Кафедра биологии им. акад. В.Н. Ярыгина ИБПЧ 2 сентября, 2024 Уровни организации живого. Геном человека, его характеристики. Анализ геномов. Экспрессия генов. Ермолаев Александр Геннадьевич Биология – наука о живом Живое - то, что живет, обладает свойством жизни. Значит надо разобраться с определением «Жизни». Это точно лекция по биологии, а не по философии? Жизнь Надо в научной Хотя в последнем литературе определении я не посмотреть прои уверена, хоть он жизньлауреат Нобелевский Энциклопедический словарь: «Жизнь это активное, идущее с затратой полученной извне энергии, поддержание и самовоспроизведение молекулярной структуры.» Энгельс: «Жизнь – это способ существования белковых тел, состоящий в постоянном самообновлении частей этих тел…». М. В. Волькенштейн: «Живые тела, существующие на Земле, представляют собой открытые, саморегулирующиеся и самовоспроизводящиеся системы, построенные из биополимеров — белков и нуклеиновых кислот». Сент-Дьерди, лауреат Нобелевской премии: «Я не знаю, что такое жизнь, но точно могу сказать, жива или нет моя собака». Полной ясности не появилось Дать определение «жизни» непросто. Легче классифицировать объекты на «живые» и «не живые» Свойства живого 1 2 Особый химический состав Элементы биогены. еры: Биополим белки и ые нуклеинов кислоты 5 Николай Владимирович Тимофеев-Ресовский Обмен веществ и энергии Рост и развитие (онтогенез) Рост – увеличе ни е линейных размеров организма. Развитие – приобретение качественных новых характеристик . а– Живые тел открытые системы, и ес я щ ю а в и н е обм дой, е р с й е н ш с вне и, веществам энергией, и ей . информац 3 4 Ритмичность Самовоспроизведение 7 6 нтная «Конвариа » – ци я редуплика едение воспроизв тиц , живых час ее включающ е енны наследств (Н.В. вариации Тимофеев ) Ресовский живых в ы с с е ц Про аны с з я в с х а л те кими космичес . ритмами 8 Эволюция (филогенез) Дискретность Иерархичность Постепенное развитие живо го от простых фо рм до самых сложных. Живые объект ы представляют собой отдельн ые единицы. Более простые живые объект ы формируют сложные. Уровни организации живого Уровень Элементарная единица Элементарное явление Молекулярно-генетический Ген Транскрипция, удвоение ДНК, мутации Органоидо-клеточный Органоид, Клетка Обмен веществ, митоз Тканевый Ткань Слущивание эпителия Организменный Клетка, Особь Изменчивость, онтогенез Популяционно-видовой Популяция, Вид Видообразование Биогеоценотический Биогеоценоз (экосистема) Передача биомассы (энергии) по трофическим уровням Самовоспроизведение и саморазвитие биогеоценозов Биосферный Биосфера Земли Биогеохимический круговорот веществ и поток энергии в биосфере (биогенная миграция атомов) Уровни организации живого Весь курс биологии, в течении года, мы будем последовательно изучать живые объекты на всех уровнях, чтобы лучше понять процессы формирования нормы и патологии у человека Модуль 5 «Модуль по выбору» Уровень Раздел Молекулярногенетический Модуль 1 «Биология клетки» Органоидоклеточный Модуль 1 «Биология клетки» Тканевый Модуль 1 «Биология клетки» Организменный Модуль 2 «Типы наследования признаков» Модуль 3 «Онтофилогенез» Популяционновидовой Модуль 3 «Онтофилогенез» Модуль 4 «Медицинская паразитология» Биогеоценотический Модуль 3 «Онтофилогенез» Модуль 4 «Медицинская паразитология» Биосферный Модуль 3 «Онтофилогенез» Модуль 4 «Медицинская паразитология» 14 модулей по выбору в 2024 году Биополимеры: нуклеиновые кислоты Поговорим о молекулярно-генетическом уровне организации живого на примере ДНК и РНК Мономер нуклеиновых кислот нуклеотид Первичная структура ДНК Фосфодиэфирные связи Цепи нуклеиновых кислот растут от 5’ –концу к 3’- концу Вторичная структура ДНК Антипараллельность – соответствие 5’-конца одной цепи ДНК, 3’-концу другой цепи 1 Водородные связи 2 Комплементарность – попарное образование водородных связей A-T и G-C Вопрос к аудитории Что такое нуклеозид? Третичная структура ДНК Правозакрученная спираль с витком 9,8 пар азотистых оснований. Четвертичная структура ДНК Комплекс ДНК с гистоновыми белками РНК Кодирующие Это мРНК (иРНК) – содержат информацию о первичной последовательности аминокислот в пептиде Некодирующие Это все остальные виды РНК, кроме мРНК – они не содержат информация об аминокислотах пептида. Их тысячи. (рРНК, тРНК, мяРНК, xistРНК…) Вопрос к аудитории Какие азотистые основания относятся к пуриновым, а какие к пиримидиновым? Экспрессия генов: путь от гена до кодируемого продукта Поговорим об экспрессии белок-кодирующих генов Экспрессия генов 1 3 Трансляция Транскрипция Синтез полипептида на рибосоме Синтез мРНК на основе матричной цепи ДНК 2 Посттранскрипционные процессы (процессинг мРНК) Созревание мРНК: кэпирование полиаденилирование сплайсинг Посттрансляционные процессы Пространственная и Химическая модификация белка 4 Структура гена эукариот Промотор Транскрибируемая часть гена Экзон Интрон Экзон Интрон Экзон Интрон Терминатор Структура гена прокариот Генрегулятор Промотор Структурные гены Оператор Терминатор Экспрессия генов у эукариот В ядре 1 Транскрипция Инициация транскрипции Синтез мРНК на основе матричной цепи ДНК Транскрипция идет по матричной цепи ДНК (она же смысловая цепь или цепь Уотсона) Сборка транскрипционного комплекса из белковфакторов транскрипции на промоторе гена ТАТА-бокс Общие факторы транскрипции РНК-полимераза Экспрессия генов у эукариот В ядре 1 Транскрипция Инициация транскрипции Синтез мРНК на основе матричной цепи ДНК Элонгация транскрипции Происходит при движении транскрипционного комплекса по транскрибируемой части гена: комплементарно и антипараллельно матричной цепи синтезируется РНК Экспрессия генов у эукариот В ядре 1 Транскрипция Синтез мРНК на основе матричной цепи ДНК Инициация транскрипции Элонгация транскрипции Терминация транскрипции Завершение транскрипции по достижении транскрипционным комплексом терминатора гена Экспрессия генов Экспрессия генов В ядре 2 Посттранскрипционные процессы (процессинг мРНК) Созревание мРНК: кэпирование полиаденилирование сплайсинг Функции КЭП: ü Выход мРНК из ядра ü Стимулирует сплайсинг ü Обеспечивает обнаружение малой субъединицы рибосомы ü Защита 5’-конца от деградации в цитоплазме КЭПирование 5’конца мРНК Присоединение к 5’-концу мРНК КЭП – 7-метил-ГТФ и образование прочной 5’-5’ связи Экспрессия генов В ядре 2 Посттранскрипционные процессы (процессинг мРНК) Созревание мРНК: кэпирование полиаденилирование сплайсинг Функции «поли-А-хвоста»: ü Защита 3’-конца от деградации в цитоплазме КЭПирование 5’конца мРНК Полиаденилирование 3’-конца мРНК Присоединение к 3’-концу мРНК последовательности (хвоста) из остатков аденозинмонофосфатов Длинна поли-Ахвоста определяет время жизни мРНК в цитоплазме Кэп НТО Э И Э И Э И Э НТО Экспрессия генов Отщепление 3`-конца 5` 3` Добавление В ядре поли-А фрагмента 5` 2 Посттранскрипционные Сплайсинг процессы (процессинг мРНК) 5` АААААААА 3` АААААААА (трейлер) КЭПирование 5’3` мРНК конца (удаление интронов и сшивание экзонов) Созревание мРНК: кэпирование полиаденилирование сплайсинг 5` АААААААА (трейлер) Полиаденилирование 3` 3’-конца мРНК зрелая мРНК Кэп НТО транслируемая область АУГ (лидер) (стартовый кодон) Э1 Э1 Э2 Э3 И Э2 И стопкодон Э3 НТО трейлер (поли-А) И Полиаденилирование 3’-конца мРНК Э4 АЛЬТЕРНАТИВНЫЙ СПЛАЙСИНГ В результате одна нуклеотидная последовательность ДНК может обеспечить синтез нескольких разных белков Э4 Э1 Э2 Э3 Э2 ü Сплайсинг увеличивает время подготовки мРНК к трансляции ü Альтернативный сплайсинг – 1 ген кодирует несколько белков Э3 Э4 Э1 Э3 Э4 ... Вырезание интронов и сшивание экзонов Пример альтернативного сплайсинга 32 аминокислоты 37 аминокислот Пример сложного альтернативного сплайсинга Ген Dscam кодирует белок, направляющий в процессе развития рост аксона. мРНК содержит по 1 из возможных экзонов 4, 6, 9, 17. С учетом всех возможных комбинаций ген может кодировать 38016 различных вариантов белка Dscam Зрелая мРНК Трансляция и посттрансляционные процессы Смысловая цепь (кодирующая) 5` 3` А Т Г Т Т Т Т Ц Г А Г Г Ц А Ц А А Т ДНК 3` Т А Ц А А А А Г Ц Т Ц Ц Г Т Г Т Т А 5` Матричная цепь Транскципция м-РНК 5` А У Г У У У У Ц Г А Г Г Ц А Ц А А У 3` Трансляция 3` 5` УА Ц Антикодон ААА А Г Ц У ЦЦ Г У Г У УА т-РНК БЕЛОК МЕТ ФЕН СЕР АРГ ГЛН АСН А У Г У У У У Ц Г А Г Г Ц А ЦА А У А пептидильный центр Г Ц У Ц Ц Г аминоацильный центр У Г У А А А ЦИС ФЕН АРГ ГЛИ АРГ ТРЕ СТРОЕНИЕ т-РНК Трансляция 3 Трансляция Синтез полипептида на рибосоме Белки-факторы транскрипции Инициация трансляции ü Обнаружение мРНК малой субъединицы рибосомы ü Закрепление мРНК на малой с/е рибосомы ü Присоединение первой тРНК с аминокислотой ü Присоединение большой субъединицы рибосомы ü Формирование трех активных центров А, P, E Трансляция 3 Трансляция Синтез полипептида на рибосоме Инициация трансляции Элонгация трансляции Сборка (соединение) аминокислот пептидной связью в соответствии с последовательностью триплетов на мРНК Трансляция 3 Трансляция Синтез полипептида на рибосоме Инициация трансляции Элонгация трансляции Терминация трансляции Белок, релизингфактор Завершение трансляции при попадании стоп-кодона в А-сайт Регуляция экспрессии генов эукариот +Регуляция трансляции и посттрансляционных процессов
