Similar presentations:
Введение в молекулярную биологию и медицинскую генетику. Генный, хромосомный уровни организации наследственного материала
1. Введение в молекулярную биологию и медицинскую генетику. Генный, хромосомный, геномный уровни организации наследственного
Лекция 7Составитель: к.б.н., доцент
Лазуткина Е. А.
2.
План.1. Геномный и хромосомный уровни организации
наследственного материала
2. Генный уровень организации наследственного
материала
3. Биосинтез белка. Транскрипция
4. Регуляция транскрипции у прокариот. Схема
работы лактозного оперона
5. Транскрипция у эукариот
6. Биосинтез белка. Трансляция
3.
1.Геномный и хромосомныйуровни организации
наследственного материала
4.
УРОВНИ ОРГАНИЗАЦИИНАСЛЕДСТВЕННОГО
МАТЕРИАЛА
ГЕННЫЙ
ХРОМОСОМНЫЙ
ГЕНОМНЫЙ
5.
Геном - совокупность наследственногоматериала в гаплоидном наборе хромосом
клеток организмов соответствующего
биологического вида
геном
хромосома
ГЕН
ГЕН
dic.academic.ru
6.
Геном- эволюционно «проработан»
- эволюционно отобран
- видоспецифичен
- сбалансирован
7.
ЭВОЛЮЦИЯ ГЕНОМАПРОКАРИОТЫ
Уменьшение
размеров генома
Увеличение
интенсивности
размножения
Быстрая смена поколений
ЭУКАРИОТЫ
нарастающее увеличение количества
ДНК
Полиплоидизация
Амплификация
нуклеотидных
последовательностей
8.
Геномwww.broadinstitute.org
9.
ГеномКак и у всех бактерий, геном вольбахии
состоит из единственной хромосомы —
кольцевой молекулы ДНК
(изображение с сайта biology.plosjournals.org)
Митохондриальный геном
10.
ГЕНОМЯдерный
совокупность наследственного
материала в гаплоидном наборе
хромосом
Митохондриальный
Размер – 16500 пн
В состав входит 37
генов, которые
отвечают за рРНК,
тРНК
передается по материнской линии и
обладает достаточной
самостоятельностью, но структура
митохондриальных белков образуется
при участии ядерного генома
11. Физический размер генома
Прокариоты - до 8*106 п.н.Эукариоты 106 - 1011 п.н.
Человек 3,3*109
кишечная палочка 4*106
Дрозофила 1,4*108
12.
В 1984 г. было положено начало работ по полномусеквенированию
(определению нуклеотидной последовательности)
генома человека.
13.
2006 г. - секвенирована последняя впроекте самая большая, первая хромосома
2012 г. - любой человек может
произвести определение
нуклеотидной последовательности
своего генома
14.
Развитие представлений о хромосомахчеловека
70-е
годы XIX
века
О. Гертвиг ,
В. Флемминг
описали окрашиваемые нитевидные
структуры в ядрах клеток эукариот
1879 г.
Дж. Арнольд
первая визуализация хромосом
человека
1888 г.
В. Вальдейер
1896 г.
Э. Вильсон
1904 г.
В. Сеттон,
Т. Бовери
ввел понятие
ХРОМОСОМЫ
(chroмa –цвет; soma – тело)
«Клетка, ее роль в наследственности
и развитии» - заложены основы
современной клеточной биологии и
цитогенетики
гипотеза о связи хромосом с
элементами наследственности
15. НОМЕНКЛАТУРА ХРОМОСОМ ЧЕЛОВЕКА
Денверская конференция (1960 г.) – предложенасистема описания хромосом
Лондонская конференция (1963 г.) – официально
введено разделение хромосом на 7 морфологических
групп (A – G)
V Международный конгресс по генетике человека
(Мехико, 1972 г.) – появление первой официальной
номенклатуры хромосом человека «An International System for Human
Cytogenetic Nomenclature» (ISCN, 1978)
16.
ЦЕНТРОМЕРАЦЕНТРОМЕРА
МЕТАЦЕНТРИЧЕСКАЯ
СУБМЕТАЦЕНТРИЧЕСКАЯ
ЦЕНТРОМЕРА
спутник
ЦЕНТРОМЕРА
ОЧЕНЬ СУБМЕТАЦЕНТРИЧЕСКАЯ
спутничная
нить
АКРОЦЕНТРИЧЕСКАЯ
17.
Группа Хромосомы ОписаниеБольшие, метацентрические,
A
1–3
равноплечие
B
4,5
Большие, субметацентрические, плечи
сильно отличются по размеру
C
6–12,X
Среднего размера; субметацентрические
D
13–15
Среднего размера; акроцентрические, со
спутниками
E
16–18
Маленькие; 16 хромосома метацентрческая, хромосомы 17 и 18 субметацентрические
F
19,20
Маленькие; метацентрические
G
21,22,
Y
Маленькие; акроцентрические, со
спутниками
Маленькая; акроцентрическая, без
спутников
Аутосомы нумеруются от больших к меньшим, кроме хромосомы 21,
которая меньше чем хромосома 22.
18.
Окраска азотнокислымсеребром Ag-NOR
GTG -окраска
C -окраска
Q -окраска
19.
2. Генный уровеньорганизации
наследственного
материала
20.
Генный уровень организации наследственногоматериала
Ген – единица наследственности и
изменчивости, определяющая развитие какоголибо признака организма.
Ген - это участок молекулы ДНК, в котором
закодирована информация о синтезе
определенного полипептида или
нуклеиновой кислоты.
21.
Историческое развитие концепции генаВ. Иогансен
1909 г.
понятие «ген»
А. Вейсман,
У. Бэтсон
начало XX в.
стабильность, неизменяемость,
неделимость генов
Дж. Бидл и
Э. Татум
1945 г.
гипотеза: «Один ген – один
фермент»
С. Бензер
конец 1950-х
гг.
ген - дискретная единица
Минимальные размеры мутона
и рекона равны одной паре
нуклеотидов
Ф. Крик
1958 г
«центральная догма
молекулярной биологии»
22.
Дискретность гена заключаетсяв наличии у него субъединиц.
мутон
единица изменчивости
гена или единица
мутации
рекон
единица рекомбинации
Элементарная структурная единица - пара нуклеотидов,
функциональной единица – кодон – триплет нуклеотидов
23.
МУТОН - минимальное количествонаследственного материала, способного
изменяться и приводить к появлению
новых вариантов признака.
Мутон – это элементарная единица
мутационного процесса.
24.
Ген - фрагмент молекулы ДНК,транскрибирующийся
в
виде
молекулы РНК, которая кодирует
аминокислотную последовательность
пептида или имеет самостоятельное
значение (тРНК и рРНК).
25.
Материальным субстратомнаследственности и изменчивости
являются нуклеиновые кислоты в
большинстве - это ДНК.
26.
Строение ДНКСтруктура молекулы ДНК была расшифрована в 1953 г.
Джеймсом Уотсоном,
Френсисом Криком,
Морисом Уилкинсом
/
Нобелевская премия
по физиологии и медицине 1962 г.
Ф. Крик и Д. Уотсон
Ф. Крик и Д. Уотсон возле модели ДНК
http://www.diletant.ru/articles/13604722
26
27. Строение ДНК
ДНК представляет собой двуспиральнуюантипараллельную комплементарную структуру.
http://serebniti.ru/forum/viewtopic.php?f=14&t=457&start=180&view=print
27
28. Строение ДНК и РНК
http://www.alliot.fr/bio.shtml.fr28
29. Строение ДНК и РНК
Отличия РНК от ДНК:1) вместо дезоксирибозы в состав нуклеотидов РНК входит
пятиуглеродный сахар — рибоза;
2) вместо азотистого основания тимина – урацил;
3) молекула РНК обычно представлена одной цепочкой (у некоторых
вирусов – двумя);
4) молекулы ДНК могут быть кольцевыми (прокариоты) и линейными,
РНК – линейные, либо тРНК – форма клеверного листа
Признак
ДНК
РНК
САХАР
дезоксирибоза
рибоза
АЗОТИСТЫЕ
ОСНОВАНИЯ
АТГЦ
АУГЦ
КОЛ-ВО ЦЕПЕЙ В
МОЛЕКУЛЕ
99,99% двойная спираль
99,99% одноцепочечная
ФОРМА МОЛЕКУЛЫ
Большинство
двуцепочечные –
линейные, часть кольцевые
Линейные молекулы или
в форме клеверного листа
29
30. Типы РНК
http://harunyahya.com/en/Books/9642/if-darwin-had-known-about/chapter/467830
31. Репликация ДНК
Репликация молекулы ДНК – это процесс образованияидентичных копий ДНК, осуществляемый комплексом ферментов
и структурных белков.
Репликация ДНК лежит в основе:
• Воспроизведения генетической информации при размножении
живых организмов
• Передачи наследственных свойств из поколения в поколение
• Развития многоклеточного организма из зиготы
http://volgadog.ru/viewtopic.php?id=4260
31
32. Репликация ДНК
Участок молекулы ДНК от точки началаодной репликации до точки начала другой
называется репликоном.
Бактериальная хромосома
содержит один репликон.
dartideas.ru
http://www.rusdocs.com/replikaciya-dnk-i-kletochnoe-delenie
33. Репликация ДНК
Эукариотическая хромосома содержит много репликонов.Репликация ДНК эукариотической хромосомы. Показан один из многих
репликонов. Репликативные вилки движутся в противоположных
направлениях от точки начала репликации
Каждая эукариотическая хромосома полирепликон
http://www.vitaeauct.narod.ru/005/grnt/2600.htm
33
http://elementy.ru/news/431163 http://groh.ru/gro/lewin/levin38.html
34. Репликация ДНК
В процессе репликации ДНК выделяют фазы:• – инициации
(начало),
• – элонгации
(удлинение),
• – терминации (завершение)
http://distant-lessons.ru/lekcii-po-biologii/ximicheskij-sostav-kletki/nukleinovyekisloty/dnk
34
35. Репликация ДНК
ДНКполимеразаДНКлигаза
ДНКпраймаза
РНКпраймер
Лидирующая
цепь
Фрагменты
Оказаки
Запаздывающая
цепь
Топоизомераза
ДНК-полимераза
Геликаза
Одиночная цепь со
связанными белками
dna.microbiologyguide.com
35
36.
Лидирующаяцепь
Стабилизирующие
белки (SSB белки)
Топоизомераза
ДНКполимераза
ДНКпраймаза
Родительская
цепь
РНК-праймер
ДНК-геликаза
Запаздывающая цепь
http://www.pdbj.org/eprots/index_en.cgi?PDB%3A3BEP
36
37.
ПрямаяНепрямая
Репарация
ДНК
Дорепликативная
Пострепликативная
сопровождает
репликацию
ДНК
затрагивает уже
образованные
биспирали ДНК
фотореакт
ивация
Световая
Темновая
37
38. Заболевания, обусловленные дефектами системы репарации
Пигментная ксеродермаНарушена эксцизионная репарация.
Клинические проявления:
- дерматозы под действием солнечного света
-
рак кожи
неврологические нарушения
дефекты роста и развития
преждевременное старение различных систем
38
39. Заболевания, обусловленные дефектами системы репарации
Синдром БлумаПодавлен репаративный синтез.
Дефект ДНК-хеликазы.
Высокая частота хромосомных аберраций.
Клинические проявления:
- задержка роста и развития
- нарушения иммунной системы
- предрасположенность к раковым заболеваниям
- предрасположенность к инфекционным
заболеваниям
- свето-индуцируемое поражение капилляров кожи
39
40.
Фукционально-генетическаяклассификация генов
по месту локализации
ядерные гены
по функциональному значению
гены
структурные гены
регуляторные гены
гены
регуляторные
цитоплазматические гены
гены, обеспечивающие
эмбриогенез
гены, решающие задачи
экологического характера
гены «социального»
контроля
генымодуляторы
гены,
контролирую
щие работу
структурных
генов
гены, определяющие
развитие организма
сервисные
гены
конценсусные
гены
гены-господа
гены-рабы
41.
Уникальныепоследовательности
нуклеотидов
(15-98% генома)
входят в состав структурных генов,
дают информацию о первичной структуре
специфических белков
содержат
экзоны
интроны.
http://helpiks.org/3-78132.html
42.
Многократноповторяющиеся
последовательности
нуклеотидов
функции
являются промоторами
участвуют в кроссинговере
регулируют репликацию молекул ДНК
отделяют экзоны и интроны
43.
ГЕНЫфункционирующие
во всех клетках
специфичные для
одного типа клеток
= гены
«домашнего хозяйства»
= «гены роскоши»
функционирующие в
клетках одной ткани
= «гены роскоши»
44.
3. Биосинтез белка. Транскрипция45. Транскрипция – процесс синтеза и-РНК для последующего производства белка
Фермент РНК-полимераза(зеленые комки)
ползет по молекуле ДНК
(скрученный тяж) и «считывает» ее,
синтезируя молекулу РНК
(разноцветная лента).
В молекуле РНК интроны показаны
серым, экзоны — яркими цветами.
Вырезанные фрагменты РНК
уплывают вдаль, облепленные
разнообразными полупрозрачными
РНК-связывающими белками.
Рис. © Graham T. Johnson. с сайта www.hhmi.org
45
46. Стадии и ферменты транскрипции
Транскрипция – биосинтез одноцепочечной молекулы РНК наматрице ДНК:
1. Синтез молекул РНК идет в направлении 5'–3';
считывание матричной ДНК идет в направлении 3'–5‘
2. Для каждого гена одна из цепей ДНК кодирующая,
то есть, каждая молекула РНК считывается только с
одной цепи ДНК.
3. Разные гены могут считываться с противоположных
цепей ДНК
4. Синтезированная молекула РНК идентична
кодирующей цепи ДНК
(кроме замены основания тимин на урацил)
http://www.alliot.fr/bio.shtml.fr
46
47.
Транскрипция – матричный процесс, в котором выделяют стадииинициации, элонгации и терминации
Стадии транскрипции
Стадии транскрипции
ИНИЦИАЦИЯ
(самая медленная стадия)
промотор
ЭЛОНГАЦИЯ
(самая длительная стадия)
ТЕРМИНАЦИЯ
(самая короткая стадия)
терминатор
Процессы, происходящие на
стадиях транскрипции
1. Связывание РНК-полимеразы с ДНК
2. Расплетание ДНК на участке 10-20
нуклеотидов
3. Формирование первых
фосфодиэфирных связей
Удлинение цепи РНК
1. Остановка синтеза РНК
2. Распад тройного комплекса
ДНК----РНК-полимераза-----РНК
47
48.
ПРОКАРИОТЫ: структура генаДНК
ТРАНСКРИПЦИЯ
мРНК
трансляция
БЕЛОК
Структура генов прокариот очень проста:
есть начало, есть конец, получается мРНК, которая имеет
начало и конец, идет транскрипция, трансляция и белок.
mipt.ru
49.
ЭУКАРИОТЫ: структура генаДНК
ТРАНСКРИПЦИЯ
премРНК
СПЛАЙСИНГ
мРНК
трансляция
белок
У эукариот структура гена сложнее. Из длинной мРНК удаляются (вырезаются)
интроны (insertion sequences, вставочные последовательности), а оставшиеся
экзоны сшиваются в единую нить. Из пре-мРНК получается зрелая мРНК,
процесс называется сплайсингом. Потом происходит трансляция зрелой мРНК,
mipt.ru
в результате образуется белок.
50.
4. Регуляция транскрипции упрокариот.
Схема работы лактозного
оперона.
51.
Регуляция транскрипции упрокариот
Схема регуляции транскрипции у
прокариот (гипотеза оперона)
была предложена
Ф. Жакобом и Ж. Моно в 1961 г.
на примере лактозного оперона
для объяснения регуляция генов у
E. coli
(Нобелевская премия по физиологии и медицине, 1965 г.).
Оперон (=транскриптон) – группа тесно сцепленных генов,
находящихся под контролем общего промотора и трнаскрибируемых
как единая иРНК.
Оперон – группа структурных генов управляемых одним геномоператором.
В прокариотической клетке наследственный материал и аппарат
биосинтеза белка пространственно не разобщены, поэтому
транскрипция и трансляция происходят почти одновременно.
52. Регуляция транскрипции у прокариот
Лактозный оперон включает:1.Промотор
2.Инициатор
3.Ген-оператор
4.Структурные гены
5.Терминатор
Ген-регулятор не является частью оперона, он активен
постоянно и на основе его информации через и-РНК
синтезируется особый белок-репрессор.
Белок-репрессор связывается индуктором.
Индуктор – вещество, инициирующее синтез фермента,
который его разлагает.
52
53.
Функциональные гены – регулируютпроцесс считывания информации:
Оператор – определяет время, с которого
начинается транскрипция
Промотор –участок ДНК, включает 80-90 нп.
Способен связываться с ДНК – зависимой РНК
– полимеразой.
Полимераза узнает участок блок Прибнова
или Хогнесса.
В этом месте ДНК плотно не упаковывается.
Промотор определяет место, с которого
начинается транскрипция
54. Схема работы лактозного оперона
Оперон работает54
55. Регуляция транскрипции у прокариот
Негативная регуляция - белокрепрессор блокирует оператор, когданет необходимости в экспрессии.
Позитивная регуляция оперона
состоит в индукции транскрипции
путем добавления в среду сахара –
лактозы.
56.
5. Транскрипция у эукариот56
57.
Схема регуляциитранскрипции у эукариот
разработана
Георгием Павловичем
Георгиевым (1972 г.) и
получила название
гипотезы транскриптона
Единица транскрипции у эукариот также
транскриптон
Принцип регуляции (обратная связь) сохраняется, но
механизмы ее более сложные.
58. Транскрипция у эукариот
Транскриптон состоит из неинформативной (акцепторной) иинформативной (структурной) зон.
Неинформативная зона начинается промотором с инициатором.
Далее следует группа генов-операторов, за которым
расположена информативная часть.
Информативная зона образована структурным геном, разделенным
на экзоны и интроны.
Заканчивается транскриптон терминатором.
58
59. Процессинг первичных транскриптов
Процессинг (созревание) РНК – совокупность биохимическихреакций, в результате которых происходит модификация преРНК с образованием зрелых молекул РНК: структурная
(уменьшается
молекулярная
масса) и
химическая.
59
60. Процессинг первичных транскриптов
ПРОЦЕССИНГhttp://rpp.nashaucheba.ru/docs/index-102487.html
60
61.
СПЛАЙСИНГДНК
ТРАНСКРИПЦИЯ
премРНК
СПЛАЙСИНГ
мРНК
трансляция
белок
Это процесс сшивания (сращивания) кодирующих
последовательностей (интронов) из молекулы-предшественника
матричной РНК.
mipt.ru
62. Альтернативный сплайсинг
1. обеспечивает кодирование одним геномразличных структурно и функционально
различающихся полипептидов, то есть, один
ген обеспечивает образование изоформ белка,
специфичных для различных конкретных
тканей;
2. является эффективным и экономичным
способом кодирования множества различных
белков ограниченным числом нуклеотидов;
3. служит одним из механизмов порождения
белкового разнообразия у высших эукариот;
62
63.
мРНК амилазы печенимРНК амилазы слюнной железы
Альтернативный сплайсинг :
образование двух мРНК амилазы
на одном мозаичном гене мыши
http://www.biospsma.spb.ru/SZGMU_SITE/TL_Abstracts
_of_lectures/Structure_and_function_of_the_gene.html
64.
6. Биосинтез белка. Трансляция65.
Биосинтез белков:1.Наиболее сложный из генетических
процессов;
2.Наиболее энергоемкий процесс;
3.Протекает с высокой скоростью
(при 37˚ белок из 100 аминокислотных остатков синтезируется E. coli
за 5 секунд)
В 2009 году В. Рамакришнан
(Великобритания), Т. Стейтс (США) и А.
Йонат (Израиль) получили
Нобелевскую премию
"за исследования структуры и функции
рибосомы".
65
66.
Собственно трансляцияосуществляется рибосомой –
белоксинтезирующей машиной
30S
50S
1
2
Трехмерная модель рибосомы:
1-большая субчастица,
2 – малая субчастица
67. Рибосома:
1. химически – рибонуклеопротеид,2. физически – компактная частица, диаметром
около 30 нм,
3. функционально – молекулярная машина,
протягивающая вдоль себя мРНК, считывающая
закодированную в мРНК генетическую информацию и
синтезирующая полинуклеотидную цепь.
67
68. Строение рибосомы
РибосомаКоэффициент
седиментации рибосомы
Прокариотическая рибосома
Большая субчастица
Коэффициент
седиментации рибосомы
Количество белков
белков,
70S
Малая субчастица
50S
30S
21 белок
34 молекулы
Эукариотическая рибосома
Большая
субчастица
60S
80S
Малая субчастица
40S
не менее 50 разных не менее 33 разных
белков
белков
из них 31 разные
Покинув ядро клетки, РНК несет
генетическую депешу к огромному
молекулярному комплексу - рибосоме.
Здесь происходит трансляция - перевод
генетического кода в структуру белковых
молекул. Рибосома, двигаясь вдоль
цепочки РНК (синяя), считывает код и
добавляет к растущей молекуле белка
(желтая) соответствующие аминокислоты.
Фото: SPL/EAST NEWS
68
69.
Полирибосомы (полисомы)– синтезирующие белок
внутриклеточные
комплексы, каждый из
которых состоит из
молекулы мРНК и многих
связанных с ней рибосом.
69
70. Синтез белков молекулой РНК
http://nnm.ru/blogs/rab44/70
71. Трансляция
Трансляция – матричный процесс, включающий в себяопределенные стадии в определенной
последовательности:
инициация, элонгация, терминация.
http://www.alliot.fr/bio.shtml.fr
71
72.
Трансляция – матричный процесс, включающий в себяопределенные стадии в определенной
последовательности.
ИНИЦИАЦИЯ
ЭЛОНГАЦИЯ
ТЕРМИНАЦИЯ
73.
Различия трансляции у про- и эукариотнаблюдаются по:
1. размеру и коэффициенту седиментации
рибосом;
2. способности присоединяться к иРНК;
3. механизму выбора старт-кодона;
4. формату белкового синтеза
74. Болезни, вызываемые неправильно собранными белками
МуковисцидозБолезнь Хантингтона
Болезнь
Альцгеймера
Болезнь Крейцфельда-Якоба
75.
Посттрансляционныеизменения белков:
фолдинг,
транспорт и
деградация белков
76.
Посттрансляционная модификация белков –это изменение первичной структуры
полипептидной цепи после завершения ее синтеза
рибосомами; то есть, это химические
превращения, изменяющие ковалентную структуру
полипептидной цепи.
Особенности:
1. Катализируется специфическими ферментами;
2. Может происходить во время синтеза полипептидной цепи и после
окончания синтеза;
3. Нематричные процессы, отсюда – образование множественных
форм белков;
4. Некоторые реакции характерны для очень многих белков, а
некоторые – для отдельных белков;
4. Более 5% генов в геноме в геноме человека кодируют ферменты,
участвующие в пострансляционной модификации белков.
77.
Фолдинг белков – процесс, при которомбелок принимает характерную для его
функционирования пространственную
структуру (нативное состояние).
Переход первичной структуры
полипептида в третичную структуру
78. Факторы и ферменты фолдинга
Факторами фолдинга являются молекулярные шапероны и шаперонины.(шапероны (дуэньи) — дамы пожилого
возраста, сопровождающие девушку на балах)
Шаперон — белковая машина,
помогающая другим белкам
приобрести правильную
пространственную конформацию.
Шапероны часто
называют «белками
теплового шока».
белок - GroEL
78
79.
ШаперониныШаперонины представляют собой
сложные белки, состоящие из
большого количества субъединиц.
Они похожи на стаканчик с полостью
внутри.
В эту полость помещается
принесенная шаперонами
полипептидная цепь, после чего
«стаканчик» закрывается
«крышечкой».
Попавшая внутрь шаперонина
молекула оказывается полностью
изолированной и получает
возможность без помех осуществить
стадию медленного сворачивания.
http://sov.opredelim.com/docs/136900/index-3147.html
80.
Убиквитин – «черная метка»3D-молекула убиквитина
Молекулы убиквитина (оранжевые и розовые)
присоединены к белку Src (голубой),
направляя его к деградации
81.
«Поцелуй смерти» – именно так израильскиеученые Арон Чехановер и Аврам Гершко, а также
Ирвин Роуз из США назвали свою работу,
посвященную белку убиквитину.
В 2004 г. за исследование роли убиквитина в клеточной
системе деградации белков в протеасомах ученые получили
Нобелевскую премию по химии.
http://www.ecolife.ru/zhurnal/articles/9413/