Молекулярная биология клетки. Основные концепции современной молекулярной биологии

1.

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

2.

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" ).

3.

Лекция 2.
Структура ДНК и её воспроизведение
•из чего состоят нуклеотиды и как они объединяются в
цепочку ДНК; Формы 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.
•и конечно немного истории…

4. ? из зала сколько пар нуклеотидов в одном гене?

Срочно в номер …Новые дебаты!
«Спустя пятнадцать лет после
того, как геном человека был
секвенирован, исследователи
все еще не могут договориться о
том, сколько генов он содержит »

5. Размер генома

http://www.bibliotekar.ru/llDNK2.htm
https://laba.media/materials/geneticheskaia-laboratornaia-2019-metodichka
Вид
Размер генома,
пары
нуклеотидов,
п.н.
Кол-во генов, шт. Средний размер
одного гена, п.н.
Человек
3.3 Gb
30-40 тыс.
3 Млрд
20-30 тыс.
50 тыс.
Высокая вариабельность размера одного гена:
20 п.н. – ген эндорфина (удовольствие)
700 п.н. – ген интерферона (защита)
2.5 млн. п.н. – ген мышечного белка (движение)

6.

https://laba.media
Сколько генов в геноме человека?
Ответ - 20 тысяч. Это только оценка, но по порядку величины –
20 тысяч генов на сегодня считается наиболее близким к
действительности значением.
Наша оценка количества генов зависит от определения гена.
1) По определению Гуттмана, Гриффитса, Сузуки и Куллиса,
ген – это отрезок ДНК, ответственный за производство
отдельного вида белка. Тогда генов около 20 000 шт.
2) Если мы к ним добавим второе определение – гены,
кодирующие РНК ( (независимо от того, транслируется ли она в
белок), оценку нужно будет увеличить. Но порядок останется
тот же.

7.

Базы данных генов, функциональным продуктом которых
являются РНК, резко выросли за десятилетие,
и текущие каталоги генов человека теперь содержат
больше генов, кодирующих РНК, чем белки.
https://biomolecula.ru/articles/skolko-u-nas-genov

8.

9. Первая рентгенограмма молекулы ДНК

В 1950 г. получена
рентгенограмма ДНК.
Нуклеотиды
располагаются друг от
друга на расстоянии
0.34 нм, а на одном
витке спирали их 10.
Один виток составлял
Морис Уилкинс 3,4 нм, а диаметре
Рентгенограмма волокон
(1916-2004)
молекулы ДНК
ДНК кишечной палочки,
https://indicator.ru/medic составлял 2 нм.
полученная М. Уилкинсом
ine/moris-uilkins.htm

10.

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

11. В-семейство ДНК

В-ДНК
наиболее
часто
встречается in vivo и
характеризуется наличием
большой и малой бороздок.

12.

В-семейство ДНК
С-ДНК имеет структуру, сходную с В-ДНК. Пары
оснований наклонены на отрицательный угол 8 град.
относительно перпендикулярного к оси положения,
поэтому расстояние между нуклеотидами вдоль оси
спирали несколько меньше, чем в В-ДНК.
D-ДНК - по сравнению с B-ДНК эта спираль закручена
сильнее.
Т-ДНК
- фрагмент ДНК Ti-плазмиды или Riплазмиды, содержащий 7 генов. Внедряется в
ядерный геном клетки-хозяина при индукции
Agrobacterium - опухоли (корончатого галла) у
растения.

13.

Ti-плазмида
(от англ. tumor inducing — «вызывающий опухоль»)
•Вред. Бактерии, вызывающие заболевания у
растений. Agrobacterium tumefaciens, вызывает
появление галлов.
•Польза. Азотфиксирующие бактерий, вызывают
образование клубеньков на корнях бобовых
растений (например, Rhizobium). Гены
плазмиды необходимы для формирования
клубеньков и фиксации азота.
Craig Mabbett
Lutterworth Road Dunton Bassett
06 April 2016

14.

•Плазмида может обеспечить своего обладателя
новыми метаболическими путями:
сбраживать лактозу, сахарозу, выполнять
гидролиз мочевины или образовывать
сероводород.
•У Pseudomonas putida имеется плазмида pWWO, содержащая гены ряда ферментов,
которые превращают циклические углеводороды
толуол и ксилол в бензоат. Далее бензоат
разрушается до метаболитов, которые могут быть
использованы в биосинтетических процессах или
для получения энергии.
Pseudomonas putida может расти в условиях,
когда толуол является единственным
источником углерода.
Польза. Способность бактерий разлагать вредные
для окружающей среды соединения составляет
основу биоремедиации.

15. «Розалинд Франклин: забытая леди ДНК»

Английский биофизик и
учёный-рентгенограф,
Получила качественные
рентгенограммы структуры ДНК
и подготовила почву для
выводов о структуре ДНК,
сделанных Джеймсом Уотсоном
и Фрэнсисом Криком.
1920-1958 гг.

16. ?

https://indicator.ru/medicine/moris-uilkins.htm

17. Скульптура ДНК в Кембридже

https://indicator.ru/medicine/moris-uilkins.htm

18. ДНК - символ науки

«I don't have a Nobel Prize, I have the Nobel
prize»
«У меня не просто Нобелевская премия, а
та самая Нобелевская премия».
Джеймс Уотсон

19. Джеймс Уотсон, оплативший установку в Кембридже скульптуры ДНК, настоял, чтобы на её основании было написано:

•«Эти цепи расплетаются в ходе репродукции клетки. Гены
закодированы последовательностью оснований»
•«Модель двойной спирали создана благодаря работам
Розалинд Франклин и Мориса Уилкинса»
На спиралях же начертано:
•«Структура ДНК была установлена в 1953 году Фрэнсисом
Криком и Джеймсом Уотсоном, жившим здесь в Клэре»
•«Молекула ДНК имеет две спирально закрученные цепи,
которые связаны парами оснований "аденин — тимин" или
"гуанин — цитозин"»

20.

А-семейство ДНК
A-ДНК
правозакрученная
двусхпиральная молекулу ДНК. Пары
оснований в А-форме очень сильно
отодвинуты от оси спирали к
периферии молекулы. ДНК может
переходить
в
А-форму
при
пониженной относительной влажности
Биологическая роль
А-форма ДНК необходима для
образования ДНК-РНК комплексов.
А-форма образуется во время
транскрипции
и
обратной
транскрипции.
А-форма устойчивее к УФ-излучению,
споры грибов содержат именно эту
форму.

21. Z-семейство ДНК

Z-ДНК — левозакрученная
спираль.
ДНК в Z-форме характерно для
некоторых энхансеров. При
понижении
влажности,
увеличении
концентрации
солей
в
Z-форму
чаще
переходят участки молекулы,
богатые CpG-повторами.
Энхансер (англ. enhancer — усилитель, увеличитель) — участок ДНК,
который после связывания с ним факторов транскрипции стимулирует
транскрипцию с основных промоторов гена или группы генов.

22. Хромосомы с местами локализации G-квадродуплексов

Структура G-квадродуплекса
Biffi, G., et al., Nature Chemistry, 2013

23. ?

• Какую длину (в нм) будет иметь линейный
фрагмент молекулы ДНК, содержащий 200
пар нуклеотидов? Округлите ответ до целого.
• Какое обозначение используется для
наиболее распространенной структуры
молекулы ДНК?
А-форма Z-форма C-форма B-форма

24.

25. ?

Выберите верные утверждения относительно
структуры ДНК:
1) Основная форма ДНК представлена левозакрученной
спиралью;
2) В основе формирования сахарофосфатного остова лежит
образование ковалентных связей дезоксирибозы с
остатками фосфорной кислоты;
3) Мономерами цепи ДНК являются нуклеозиды;
4) На противоположных концах нити ДНК содержится
фосфатная группа (5'-конец) и свободная гидроксильная
группа (3'-конец);
5) Правило комплементарности связано с образованием
водородных связей между А-Т и Г-Ц парами нуклеотидов.

26. ?

• Вам дана последовательность ДНК:
5' ATTGCCACTG 3'
Запишите обратную комплементарную
последовательность в соответствии с правилом
записи последовательностей

27.

28. ?

• Какие процессы являются матричными:
Обратная транскрипция
Транскрипция
Трансляция
Репликация

29. Репликация вируса иммунодефицита человека в клетке

30. Механизм репликации ДНК

• После открытия Д.Уотсоном и Ф.Криком
(1953 г.) двойной спирали ДНК было
предложено несколько возможных
механизмов её репликации.

31. Механизм репликации ДНК

• Гипотеза полуконсервативной репликации
ДНК – каждая дочерняя двойная спираль ДНК
состоит из одной старой (матричной) цепи и из
одной вновь синтезированной цепи.

32. Механизм репликации ДНК

• Гипотеза консервативной репликации ДНК материнская двойная спираль как целое
выступает в качестве матрицы для синтеза
дочерней спирали, состоящей из двух новых
цепочек (большая роль гистонов в процессе
репликации).

33. Механизм репликации ДНК

• Гипотеза дисперсной репликации ДНК
(предложил Макс Дельбрюк) – для решения
проблемы раскручивания длинных дуплексов
при копировании ДНК.

34. (1957 г.)

35.

́ ия (от лат. replicatio —
Репликац
возобновление) — процесс
синтеза дочерней молекулы
Инициация
Элогнация
Терминация

36. Характеристики процесса репликации

• Матричный — последовательность синтезируемой цепи ДНК
однозначно определяется последовательностью материнской
цепи в соответствии с принципом комплементарности;
• Полуконсервативный — одна цепь молекулы ДНК,
образовавшейся в результате репликации, является вновь
синтезированной, а вторая — материнской;
• Направление от 5’-конца новой молекулы к 3’-концу;
• Полунепрерывный — одна из цепей ДНК синтезируется
непрерывно, а вторая — в виде набора отдельных коротких
фрагментов (фрагментов Оказаки);
• Начинается с определённых участков ДНК, которые
называются сайтами инициации репликации (англ. origin).

37. Почему хранитель информации ДНК?

•Наличие дезоксирибозы вместо рибозы в составе
сахарофорсфатного остова делает ДНК значительно
более устойчивой по сравнению с РНК. ДНК
выдерживает диапазон изменения pH от 2 до 10 без
потери нативной двухцепочечной структуры.
•Воздействие высокой температуры может привести к
плавлению водородных связей между азотистыми
основаниями. Этот процесс приводит к расхождению
двух нитей ДНК и называется денатурацией, однако
он обратим, и молекула легко восстанавливает
исходную двуцепочечную структуру при понижении
температуры.

38. Почему хранитель информации ДНК?

•У ДНК есть разнообразные формы. В-форма ДНК
сохраняется при выделении ДНК при высокой
влажности. При пониженной влажности, что
возможно, например, при хранении ДНК в спиртовом
растворе, может образовываться А-конформация,
представляющая собой немного иначе скрученную
спираль. На один виток в ней приходится 11 пар
оснований, участки с азотистыми основаниями не
перпендикулярны оси молекулы, а образуют угол в 70
градусов, что приводит к образованию внутри
молекулы полости. Подобная форма ДНК
обнаруживается в естественных условиях во время
транскрипции.

39. Почему хранитель информации ДНК?

• Существует особая конфигурация, называемая Zформой. В таком состоянии обычно пребывает ДНК,
обогащенная ГЦ-нуклеотидами в своём составе. Она
представляет собой левозакрученную спираль, в
отличие от А- и В-форм, На один виток такой спирали в
Z-форме приходится 12 пар оснований. Z-ДНК может
обеспечивать сверхспирализацию ДНК, что также
важно во время транскрипции.

40. Резюме

•ДНК представлена двуцепочечной правозакрученной
спиралью, существующей в организме в В-форме. На один
виток, составляющий в длину 3.4 нм, приходится 10 пар
оснований.
•В структуре молекулы ДНК выделяют конец со свободной
OH-группой (3’ конец) и конец с фосфатной группой (5’
конец). Согласно стандартным правилам записи,
последовательности ДНК представляют от 5’ конца к 3’.

41. Резюме

•Комплементарность оснований в молекуле ДНК (А-Т, Г-Ц)
обсуловлена формирванием между этими основаниями
термодинамически эффективных водородных связей.
•Между нуклеотидами А-Т образуется 2 водородные
связи, а между Г и Ц – 3. Из-за того, что в паре А-Т
образуется меньше водородных связей, то эта пара
нуклеотидов будет более подвержена разрыву, как и
цепочка обогащенная большим количеством АТ будет
расплетаться с меньшими затратами энергии.

42. Резюме

•Репликация — воспроизведение молекулы ДНК —
возможна благодаря комплементарности оснований.
Процесс репликации лежит в основе передачи
наследственной информации, то есть является ключевым
для передачи информации в ряду поколений.
•Репликация ДНК проходит по полуконсервативному
механизму. Это означает, что каждая дочерняя
двуцепочечная молекула ДНК содержит одну исходную
(родительскую) и одну новосинтезированную (дочернюю)
цепь.
•В репликации, как и в любом матричном процессе,
выделяют три основные стадии: инициацию, элонгацию и
терминацию.

43.

Спасибо за внимание!