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 цитологию a) Клеточная теория b) Типы клеток и тканей c) Органоиды клетки II. Основы молекулярной биологии a) ДНК. Структура и свойства. Понятие гена. b) Основная догма молекулярной биологии. c) Мутагенные воздействия на клетку и их последствия.

Благодаря этой рекламе сайт может продолжать свое существование, спасибо за просмотр.

I. Введение в цитологию a) Клеточная теория ЦИТОЛОГИЯ - 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. СТРОЕНИЕ Состав 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: Диффузия Осмос Активный 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 функции Циклоз – это движение цитоплазмы внутри клетки СЕТЧАТЫЙ ЦИКЛОЗ КРУГОВОЙ ЦИКЛОЗ Эндоплазматическая сеть Цитоплазматический матрикс Рибосомы Клеточный центр Митохондрии Аппарат Гольджи Пластиды Лизосомы Цитоплазма

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 Цитоплазма представляет собой водянистое вещество – цитозоль (90 % воды), в котором располагаются различные органеллы, а также питательные вещества (в виде истинных и коллоидных растворов) и нерастворимые отходы метаболических процессов. В цитозоле протекает гликолиз, синтез жирных кислот, нуклеотидов и других веществ. Цитоплазма является динамической структурой. Органеллы движутся, а иногда заметен и циклоз – активное движение, в которое вовлекается вся протоплазма.

Состав и строение: 2 Мембраны Наружная Внутренняя (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 Внутренняя мембрана сложена в складки, называемые кристами. Возможно, митохондрии некогда были свободнодвижущимися бактериями, которые, случайно проникнув в клетку, вступили с хозяином в симбиоз. Важнейшей функцией митохондрий является синтез АТФ, происходящий за счёт окисления органических веществ. Митохондрии иногда называют «клеточными электростанциями». Это спиральные, округлые, вытянутые или разветвлённые органеллы, длина которых изменяется в пределах 1,5–10 мкм, а ширина – 0,25–1 мкм. Митохондрии могут изменять свою форму и перемещаться в те области клетки, где потребность в них наиболее высока. В клетке содержится до тысячи митохондрий, причём это количество сильно зависит от активности клетки. Каждая митохондрия окружена двумя мембранами, внутри которых содержатся РНК, белки и митохондриальная ДНК, участвующая в синтезе митохондрий наряду с ядерной ДНК.

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 веществ Эндоплазматическая сеть Эндоплазматическая сеть – это сеть мембран, пронизывающих цитоплазму эукариотических клеток. Её можно наблюдать только при помощи электронного микроскопа. Эндоплазматическая сеть связывает органеллы между собой, по ней происходит транспорт питательных веществ. Различают гладкую и шероховатую ЭПС. Гладкая ЭПС имеет вид трубочек, стенки которых представляют собой мембраны, сходные по своей структуре с плазматической мембраной. В ней осуществляется синтез липидов и углеводов.

Строение: Окруженные мембранами полости (цистерны) и связанная с ними система пузырьков. Функции: Накопление органических веществ «Упаковка» органических веществ Выведение органических веществ Образование лизосом Аппарат Гольджи Аппарат Гольджи представляет собой стопку мембранных мешочков (цистерн) и связанную с ними систему пузырьков. На наружной, вогнутой стороне стопки из пузырьков (отпочковывающихся, по-видимому, от гладкой эндоплазматической сети) постоянно образуются новые цистерны, на внутренней стороне цистерны превращаются обратно в пузырьки. Основной функцией аппарата Гольджи является транспорт веществ в цитоплазму и внеклеточную среду, а также синтез жиров и углеводов, в частности, гликопротеина муцина, образующего слизь, а также воска, камеди и растительного клея. Аппарат Гольджи участвует в росте и обновлении плазматической мембраны и в формировании лизосом.

Строение: Пузырьки овальной формы (снаружи – мембрана, внутри ферменты) Функции: Расщепление органических веществ, Разрушение отмерших органоидов клетки, Уничтожение отработавших клеток. Лизосомы Лизосомы представляют собой мембранные мешочки, наполненные пищеварительными ферментами. Особенно много лизосом в животных клетках, здесь их размер составляет десятые доли микрометра. Лизосомы расщепляют питательные вещества, переваривают попавшие в клетку бактерии, выделяют ферменты, удаляют путём переваривания ненужные части клеток. Лизосомы также являются «средствами самоубийства» клетки: в некоторых случаях (например, при отмирании хвоста у головастика) содержимое лизосом выбрасывается в клетку, и она погибает.

Строение: Малая Большая Состав: - р-РНК (рибосомная) - белки. Функции: Обеспечивает биосинтез белка (сборку белковой молекулы из аминокислот). субъединицы Немембранные органеллы. Рибосомы Рибосомы – мелкие (15–20 нм в диаметре) органеллы, состоящие из р-РНК и полипептидов. Важнейшая функция рибосом – синтез белка. Их количество в клетке весьма велико: тысячи и десятки тысяч. Рибосомы могут быть связаны с эндоплазматической сетью или находиться в свободном состоянии. В процессе синтеза обычно одновременно участвуют множество рибосом, объединённых в цепи, называемые полирибосомами.

Строение: 2 Центриоли у животных и низших растений (расположены перпендикулярно друг другу) У высших растений центриолей нет Состав центриолей: Белковые триплеты микротрубочек Свойства: способны к удвоению Функции: Принимает участие в делении клеток животных и низших растений, образуя веретено деления Формирует цитоскелет (микротрубочки) Клеточный центр Почти во всех эукариотических клетках имеются полые цилиндрические органеллы диаметром около 25 нм, называющиеся микротрубочками. В длину они могут достигать нескольких микрометров. Стенки микротрубочек сложены из белка тубулина. В клетках животных и низших растений встречаются центриоли – мелкие полые цилиндры длиной в десятые доли микрометра, построенные из 27 микротрубочек. Во время деления клетки они образуют веретено, вдоль которого выстраиваются хромосомы. Центриолям по структурам идентичны базальные тельца, содержащиеся в жгутиках и ресничках. Эти органеллы вызывают биение жгутиков. Другая функция микротрубочек – транспорт питательных веществ.

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. Клеточное ядро Структура ядра Строение и состав структуры Функции структуры Ядерная оболочка Наружная и внутренняя мембрана Обмен веществ между ядром и цитоплазмой Нуклеоплазма Жидкое вещество, в его составе – белки , ферменты, нуклеиновые кислоты Это внутренняя среда ядра – накопление веществ Ядрышко Содержит молекулы ДНК и белок Синтез рибосомной РНК Хроматин Содержит хромосомы и белок Содержит наследственную информацию, хранящуюся в молекулах ДНК

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

1953 Фрэнсис Крик Джеймс Уотсон Открыта структура ДНК Дата рождения молекулярной биологии

Francis Harry Compton Crick James Dewey Watson Нобелевская премия 1962

Розалинд Франклин Рентгеноструктурный портрет ДНК – знаменитое фото 51 1920 - 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 ДНК 23 хромосомы человека = 23 молекулы ДНК Самые длинные из них ≈ 8 см ДНК – это молекула-текст. В последовательности ее нуклеотидов записана вся наследственная программа организма Знаете 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).

Тимин, Т Цитозин, Ц Аденин, А Гуанин, Г ДНК Пурины Пиримидины

Нуклеотид фосфат Сахар (рибоза / дезоксирибоза) Азотистое основание – одно из 4 1’ 3’ 5’ Первичная структура ДНК

1950 Правила Чаргаффа Эрвин Чаргафф

Правила Чаргаффа [ А ] + [ Г ] = [ Т ] + [ Ц ] = 50%

Объяснение правилам Чаргаффа дали Уотсон и Крик ДНК – это 2 цепочки, соединенные по принципу комплементарности

Принцип комплементар-ности: А Т Г Ц - - - - - - - - - - - - Слабые водородные связи! Прочнее

5’ Ц 3’ 5’ 3’ 3’ ОН 5’ Т A НО Г

1 виток – 10 н.п. На одну н.п. приходится 0.34 нм Вторичная структура ДНК 2 нм 3.4 нм

клетка хромосомы в ядре ДНК хромосома 1 молекула ДНК ген ещё ген

Молекулы ДНК можно увидеть под электронным микроскопом Хромосомы бактерий (кольцевые)

Ген – фрагмент ДНК, который может синтезировать только один определённый полипептид или РНК. Кодирующая часть АТГ STOP ДНК РНК-транскрипт Промотор Терминатор Точка начала транскрипции Окончание транскрипции 5 3 Регуляторная часть Структура гена Кодон

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 РНК В 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).

РНК ДНК Белок 3-D форма и разнообразные функции Матричное 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 мутагенов По происхождению: По природе возникновения: Эндогенные Экзогенные (окружающая среда) Физические (ионизирующее излучение, радиоактивный распад, ультрафиолетовое излучение, чрезмерно высокая или низкая температура) Химические Биологические(антигены, вирусы, продукты обмена веществ)

Мутации Стартовое 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 ДНК ГАА в РНК ЦАТ в ДНК ГУА в РНК Миссенс 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 норма премутация полная 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 - трисомия по 2 хромосоме, Г – трисомия по 8 хромосомы Примечание – красным цветом показаны сигналы 2 хромосомы, зеленым – 8 хромосомы А Б В Г

Благодарю за внимание.