который может синтезировать только один определённый полипептид или РНК. Кодирующая частьАТГSTOPДНКРНК-транскриптПромоторТерминаторТочка начала транскрипцииОкончание транскрипции5'3'Регуляторная частьСтруктура генаКодон Важно!Клетки организма данного вида (даже принадлежащие разным тканям) содержат ДНК с одинаковым нуклеотидным составом (генами), который не зависит ни от питания, ни от окружающей среды, ни от возраста организма. Нуклеотидный состав ДНК разных видов различен. Репликация ДНК Удвоение молекулы ДНК называют репликацией или редупликацией. Во время репликации часть молекулы «материнской» ДНК расплетается на две нити с помощью специального фермента, это достигается разрывом водородных связей между комплементарными азотистыми основаниями. Далее к каждому нуклеотиду разошедшихся нитей ДНК фермент ДНК-полимераза подстраивает комплементарный ему нуклеотид.

Частота ошибок при ДНК-репликации не превышает 1 на 109–1010 нуклеотидов.Скорость репликации составляет порядка 45 000 нуклеотидов в минуту, а родительская вилка вращается со скоростью 4500 об/мин.Репликация в ходе клеточного цикла происходит ограниченное кол-во раз, затем клетка погибает.Опухолевые клетки бессмертны (фермент теломераза, теория бессмертия клеток).

Траскрипция РНК С помощью специального белка РНК-полимеразы молекула информационной РНК строится по принципу комплементарности по участку одной нити ДНК в процессе транскрипции (первого этапа синтеза белка). Сформированная цепочка и-РНК представляет точную копию второй (нематричной) цепочки ДНК, только вместо тимина Т включен урацил У. и-РНК


Виды РНКВ клетке имеется несколько видов РНК. Все они участвуют в синтезе белка.Транспортные РНК (т-РНК) - это самые маленькие по размерам РНК (80-100 нуклеотидов). Они связывают аминокислоты и транспортируют их к месту синтеза белка.Информационные РНК (и-РНК) - они в 10 раз больше тРНК. Их функция состоит в переносе информации о структуре белка от ДНК к месту синтеза белка.Рибосомные РНК (р-РНК) - имеют наибольшие размеры молекулы(3-5 тыс.нуклеотидов), входят в состав рибосом. Биосинтез белка (трансляция) Трансляция – это перевод последовательности нуклеотидов молекулы и-РНК (матричной) в последовательность аминокислот молекулы белка. и-РНК взаимодействует с рибосомой, которая начинает двигаться по и-РНК, задерживаясь на каждом ее участке, который включает в себя два кодона (т.е. 6 нуклеотидов).


РНКДНКБелок3-D форма и разнообразные функцииМатричное копирование c) Мутагенные воздействия на клетку и их последствия.Мутагены - факторы, вызывающие изменения структуры ДНК - мутации. Впервые искусственные мутации получены в 1925 году Г. А. Надсеном и Г. С. Филипповым у дрожжей действием радиоактивного излучения радия.Г.С. Надсен Типы мутагеновПо происхождению:По природе возникновения:ЭндогенныеЭкзогенные(окружающая среда)Физические (ионизирующее излучение;радиоактивный распад;ультрафиолетовое излучение;чрезмерно высокая или низкая температура)Химические Биологические(антигены, вирусы, продукты обмена веществ)



МутацииСтартовое звено патогенеза наследственных заболеваний и рака - мутации - нарушения структуры генов, хромосом или изменение их числа. В зависимости от уровня организации генетического материала (ген, хромосома, геном) говорят о мутациях генных, хромосомных и геномных. Генные мутации ЦТТ в ДНКГАА в РНКЦАТ в ДНКГУА в РНКМиссенс мутация. Пример – серповидно-клеточная анемия. Замена пары нуклеотидов привела к замене аминокислоты в белке, т.е.изменилась первичная структура, что повлекло изменение вторичной, третичной и четвертичной и формы эритроцитов. Синдром ломкой Х хромосомы (синдром Мартина-Белл). Степень снижения интеллекта тем выше, чем больше вставка ЦГГ повторов.FMR-1 gene нормапремутацияполная мутация Хромосомные и геномные мутации Синдром Дауна. Трисомия по 21-й хромосоме. Хромосомный набор нормальной (слева) и раковой клетки Флуоресцентная in situ гибридизация на 2 и 8 хромосомы человека. А – моносомия по 2 хромосоме, Б – моносомия по 8 хромосоме, В - трисомияпо 2 хромосоме, Г – трисомия по 8 хромосомыПримечание – красным цветом показаны сигналы 2 хромосомы, зеленым – 8 хромосомыАБВГ Благодарю за внимание.