Введение в молекулярную биологию

1. МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ

МАКАРЕВИЧ ЕЛЕНА ВИКТОРОВНА

2.

•СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
•Албертс Б., Брей Д., Льюис Дж., Рэфф М., Роберте К., Уотсон Дж. Молекулярная биология клетки: В 3 т. 2-е
изд., перераб. и доп. Пер. с англ. - М.: Мир, 1994. Т. 1-3.
•Агол В.И. и др. Молекулярная биология. Структура и биосинтез нуклеиновых кислот / Под ред. А.С.Спирина:М.: Высшая школа, 1990.
•Глик Б., Пастернак Дж. Молекулярная биотехнология. Принципы и применение/ Под ред. Н.К. Янковского: - М.
2002.
•Зенгбуш П. Молекулярная и клеточная биология: - М. 1983.
•Кларк Д., Рассел Л. Молекулярная биология: простой и занимательный подход: - М. 2004.
•Коничев А.С., Севастьянова Г.А. Молекулярная биология: - М. 2003.
•Коничев А.С., Севастьянова Г.А.. Биохимия и молекулярная биология. Словарь терминов:- М.:
Дрофа. 2008.
•Мушкамбаров Н.Н., Кузнецов С.Л. Молекулярная биология: - М. 2003.
•Рис Э , Стенберг М. Введение в молекулярную биологию. От клеток к атомам: - М.: Мир, 2002.
•Спирин А.С. Молекулярная биология. Структура рибосомы и биосинтез белка:- М.: Высшая школа,
1986.
• Фаллер Д.Б., Шильде Д. Молекулярная биология клетки: - М. 2006.
•Ченцов Ю.С. Введение в клеточную биологию: - М.: ИКЦ «Академкнига», 2004.
•Эллиот В., Эллиот Д. Биохимия и молекулярная биология/ Под ред. А.И. Арчакова.. М.П. Кирпичникова, А.Е.
Медведева, В.П. Скулачева: - М. 2002.
•Льюин Б. Гены:- М.: Мир, 1987.
•Грин П., Стаут У., Тейлор Д. Биология: В 3 т. М.: Мир, 1990. Т. 1. -367с.
•Гринстейн Б., Гринстейн А. Наглядная биохимия: Пер. с англ. -М.: Гэотар Медицина, 2000. - 119с.
•Геннис Р. Биомембраны. Молекулярная структура и функции: Пер. с англ. - М.: Мир, 1997. - 622 с.
•УотсонД. Молекулярная биология гена:- М.: Мир, 1978.
•Р.Б. Хесин. Непостоянство генома:- М.: Мир, 1984.
•Комов В.П., Шведова В.Н. Биохимия: - М. 2004.

3.

Mолекулярная биология - это наука о механизмах хранения,
воспроизведения, передачи и реализации генетической
информации, о структуре и функциях нерегулярных
биополимеров - нуклеиновых кислот и белков.
Молекулярная биология исторически появилась как раздел
биохимии. Вычленение молекулярной биологии из биохимии
продиктовано расхождением задач и методов этих наук.
Внимание биохимии сосредоточено на превращениях,
затрагивающих основные химические связи.
Решающую роль к изучению живого с точки зрения
молекулярной биологии имеют взаимное расположение
атомов и их группировок в общей структуре макромолекулы,
их пространственные взаимоотношения

4.

БИОХИМИЯ
МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ
Изучаемые структуры (объекты)
Основные химические связи в молекулах и
их превращения
Объемные структуры молекул
биополимеров, благодаря которым они
приобретают те свойства, в силу которых
они оказываются способными служить
материальной основой биологических
функций
Конечный результат исследования
Система химических уравнений,
полностью исчерпываемая их
изображением на плоскости.
Толкование биологических функций в
понятиях молекулярной структуры.
.
«Ответ на вопрос»
«Что», - какие вещества присутствуют
«Где» - в каких тканях и органах
«Как» - выяснение роли и участия всей
структуры молекулы
«Почему» - раскрытие связи между
свойствами молекулы и осуществляемыми
ею функциями
«Зачем» - определение роли отдельных
функций в общем комплексе проявлений
жизнедеятельности

5.

совокупность явлений жизни - результат сочетания трех
потоков:
• потока материи, находящего свое выражение в
явлениях обмена веществ, т. е. ассимиляции и
диссимиляции;
• потока энергии, являющейся движущей силой для
всех проявлений жизнедеятельности;
• потока информации, пронизывающего собой не
только все многообразие процессов развития и
существования каждого организма, но и непрерывную
череду сменяющих друг друга поколений.

6.

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 физикохимическом плане тогда еще не знали.

7.

2. Второй романтический период 1944-1953гг.
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.

8.

3. Догматический период 1953-1962гг.
Сформулирована
центральная
молекулярной биологии:
Перенос генетической информации
направлении
догма
идет
в
В 1962 г. был расшифрован генетический код.
4. Академический период с 1962г. по настоящее
время, в котором с 1974 года выделяют генноинженерный подпериод.

9.

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.

10.

Определение: 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.

11.

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.
именно ДНК выполняет генетическую функцию - несет информацию как о
создании новых копий ДНК, так и о синтезе фаговых белков.

12.

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.

13.

Основные достижения молекулярной биологии
и генной инженерии
Дата
1944
1953
1953
1957
Событие
Эвери, МакЛеод и МакКарти показали, что генетический
материал представляет собой ДНК
Уотсон и Крик определили структуру молекулы ДНК
Учрежден журнал «Journal of Molecular Biology»
Френкель-Конрат установил, что не только ДНК, но и РНК может
служить носителем генетической информации"
1961–
1966
Расшифрован генетический код
1967
А.С. Спирин продемонстрировал, что форма компактно
свернутой РНК
определяет морфологию рибосомальной
частицы

14.

1968
Оказаки обнаружила фрагмент ДНК отстающей цепи при
репликации
1969
Впервые синтезирован фермент
1970
Выделена первая рестрикцирующая эндонуклеаза
1970
Ховард Темин и Дэвид Балтимор обнаружили обратную
траскриптазу у онкогенных вирусов
1972
Корана и др. синтезировали полноразмерный ген тРНК
1973
Пол Берг, Герберт Боер и Стенли Коэн получили рекомбинантную
ДНК
1975
Колер и Мильштейн описали получение моноклональных антител
1976
Изданы первые руководства, регламентирующие работы с
рекомбинантными ДНК

15.

1976
1976
1978
1980
1981
1981
1981
Фредерик Сэнгер, Аллан Максам
и Уолтер Гилберт
разработали
методы
определения
нуклеотидной
последовательности ДНК
Фредерик
Сэнгер
расшифровал
нуклеотидную
последовательность ДНК фага φХ174 длиной 5375
нуклеотидных последовательностей
Фирма
Genentech
выпустила
человеческий
инсулин,
полученный с помощью E. coli
Верховный суд США, слушая дело Даймонд против
Чакрабарти, вынес вердикт, что микроорганизмы, полученные
генноинженерными методами, могут быть запатентованы
Серповидноклеточная анемия становиться первой генетической
болезнью, диагностируемой с помощью анализатора ДНК
Создано первое трансгенное животное (мышь)
Разрешен к применению в США первый диагностический
набор моноклональных антител

16.

1982
1983
1984
1986
1987
1988
1990
1990
Разрешена к применению в Европе первая вакцина для животных,
полученная по технологии рекомбинантных ДНК
Т. Чек и С. Олтман открыли каталитическую функцию РНК,
каталитические РНК были названы рибозимами
Разработана технология применения анализа ДНК для
идентификации человека, с 1985 года она используется в работе
правоохранительных органов
Впервые с помощью генной инженерии создана вакцина (гепатит
В) и первое лекарство против рака (интерферон)
Первые полевые испытания генетически модифицированных
сельскохозяйственных растений (помидор, устойчивый к
вирусным заболеваниям)
Создан метод полимеразной цепной реакции (ПЦР)
В США утвержден план испытаний генной терапии с
использованием соматических клеток человека
Разработан метод получения синтетических функцианально
активных РНК (искусственные рибозимы)

17.

Показана возможность существования, роста и амплификации
1990-1993
молекул РНК в форме колоний на твердых средах
1993
Генетически измененные продукты допущены на прилавки
магазинов мира. Практически сразу начинается международная
кампания, требующая их запрещения
1994–1995
Опубликованы подробные генетические и физические карты
хромосом человека.
1996
Определена нуклеотидная последовательность всех хромосом
Saccharomyces cerevisiae
1997
Клонировано
млекопитающее
из
дифференцированной
соматической клетки – знаменитая шотландская «овечка Долли»
1998
Открыт
механизм
РНК-интерференции
способность
двухцепочечной РНК к специфическому подавлению экспрессии
гена. Это явление на практике используется для «выключения»
отдельных генов .

18.

Методы молекулярной биологии
Седиментационный анализ
Световая микроскопия
Электронная микроскопия
Дифракция рентгеновских лучей на волокнах
Рентгеновская кристаллография
Хроматография
Метод гель-электрофореза
Блоттинг.
Гибридизация
Метод секвенирования
Метод полимеразной цепной реакции (ПЦР)
Химико-ферментативный синтез генов
Биологические методы

19.

ОБЪЕКТЫ МОЛЕКУЛЯРНОЙ БИОЛОГИИ
Отличительная черта молекулярной биологии - изучение
явлений жизни на неживых объектах или таких, которым
присущи самые примитивные проявления жизни.
1) биологические образования от клеточного уровня и
ниже: субклеточные органеллы, изолированные клеточные
ядра, митохондрии, рибосомы, хромосомы, клеточные
мембраны;
2) системы, стоящие на границе живой и неживой природы,
— вирусы, в том числе и бактериофаги
3) молекулы важнейших компонентов живой материи —
белки, липиды, нуклеиновые кислот.

20.

Органелла или
фракция
Плазматическая
мембрана
Ферментные маркер
Основные функции
Na+,K+-АТФаза
5-нуклеотидаза
Цитозоль
Лактатдегидрогеназа
Цитоскелет
нет
Лизосома
Митохондрия
Кислая фосфатаза
Глутаматдегидро-геназа
Пероскисома
Каталаза
Оксидаза мочевой кислоты
Ядро
ДНК
Рибосома
РНК
Транспорт молекул в клетку и из нее Образование
межклеточных контактов
Межклеточная сигнализация
Гликолиз Глюконеогенез
Синтез жирных кислот Передача межклеточных сигналов
Внутриклеточный транспорт (микротрубочки)
Образование межклеточных контактов (микрофиламенты,
промежуточные филаменты) Деление клетки
(микротрубочки)Подвижность клетки (микрофиламенты,
микротрубочки)
Гидролитический распад полимеров
β-окисление жирных кислот (14-18) Цикл трикарбоновых
кислот
Окислительное фосфорилирование
β-окисление жирных кислот ( >18) Разрушение аминокислот
Разрушение ксенобиотиков Образование и распад перекиси
водорода
Место расположения хромосом
Место ДНК-направляемого синтеза РНК (транскрипция)
Место синтеза внутриклеточных белков (трансляция)
Эндоплазмати-ческий
ретикулум
Глюкозо-6-фосфатаза
Аппарат Гольджи
Галактозил-трансфераза
Гранулярный ЭПР - место синтеза секретируемых и
мембранных белков (трансляция),
Процессинг белков Синтез липидов Окисление ксенобиотиков
Внутриклеточная сортировка белков
Реакции гликозилирования Реакции сульфирования