Основные концепции современной молекулярной биологии

1.

Курс «Молекулярная биология клетки»
Основные концепции современной молекулярной биологии.
1) Структура и стабильность генома. Структура ДНК,
процессы репликации ДНК, репарации и пространственной
организации генома.
2) Реализация наследственной информации. Процессы,
лежащие в основе "работы" (экспрессии) генов —
транскрипция, трансляция. Жизненный цикл мРНК и
посттрансляционная судьба белковых молекул.
3) Клетка и окружающая среда. Взаимодействие клетки с
окружающими её клетками через прямые межклеточные
контакты и химические сигналы. Обмен веществ
(метаболизм) и клеточный цикл.

2. План работы

• Есть 39 ч
• Лекции
• Переговоры с ЦКП «Молекулярная
биология»
• Практика, консультации на базе ЦКП
• Экзамен

3.

Источники:
https://www.coursera.org/
https://stepic.org/
http://postnauka.ru/
http://vk.com/molbio
http://icg.nsc.ru/lectures/
Курсы лекций и презентации:
«Молекулярная биология и генетика»
«Молекулярная биология клетки»
https://stepik.org
Дейч К.О "О геномах" СФУ.
Alberts B., Johnson A., Lewis J., Raff M., Roberts K., Walter
P. Molecular Biology of the Cell; издание 5-ое или 6-ое.
(«Молекулярная биология клетки», в 2-х томах,
переведено на русский язык издательством НИЦ
"Регулярная и хаотическая динамика" ).

4.

Лекция 1.
Введение. Центральная догма молекулярной
биологии
•Базовые концепций молекулярной биологии:
•Что такое клетка и чем отличаются прокариоты от
эукариотов.
•Из чего состоят живые клетки, что такое ДНК, РНК и
белки.
•Как передается информация между разными
биологическими молекулами.
•«Центральная догма молекулярной биологии".

5.

6.

7.

8. Хлоропластная ДНК (хлДНК)

• представлена двуцепочечными кольцевыми молекулами (у
высших растений варьирует от 120 до 200 т.п.н. В часто в этих
молекулах обнаруживаются повторы противоположной
ориентации длиной 20–30 т.п.н., разделенные уникальными
последовательностями.
• В молекулах хлДНК насчитывается около 140 генов, в число
которых входят:
1. гены, обеспечивающие синтез белка в органеллах (аппарат
транскрипции и трансляции),
2. гены белков, участвующих в процессе фотосинтеза.

9. Митохондриальная ДНК (мтДНК)

• кольцевые, лишь у немногих видов, в частности некоторых
кишечнополостных животных, эти молекулы линейные.
• Для животных, обычно, размеры мтДНК около 16 т.п.н.
• В мтДНК млекопитающих и других животных 37 генов.
• Такой же набор генов присутствует в мтДНК
• высших растений, к нему добавляется еще ген 5SРНК.
• По размеру молекул мтДНК растений от 200 т.п.н. у видов рода Brassica до
2500 т.п.н. у арбуза. Увеличение размера молекул мтДНК происходит за счет
некодирующих последовательностей, кроме них в мтДНК растений включены
фрагменты хлоропластной ДНК.

10. ?

Какое выражение наиболее точно описывает
отличие прокариот от эукариот?
•У эукариот есть митохондрии
•Прокариоты имеют оформленное ядро, а эукариоты нет
•У прокариот нет цитоплазматической мембраны
•У эукариот гораздо сложнее устройство
внутриклеточной среды (цитоплазмы), с большим
количеством отделов (компартментов)

11.

Филогенетическое дерево, построенное на
основании анализа рРНК, показывает разделение
бактерий, архей и эукариот
Карл Вёзе (1928-2012) —
американский физик.
Использовал 16S рРНК как
универсальную молекулу для
классификации организмов.
Первым выделил Археи.

12.

13.

или биоконденсаты

14. ?

Выберите правильные утверждения относительно
химических компонентов клетки
•Моносахариды входят в состав полисахаридов и нуклеиновых
кислот
•Химической особенностью полисахаридов является наличие
аминогруппы в структуре молекул
•В состав плазматической мембраны входят фосфолипиды и
холестерол
•Биологические макромолекулы представляют собой
гомополимеры, составленные из одинаковых звеньев

15. Нуклеиновые кислоты

16.

17.

18.

Термины «ген, генотип, фенотип» ввел в
употребление в 1909 году датский ботаник
Вильгельм Иогансен (1857-1927)

19.

20. Значимые даты

1944: идентификация ДНК как генетического материала для всех живых
организмов (начало «эры ДНК». Работы О. Эвери, К. Маклеод, М. Маккарти )
1953: расшифровка генетического кода (Watson & Crick, Nature 171, 737: 1953).
1977: первый полный сиквенс целого генома бактериофага phiX174; всего только
5386 нуклеотидов, в 60 000 раз меньше генома человека (Sanger et al. Nature 265,
687: 1970).
mid-1980s: бурное развитие автоматизации и компьютеризации секвенирования
1990: начало проекта полного секвенирования генома человека
1997: полный сиквенс генома дрожжей (~12 Mbp)
1998: нематоды (~97 Mbp)
2000: арабидопсиса (~125 (Mbp)
2000: дрозофилы (~180 Mbp)
2001: человека (~3,200 Mbp)
2002: мыши (~3,500 Mbp) и риса (~420 Mbp)
2006: тополя (~550 Mbp)
2008: Новое поколение секвенирующих платформ - Next generation sequencing
2013: неандертальца (~3,200 Mbp)
2013: ели и 2014: сосны (~20,000 Mbp)
2015: кедр и лиственница?

21.

Размеры генома у разных групп организмов
Mbp = млн. п. н.

22.

Несоответствие между размером генома и сложностью
организма – это «парадокс С» или «загадка значения С»

23.

24.

25.

•В живых организмах встречаются три вида гетерогенных,
то есть состоящих из разных мономеров полимера —
ДНК, РНК и белок.
•Передача информации между ними может
осуществляться девятью (3 × 3 = 9) способами.
•Центральная догма разделяет эти девять типов
передачи информации на три группы:

26.

Ф. Крик «Через много лет Жак Моно сказал мне,
что по-видимому я не понимал, что
подразумевается под словом „догма“, которая
означает часть веры, не подлежащая сомнению.

27.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1) Основное отличие про и эукариотических клеток - сложности
организации внутриклеточного пространства
(компартпентализации).
2) В основе функционирования живой клетки лежат важнейшие
органические полимеры (поликонденсаты): нуклеиновые
кислоты, служащие преимущественно для хранения (ДНК) и
передачи (РНК) генетической информации; полисахарады,
выполняющие структурную и энергозапасающую функцию; а
также белки, реализующие и обеспечивающие основной спектр
функциональной активности живой клетки.
3) ДНК представлена нитевидной двуцепочечной спиральной
молекулой, РНК – одиночная спираль. ДНК и РНК являются
полимерами нуклеотидов, в состав которых входит
дезоксирибоза или рибоза, соответственно.

28.

4) Белки выполняют практически все основные функции в живой
клетке. Они представляют собой полимеры аминокислотных
остатков. Наличие водородных связей, гидрофобных и
электростатических взаимодействий позволяет укладывать
полипептидные цепочки в более сложные вторичные и
третичные структуры.
5) Центральным понятием в молекулярной биологии является
ген – участок молекулы ДНК, кодирующий одну структуру одной
или нескольких биологических макромолекул (РНК или белков).
Совокупность генов организма называют геномом.
6) Центральная догма молекулярной биологии – это понятие,
описывающее путь передачи информации в живой клетке.
Согласно этой догме информация в клетке передается от ДНК
через РНК (транскрипция) к белку (трансляция), но не в
обратном направлении.

29. Белки прионы

Впервые идея рассмотрения белков в качестве потенциальных
инфекционных агентов принадлежит Стэнли Прузинеру,
который также ввёл сам термин "прион", что является
сокращением от «protein for infection».

30. Белки прионы - патогены

Матричные процессы второго рода - процессы передачи
конформации между молекулами белков.

31. Белки прионы

При передаче прионных заболеваний неправильная укладка
белка может передаваться от молекулы к молекуле по всему
организму и даже другим организмам.
К таким заболеваниям относят скрэпи у овец (почесуха), болезнь
Крейцфельда-Якоба, и другие трансмиссивные
губчатые энцефалопатии.

32.

•В нормальном состоянии конформации прионный белок PrPC
участвует в передаче нервных импульсов.
•PrP способен принимать также и альтернативную,
неправильную конформацию (PrPSс), способную образовывать
устойчивые к расщеплению бета-структуры.
•PrPSс присоединяются к нормально свёрнутым молекулам PrPC,
приводя к изменению укладки нормальной молекулы на
"патологическую" (PrPSс).
•Считается, что прионы могут синтезироваться каждой клеткой
организма, но в норме ген, ответственный за воспроизводство
прионов репрессирован.
Фатальная семейная бессонница.
Куру - болезнь каннибалов.

33.

34. Спасибо за внимание! Домашнее задание: выучить заключение по Лекции 1

35.

36.

37.

Лекция 2.
Структура ДНК и её воспроизведение
•из чего состоят нуклеотиды и как они объединяются в
цепочку ДНК;
•как происходит копирование молекулы ДНК (репликация) и
как был доказан основной принцип этого процесса;
•какие стадии репликации ДНК выделяют, и что происходит в
ходе этих стадий.

38.

http://bono-esse.ru/blizzard/ais.html

39.

40. ?

• Какую длину (в нм) будет иметь линейный
фрагмент молекулы ДНК, содержащий 200
пар нуклеотидов? Округлите ответ до
целого.

41.

42.

43.

44. Основные этапы выделения ДНК

1. Разрушение клеточной стенки (лизис)
2. Осаждение грубых остатков (13000g)
3. Фенольно-хлороформная экстракция
нуклеиновых кислот и осаждение белков
4. Осаждение ДНК этанолом (преципитация)
Лекция "О геномах" СФУ Дейч К.О.

45. Можно самим выделить свою ДНК «на кухне»

• 1. Смешать 500 мл воды и 1 ст. ложку соли. Размешать пока соль не
растворится. Потом отлить 3 ст. ложки в др. стакан.
2. Прополоскать рот 1 мин. Сплюнуть обратно в стакан. Жидкость
содержит клетки с внутренней стороны щек.
3. Аккуратно размешать жидкость с каплей мыла (старайтесь без
пузырьков). Мыло разрушает мембраны клеток.
4. В отдельном стакане смешайте 100 мл изопропилового спирта и 3
капли красителя.
5. Наклонить соляной раствор и аккуратно влейте спирт, что бы
образовался отдельный слой.
6. Подождите 2,5 мин. Вы увидите белый сгустки и нитевидные
формирования. Это ваша ДНК
http://www.progene.ru/news/vydelenie_dnk_v_domashnikh_uslovijakh/201203-10-39
Необходимое: вода 0,5 л., соль поваренная 1 ст.л., стаканы и пробирки,
моющее средство для посуды, спирт 100 мл, краситель пищевой, палочки.
Лекция "О геномах" СФУ Дейч К.О.

46. или выделить ДНК лука

1.
2.
3.
4.
5.
6.
Овощ почистить, порезать на куски и измельчить в
блендере добавив 1 столовую ложку соли.
Кашицу процедить и добавить средство для мытья
посуды. Перемешать и дать постоять 10 минут.
Ещё раз процедить и разлить по пробиркам.
Добавить пару капель раствора для хранения
контактных линз.
Аккуратно, по краю пробирки влить спирт слоем в 2 см
и оставить на 10-15 мин.
Всплывшие хлотья и есть очищенная ДНК.
http://www.youtube.com/watch?v=ooZD3U62o50
Необходимое: вода 0,5л, соль поваренная 1 ст.л., овощ,
моющее средство для посуды, жидкость для хранения
контактных линз, спирт 100 мл., пробирки и стаканы,
ситечко, блендер.
Лекция "О геномах" СФУ Дейч К.О.