Макромолекулы. Биологии человека

1.

МАКРОМОЛЕКУЛЫ

2.

МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ
БАЗА ЗНАНИЙ ПО
БИОЛОГИИ ЧЕЛОВЕКА
Белки
Нуклеиновые кислоты
Транскрипция
Трансляция
Репликация ДНК
Сплайсинг РНК
Репарация ДНК
ГЕННАЯ И БЕЛКОВАЯ
ИНЖЕНЕРИЯ, ИСКУССТВЕНЫЕ
ГЕНЕТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
БИОИНФОРМАТИКА
БИОЛОГИЯ ЧЕЛОВЕКА: СОДЕРЖАНИЕ
Физиология
Клеточная биология
Генетика
Биохимия
Эндокринология
Иммунология
Молекулярная биология http://humbio.ru/humbio/molbio
Репродукция и развитие
Патологии
Молекулярная эволюция
Биология сенсорных систем
2

3.

3

4. От клетки – к организму

•Организм
человека образован около 200 типами
клеток
•Все клетки содержат одинаковую генетическую
информацию
•Клетки имеют общий план строения
•Различные клетки имеют особенности,
специфические белки и функции, как следствие
дифференциальной активности генов

5. Идентичный геном, но разный протеином

6. Макромолекулы=биполимеры

Типы
Структура
Локализация
Биогенез
Свойства
Функции
Взаимодействия
6

7. Макромолекулы обладают сложной и точно детерминированной структурой, имеют уникальные свойства и осуществляют большинство

функций клетки
Сборка клеточных мембран
Катализ химических превращений
Движение
Клеточный метаболизм
Наследственность
Сообщение между клетками
Клеточные контакты

8. Б Е Л К И

БЕЛКИ
Составляют до 50% сухого веса клетки
Отличаются огромным разнообразием –
гетерогенностью
Строение и функции белков запрограммированы в
ДНК
Определяют структуру и жизнедеятельность клетки

9. Классификация белков

По составу:
простые
сложные
По структуре: фибриллярные
глобулярные
По функциям: структурные
ферменты
гормоны
транспортные
защитные
сократительные
запасные

10. Мономеры белков - аминокислоты

Каждая аминокислота состоит из двух частей:
Консервативная (аминогруппа и карбоксильная
группа);
-
-
Вариабильная (радикал).

11. Структура белков

11

12. Первичная структура белков

Элементарный уровень организации
Определяется последовательностью
аминокислот, которая является
специфичной и генетически
запрограммированной
Полипептидная цепь аминокислот,
соединенных при помощи прочной
ковалентной пептидной связи

13. Аминокислоты соединяются между собой при помощи пептидной связи, которая образуется между α-аминогруппой одной аминокислоты и

α-карбоксильной группой другой
аминокислоты.

14. Вторичная структура белков

Образуется при
помощи водородных
связей
Представлена αспиралями и β-слоями
Упаковываясь
компактно, α-спирали
и β-слои
образуют домены

15. α-спирали и β-слои

α-спирали образуются при
закручивания полипептидной
цепи за счет определенных
аминокислот
Примеры: кератин, миозин
β-слои образуются в результате
параллельного расположения
участков полипептидной цепи и
служат основой организации
глобулярных белков
Примеры: фиброин, коллаген

16. Третичная структура

Обеспечивается при помощи
водородных, дисульфидных и
ионных связей, а также
гидрофобных взаимодействий.
Обеспечивает свертывание
полипептидных цепей в
компактную глобулу.
Основой ее является домены.
Примеры: миоглобин,
глобулины, ферменты.

17. Конформационные переходы

Домен – компактный участок белка (100400 АА) со специфической функцией;
кодируется одним экзоном.

18. Четвертичная структура

Является результатом объединения нескольких
полипептидных цепей, удерживаемых за счет
гидрофобных взаимодействий.
Примеры: гемоглобин, оболочка некоторых вирусов.

19. Примеры четвертичной структуры

20. Денатурация и ренатурация белков

Денатурация – это процесс утраты
трехмерной конформации, присущей данной
белковой молекуле, и, вследствие этого,
биологических функций.
Факторы денатурации:
нагревание, облучение, действие сильных
кислот, щелочей и тяжелых металлов,
органических растворителей и детергентов.
Ренатурация – это процесс восстановления
утраченной структуры белка.

21. Функции белков

Класс белков
Динамичные
белки
Структурные
белки
Функция
Примеры
каталитическая
Протеазы, липазы,
полимеразы,
оксидазы....
транспортная
Hb, трансферин
двигательная
Актин, миозин
Сигнальная, гормоны
рецепторы, инсулин
защитная
Ig, IFN
регуляторная
Факторы
транскрипции
структурная
Эластин, коллаген

22. Промышленное получение терапевтических белков

23. Carticel www.carticel.com

24. Epicel

25. NeuroCell

26. Био-нанотехнологии

это сборка из атомов и молекул наномашин, то есть
мельчайших образований с заранее
запрограммированными свойствами и
"умениями".

27. Использование нано-роботов

Современная диагностика
Доставка лекарственных препаратов
Восстановление повреждений на
клеточном уровне
Обнаружение патологических клеток

28. Био-наноробот состоит как минимум из трех модулей:

- транспортный модуль (именно он переносит активные
молекулы наноробота через желудок в кровяное русло без
разрушения желудочным соком)
- ферментативный модуль с целым комплексом протеаз.
Предназначен для разрушения всех известных белков
нежизнеспособных клеток человека. При этом, обладая
избирательностью, не затрагиваются здоровые, выполняет роль
"молекулярного хирурга", разрушая белки нежизнеспособных
или мертвых клеток и растворяя тромбы в сосудах
- нуклеиновый модуль со специально подобранными и
очищенными фрагментами ДНК лососевых рыб (12,5 мг),
оказывает мощное регуляторное воздействие на весь организм
человека через активацию работы костного мозга и так
называемые "стволовые клетки" .

29. Нуклеиновые кислоты

Линейные биополимеры,
состоящие из нуклеотидов
2 типа: ДНК и РНК
Имеют несколько уровней организации,
характеризующихся определенными
связями и особенностями.

30.

Rosalind Franklin
Maurice Wilkins
James Watson şi Francis Crick
30

31. Нуклеотиды - мономеры нуклеиновых кислот

32. Нуклеотид состоит из трех элементов

Азотсодержащее
основание
Пентоза
Фосфатная группа

33. Азотистые основания

34. 5-углеродный сахар - пентоза

РНК
ДНК

35.

Мономеры ДНК:
4 типа дезоксирибонуклеотидов
(dNTP→dNMP)
dATP → dAMP
dGTP → dGMP
dCTP → dCMP
dTTP → dTMP
Мономеры РНК:
4 типа рибонуклеотидов (NTP→NMP)
ATP → AMP
GTP → GMP
CTP → CMP
UTP → UMP

36. Мономер ДНК

γ
β
α
P
P
P
O
N
5’
C
C1’
C
4’
C3’
C2’

37. Первичная структура ДНК

Цепь нуклеотидов,
соединенных прочной
ковалентной
фосфодиэфирной связью
между 3‘атомом С одной
пентозы и 5‘-С другой
пентозы.

38.

5' GCGT ... 3‘
38

39. Вторичная структура ДНК

Двойная спираль из двух
антипараллельных цепей,
соединенных водородными
связями на уровне
азотистых оснований
В основе лежит принцип
комплементарности

40.

Принцип
комплементарности

41. Комплементарность определяет:

Стабильность молекулы ДНК
Механизм репликации
Механизм транскрипции
Механизм рекомбинации
Механизм репарации ДНК

42. Существует несколько типов спиралей ДНК, которые отличаются наклоном основания к центральной оси, количеством нуклеотидов в

одном витке и направлением закрученности
Отличия
А-ДНК
B-ДНК
Z-ДНК
Направление
спирали
Правое
Правое
Левое
Количество
п.о. в витке
11
10,4
12
Расстояние
между
основаниями
2,9
23,7
18,4
Диаметр
молекулы
25,5
23,7
18,4

43. Третичная структура ДНК

Образуется при взаимодействии ДНК с белками
при помощи водородных и электростатических
связей.

44. Свойства ДНК

Репликация
Репарация
Денатурация и ренатурация
Спирализация, суперспирализация и
деспирализация
Гетерогенность последовательностей
Гибкость (пластичность) молекулы
Перемещение (миграция) в электрическом поле
Гибридизация

45. Функции ДНК

Хранение генетической информации
- 98% в ядре, 2% в митохондриях
Передача генетической информации
- от клетке к клетке, от поколения к
поколению (митоз, мейоз)
Реализация генетической информации
ДНК → мРНК → белок

46. Джеймс Уотсон, американский биолог, лауреат Нобелевской премии 

Джеймс Уотсон, американский биолог,
лауреат Нобелевской премии
«Было принято считать, что наша судьба
скрыта в наших звездах. Однако теперь
мы точно знаем, что она записана в
наших генах»
46

47. Особенности ДНК прокариот

Располагается в цитоплазме, в
виде нуклеоида (1 центральная
молекула и плазмиды)
Небольшая кольцевая молекула
Ассоциируется с основными
белками
Прикрепляется к плазматической
мембране
Реплицируется постоянно
Большинство
последовательностей уникальные.

48. Особенности ДНК эукариот

В ядре (98%) и митохондриях
(2%)
Длинная линейная молекула
Ассоциируется с гистоновыми
и негистоновыми белками,
образуя хроматин
Много молекул (у человека 46)
Реплицируется в фазе S
клеточного цикла
Характеризуется
гетерогенностью (содержит
уникальные и повторяющиеся
последовательности)

49. Особенности митохондриальной ДНК

Располагается в митохондриях (по
2-10 молекул)
Количество врьирует и зависит от
типа и физиологического состояния
клетки
Кольцевая молекула
Состоит из двух цепей: H (тяжелой)
и L (легкой)
Содержит 37 генов
Геном компактный и состоит, в
основном, из кодирующих
последовательностей

50. Уровни организации РНК

Первичная структура –
полинуклеотидная цепь,
соединенных
фосфорнодиэфирной
связью;
- определяется структурой
ДНК, с которой
транскрибирована
рРНК
Вторичная структура –
пространственная
конфигурация молекулы
(характерна для тРНК и
рРНК).
тРНК

51. Типы и функции РНК

мРНК – перенос ГИ, матрица для синтеза белка
тРНК – транспорт аминокислот, декодирование
ГИ
рРНК – входит в состав рибосом и обеспечивает
синтез белка
гяРНК – промежуточный продукт созревания
мРНК
мяРНК – участвует в процессе созревания мРНК

52. Типы и функции РНК

мРНК – перенос ГИ, матрица для синтеза белка
тРНК – транспорт аминокислот, декодирование
ГИ
рРНК – входит в состав рибосом и обеспечивает
синтез белка
гяРНК – промежуточный продукт созревания
мРНК
мяРНК – участвует в процессе созревания мРНК

53. рРНК

Тип клеток
Коэффициент
седиментации
5S
Прокариоты
16S
23S
5S
Эукариоты,
ядро
5,8S
18S
28S
Эукариоты,
митохондрии
12S
16S
53

54.

ДНК
Критерий
сравнения
РНК
Структура
Двуцепочечная спираль Одна цепь
Азотистые
основания
A,T,G,C
A,U,G,C
Пентоза
Дезоксирибоза
Рибоза
Локализация
В ядре и митохондриях
В ядре, цитоплазме и
митохондриях
Место
синтеза
Ядро (репликация)
Ядро (транскрипция)
Функции
Хранение, передача и
реализация ГИ
Перенос ГИ
Транспорт аминокислот
Декодирование ГИ
Биосинтез белка

55. мяРНК (snRNA) Малые ядерные РНК

- oбнаруживаются в ядре;
- всегда связаны с белками, формируя малые ядерные
рибонуклеопротеиновые частицы (snurp).
cодержат большое количество уридина (U1,U2, …U12).
pазмер от 90-300 нуклеотидов.
Функции:
1. Участвуют в процессинге пре-мРНК.
2. Расщепление полицистронных мРНК.
3. Поддержание целостности теломер.
4. Регуляция транскрипции.

56. мцРНК (scRNA) Малые цитоплазматические РНК

Различные по происхождению и функции малые РНК,
размером
от 20-200 нуклеотидов, функционирующие в цитоплазме и
участвующие в РНК-интерференции (siRNA, miRNA,
рiwiRNA).

57. миРНК (siRNA) малые интерферирующие РНК

миРНК получаются из протяженной двуцепочечной РНК
(dsRNA), последняя возникает в клетке в результате:
1. Работа РНК-зависимых РНК-полимераз.
2. Двунаправленная транскрипция генов (транскрипция с
обеих антипараллельных цепей).
3. Транскрипция регионов, содержащих инвертированные
повторы.
4. РНК содержащие вирусы.
5. Искусственные генетические конструкции.
Малые интерферирующие РНК осуществляют деградацию мРНК
(запуская РНК-интерференцию) и/или модификацию хроматина.

58. микроРНК (miRNA)

-образуются из крупных
первичных транскриптов, которые
имеют частично комплементарные
области (инвертированные повторы),
- вызывают трансляционную репрессию или
деградацию мРНК.
По оценкам 1% генов представлен генами
миРНК, которые регулируют до 30%
структурных генов.

59. Эти удивительные микроРНК…

Описаны впервые в 1993 году
Состоят из 19-24 нуклеотидов
Не кодируют белки
В 2002 было известно 218 микроРНК, в
2007 – 5071…
Точные функции неизвестны до сих пор,
регулируют экспрессию генов ???
В геноме человека – более 400 типов
микроРНК

60. Значение микроРНК

Играют важную роль в развитии многих
заболеваний (рак, болезни метаболизма,
вирусные инфекции, аутоиммунные
заболевания, аллергические болезни и др.)
Биомаркеры в ранней диагностике
Мишени в генной терапии
60

61.

МикроРНК ингибирует выработку инсулина
МикроРНК помогут в лечении
онкологических заболеваний
МикроРНК помогает обнаружить рак
поджелудочной железы (01.02.07)
МикроРНК помогут в лечении хронического
лейкоза
Белок р53 “заказывает” опухоль
маленьким киллерам – микроРНК (05.06.07)
МикроРНК спасает от кокаиновой
зависимости (21.01.2012)

62.

СТРУКТУРА
СТРУКТУРА
СВОЙСТВА
СВОЙСТВА
ФУНКЦИИ
ФУНКЦИИ
клетки
клетки
Базируются
Базируются на
на
молекулярной
молекулярной
основе
основе
ДНК–
ДНК– содержит
содержит информацию
информацию
РНК–
РНК– синтез
синтез белков
белков
Белки–
Белки– обеспечивают
обеспечивают
жизнедеятельность
жизнедеятельность
62

63. Взаимоотношения макромолекул в клетке

ДНК
Транскрипция
РНК
Трансляция
Белки
Синтез - катализ
Сахара
Липиды
63

64.

Связь: строение – среда - функции
Первичная химическая
структура
Факторы среды –
to, pH, P, hν, др.
Пространственная конформация
(форма молекулы)
Свойства молекулы
Функции молекулы

65. Качество ДНК

Качество внутриклеточных и
внеклеточных белков
Качество и продолжительность
жизни человека
Знание НК и белков – ключ к успеху
медицины XXI века!!!

66. Тема следующей лекции:

Биологические
мембраны