Теломераза и онкогенез.
Теломераза и старение.
Теломеры и теломераза.
Основные этапы развития и наиболее крупные открытия молекулярной биологии.
Определение предмета молекулярной биологии. Развитие научного направления. Взаимосвязь наук, создавших молекулярную биологию.
Молекулярная биология – крайне современная наука с полувековой историей. Т.е., с одной стороны, она накопила огромный запас уже устоявшихся фактов, - когда то поражавших воображение и порой переворачивающих прежние догмы. А с другой стороны, она продолжает стремительно развиваться, поднимая новые проблемы и рождая новые идеи.
Определение предмета молекулярная биология
Термин "молекулярная биология" принадлежит британскому молекулярному биологу, врачу и нейробиологу Фрэнсису Крику-Лауреату Нобелевской премии по физиологии и медицине 1962 г. которому надоело в ответ на вопрос о его профессии объявлять себя смесью кристаллографа, биохимика, биофизика и генетика.
Mолекулярная биология - это наука о механизмах хранения, воспроизведения, передачи и реализации генетической информации, о структуре и функциях нерегулярных биополимеров - нуклеиновых кислот и белков.
Начав с изучения биологических процессов на молекулярно-атомном уровне, молекулярная биология перешла к сложным надмолекулярным клеточным структурам, а в настоящее время успешно решает проблемы генетики, физиологии, эволюции и экологии.
Основные этапы развития молекулярной биологии
1. Романтический период 1935-1944гг.
Макс Дельбрюк и Сальвадор Лурия занимались изучением репродукции фагов и вирусов, представляющих собой комплексы нуклеиновых кислот с белками
В 1940г. Джордж Бидл и Эдуард Татум сформулировали гипотезу - "Один ген - один фермент". Однако, что такое ген в физико-химическом плане тогда еще не знали.
2. Второй романтический период1944-1953гг.
Была доказана генетическая роль ДНК. В 1953 г. появилась модель двойной спирали ДНК, за которую ее создатели Джеймс Уотсон, Френсис Крик и Морис Уилкинс были удостоены Нобелевской премии.
3. Догматический период1953-1962гг.
Сформулирована центральная догма молекулярной биологии:
Перенос генетической информации идет в направлении 
В 1962 г. был расшифрован генетический код.
4. Академический период с 1962г. по настоящее время, в котором с 1974 года выделяют генно-инженерный подпериод.
Основные открытия
| 1944г. | Доказательство генетической роли ДНК. Освальд Эйвери, Колин Мак-Леод, Маклин Мак-Карти |
| 1953г. | Установление структуры ДНК. Джеймс Уотсон, Френсис Крик |
| 1961г. | Открытие генетической регуляции синтеза ферментов. Андре Львов, Франсуа Жакоб, Жак Моно |
| 1962г. | Расшифровка генетического кода. Маршалл Нирнберг, Генрих Маттеи, Северо Очоа |
| 1967г. | Синтез in vitro биологически активной ДНК. Артур Корнберг (неформальный лидер молекулярной биологии) |
| 1970г. | Химический синтез гена. Гобинд Корана |
| 1970г. | Открытие фермента обратной транскриптазы и явления обратной транскрипции. Говард Темин, Дэвид Балтимор, Ренато Дульбеко |
| 1974г. | Открытие рестриктаз. Гамильтон Смит, Даниэль Натанс, Вернер Арбер |
| 1978г. | Открытие сплайсинга. Филипп Шарп |
| 1982г. | Открытие автосплайсинга. Томас Чек |
Доказательства генетической роли нуклеиновых кислот
1. 1928г. Опыты Фредерика Гриффита.
| Гриффит работал с пневмококками - бактериями, вызывающими пневмонию. Он брал два штамма пневмококков: капсульный и бескапсульный. Капсульный - патогенный (вирулентный), при инфицировании таким штаммом мыши погибают, бескапсульный - непатогенный. При введении мышам смеси убитых нагреванием (и, следовательно, потерявших вирулентность) капсульных пневмококков и живых бескапсульных невирулентных бактерий, животные погибали в результате размножения капсульных вирулентных форм. Обнаруженное явление Гриффит интерпретировал как трансформацию. |
Трансформация - это приобретение одним организмом некоторых признаков другого организма за счет захвата части его генетической информации.
В 1944г. этот эксперимент был повторен Освальдом Эйвери, Колином Мак-Леодом и Маклином Мак-Карти в варианте смешивания бескапсульных пневмококков с взятыми от капсульных белками, полисахаридами или ДНК. В результате этого эксперимента была выявлена природа трансформирующего фактора.
Трансформирующим фактором оказалась ДНК.
2. 1952г. Эксперимент Альфреда Херши и Марты Чейз.
Фаги (бактериофаги) - это вирусы, размножающиеся в бактериях.
E. сoli - кишечная палочка (эубактерия).
| Суть опыта: фаги, у которых белковая оболочка была мечена радиоактивной серой (S35), а ДНК - радиоактивным фосфором (Р32), инкубировали с бактериями. Затем бактерии отмывали. В смывных водах не обнаруживали Р32, а в бактериях - S35 Следовательно, внутрь попала только ДНК. Через несколько минут из бактерии выходили десятки полноценных фагов, содержащих и белковую оболочку, и ДНК. |
Отсюда следовал однозначный вывод о том, что именно ДНК выполняет генетическую функцию - несет информацию как о создании новых копий ДНК, так и о синтезе фаговых белков.
3. 1957г. Опыты Френкеля - Конрата
| Френкель-Конрат работал с вирусом табачной мозаики (ВТМ). В этом вирусе содержится РНК, а не ДНК. Было известно, что разные штаммы вируса вызывают разную картину поражения листьев табака. После смены белковой оболочки "переодетые" вирусы вызывали картину поражения, характерную для того штамма, чья РНК была покрыта чужим белком. |
Следовательно, не только ДНК, но и РНК может служить носителем генетической информации.
На сегодняшний день существуют сотни тысяч доказательств генетической роли нуклеиновых кислот. Приведенные три являются классическими.
| Хронология открытий, подготовивших создание Уотсоном и Криком модели двойной спирали ДНК 1868г. | Обнаружен нуклеин. Современное название - хроматин. Фридрих Мишер |
| 1889г. | Нуклеин разделен на нуклеиновую кислоту и белок. Появился термин "нуклеиновая кислота". Рихард Альтман |
| 1900г. | Все азотистые основания были описаны химиками. |
| 1909г. | В нуклеиновых кислотах обнаружены фосфорная кислота и рибоза. Левин |
| 1930г. | Найдена дезоксирибоза. Левин |
| 1938г. | Рентгеноструктурный анализ показал, что расстояние между нуклеотидами в ДНК 3,4 Å. При этом азотистые основания уложены стопками. Уильям Астбюри, Флорин Белл |
| 1947г. | С помощью прямого и обратного титрования установлено, что в ДНК есть водородные связи между группами N-H и C=O. Гулланд |
| 1953г. | С помощью кислотного гидролиза ДНК с последующей хроматографией и количественным анализом установлены закономерности: А/Т=1; Г/Ц=1; (Г+Ц)/(А+Т)=К - коэффициент специфичности, постоянен для каждого вида. Эрвин Чаргафф |
Правила Чаргаффа. В ДНК всегда: А/Т=1; Г/Ц=1; (Г+Ц)/(А+Т)=К - коэффициент специфичности, постоянен для каждого вида.
Модель двойной спирали ДНК Уотсона и Крика
Принципы строения ДНК
| 1. Нерегулярность. Существует регулярный сахарофосфатный остов, к которому присоединены азотистые основания. Их чередование нерегулярно. 2. Антипараллельность. ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей, ориентированных антипараллельно. 3`-конец одной расположен напротив 5`-конца другой. 3. Комплементарность (дополнительность). Каждому азотистому основанию одной цепи соответствует строго определенное азотистое основание другой цепи. Соответствие задается химией. Пурин и пиримидин в паре образуют водородные связи. В паре A-Т две водородные связи, в паре Г-Ц - три. 4. Наличие регулярной вторичной структуры. Две комплементарные, антипараллельно расположенные полинуклеотидные цепи образуют правые спирали с общей осью. |
Формы двойной спирали ДНК
Существуют несколько форм двойной спирали ДНК.
| В основной - В-форме на виток приходится 10 комплементарных пар. Плоскости азотистых оснований перпендикулярны оси спирали. Соседние комплементарные пары повернуты друг относительно друга на 36 . Диаметр спирали 20Å, причем пуриновый нуклеотид занимает 12Å, а пиримидиновый - 8Å. А-форма - 11 пар азотистых оснований на виток. Плоскости азотистых оснований отклонены от нормали к оси спирали на 20. Отсюда следует наличие внутренней пустоты диаметром 5Å. Высота витка 28Å. Такие же параметры у гибрида из одной цепи ДНК и одной цепи РНК.
|
С-форма - шаг спирали 31Å, 9.3 пар оснований на виток, угол наклона к перпендикуляру 6.
Все три формы - правозакрученные спирали.
Есть еще несколько форм правых спиралей и всего одна левая спираль (Z -форма). Высота витка в Z-форме -44.5 Å, на виток приходится 12 пар нуклеотидов. Ни А-, ни Z- формы не могут существовать в водном растворе без дополнительных воздействий (белки или суперспирализация).
Отличия между ДНК и РНК
| ДНК | РНК | |
| Сахар | Дезоксирибоза | Рибоза |
| Азотистые основания | А, Т, Г, Ц | А, У, Г, Ц |
| Количество цепей в молекуле | 99.99% двойная спираль 0.01% одноцепочечная. | 99.99% одноцепочечная 0.01% двухцепочечная |
| Форма молекулы | Все одноцепочечные- кольцевые. Большинство двухцепочечных - линейные, часть- кольцевые. | Линейные молекулы |
Виды РНК
| Виды РНК | Размер в нуклеотидах |
| gРНК - геномные РНК | 10000-100000 |
| mРНК - информационные (матричные) РНК | 100-100000 |
| tPHK - транспортные РНК | 70-90 |
| rРНК - рибосомные РНК | несколько дискретных классов от 100 до 500000 |
| sРНК - малые РНК | 100-300 |
Функции ДНК
1. ДНК является носителем генетической информации.
Функция обеспечивается фактом существования генетического кода.
2. Воспроизведение и передача генетической информации в поколениях клеток и организмов.
Функция обеспечивается процессом репликации.
3. Реализация генетической информации в виде белков, а также любых других соединений, образующихся с помощью белков-ферментов.
Функция обеспечивается процессами транскрипции и трансляции.
Хромосомы
Хромосомы (др.-греч. χρῶμα — цвет и σῶμα — тело) — нуклеопротеидные структуры в ядре эукариотическойклетки (клетки, содержащей ядро), которые становятся легко заметными в определённых фазах клеточного цикла (во время митоза или мейоза). Хромосомы представляют собой высокую степень конденсации хроматина, постоянно присутствующего в клеточном ядре.
Мужская хромосома
Хроматин - основной компонент клеточного ядра. В среднем в хроматине 40% приходится на ДНК и около 60% на белки. В структурном отношении хроматин представляет собой нитчатые комплексные молекулы дезоксирибонуклеопротеида, которые состоят из ДНК, ассоциированной с гистонами и иногда еще с негистоновыми белками. Способность к дифференциальному окрашиванию легла в основу выявления двух фракций хроматина – гетеро – и эухроматина. Хейтц, открывший это явление, нашел, что определенные участки хромосом остаются в конденсированном состоянии в течении всего клеточного цикла и назвал их гетерохроматин, а участки, деконденсирующиеся в конце митоза и слабо окрашенные – эухроматином. Гетерохроматиновые участки функционально менее активны, чем эухроматиновые, в которых и локализована большая часть известных генов. Однако, гетерохроматин имеет определенное генетическое влияние; к примеру, определяющие пол хромосомы не могут рассматриваться как генетически неактивные, хотя они часто полностью состоят из гетерохрома тина. Кроме того, установлено, что стабильность генетического выражения эухроматина обуславливается близостью к гетерохроматину. Строение хромосомы. Типы хромосом. Эу – и гетерохроматин. Хромосома - постоянный компонент ядра, отличающийся особой структурой, индивидуальностью, функцией и способностью к самовоспроизведению, что обеспечивает их преемственность, а тем самым и передачу наследственной информации от одного поколения растительных и животных организмов к другому. Размеры хромосом у разных организмов варьируют в широких пределах. Длина хромосом может колебаться от 0,2 до 50 мкм. Число хромосом у различных объектов также значительно колеблется, но характерно для каждого вида животных или растений. Совокупность числа, величины и морфологии хромосом называется кариотипом данного вида. Хромосомы животных и растений представляют собой палочковидные структуры разной длины с довольно постоянной толщиной, у большей части хромосом удается легко найти зону первичной перетяжки, которая делит хромосому на два плеча. В области первичной перетяжки находится центромера, где расположен кинетохор. Некоторые хромосомы имеют вторичную перетяжку. В конце интерфазы каждая хромосома состоит из двух сестринских хроматид. Каждая из них, в свою очередь, состоит из двух половинок – полухроматид или хромонем. Хромонемы содержат уплотненные участки – хромомеры, которые в световом микроскопе имеют вид темноокрашенных гранул. Их число, положение и величина в обеих хроматидах одинаковы и для каждой хромосомы относиельно постоянны. Расстояния между хромомерами называются межхромомерными участками. Когда говорят о морфологии хромосом, то принимают во внимание следующие признаки: длину плеч, положение центромеры, наличие вторичной перетяжки или спутника. Спутники разных хромосом отличаются по форме, величине и длине нити, соединятющей их с основным телом. История открытия хромосом
