Лекция №1 Вводная: Молекулярный и клеточный уровни организации биологических систем. Биология -как наука



страница1/9
Дата14.05.2016
Размер0.64 Mb.
ТипЛекция
  1   2   3   4   5   6   7   8   9
Кафедра биологии

Курс биологии с экологией для стоматологического факультета МГМСУ

План-конспекты лекций
ЛЕКЦИЯ № 1

Вводная: Молекулярный и клеточный уровни организации биологических систем.


Биология -как наука

Современная биология представляет собой комплекс наук, изучаю­щая биологические системы на всех уровнях и во всех проявлени­ях жизни.


Задачи биологии.


Раскрытие сущности жизни, её закономерностей, определение мес­та и роли человека, в природе, раскрытие его биосоциальной сущ­ности.

Объекты изучения

биологии.



Структурная организация и свойства биологических систем на всех уровнях организации. Центральным объектом изучения в медицинском ВУЗе является человек.

Биология и медицина.

Биология является теоретической основой медицины. Знание обще­биологических закономерностей расширяет возможности диагности­ческой и лечебной деятельности врача.(И.В. Давыдовский).

Сущность жизни.


Развитие представлений о сущности жизни. Критический анализ витализма, механицизма. Определения жизни данные Аристотелем, Биша, А.И.Опариным, А.Н.Колмогоровым, М.В.Волькенштейном. Системный подход в понимании сущности жизни- как способе су­ществования открытых биологических систем в пространстве и во времени.

Основные свойства биологиче­ских сис­тем.

Единый принцип структурной организации, способность к самооб­новлению, самоорганизации и снижению энтропии /негэнтропия/; способность к саморегуляции; поддержанию гомеостаза; способность к самовоспроизведению; способность поддерживать неравновесное состояние со средой; способность достижения многообразия жиз­ни из различных сочетаний одних и тех же элементов; раздражи­мость, движение, рост, наследственность, изменчивость, ритмич­ность, структурированность, дискретность и целостность, многоуровневость и иерархичность, индивидуальное и историческое раз­витие /онтогенез и филогенез/.

Эволюционно обуслов­ленные уро­вни органи­зации живых систем.

Молекулярно-генетический, клеточный, онтогенетический, популяционно-видовой, биогеоценотический, биосферный. Их характерис-

тика и иерархия.



Краткая история развития учения о клетке. Созда­ние клеточной теории.

В 1609 г. был изобретен микроскоп. Первое микроскопическое ис­следование среди профессиональных ученых принадлежит Р.Гуку, который в книге "Микрография ..." (1665 г.) описал клетку и установил факт широкого распространения клеточного строения среди растений.

В начале XIX в. Г.Линк и К.Рудольфи описали оболочку раститель­ной клетки, назвав ее вегетативной мембраной. Начиная с 30-х годов XIX в, школой чешского ученого Я.Пуркинье детально описаны животные клетки. Открыто ядро. В 1838 г. немецкие ученые Т.Шванн и М. Шлейден создали крупней­шее научное обобщение XIX в. - клеточную теорию. Было показа­но, что ткани всех организмов состоят из клеток, принципиаль­но сходных между собой (принцип гомологичности). Б 1857 г. Р.Вирхов сформулировал принцип цитогенеза - каждая клетка от клетки,

В XX в. получены доказательства того, что клетка является от­крытой, целостной, универсальной и в то же время элементарной живой системой, обеспечивая все необходимые свойства жизни: самообновление, самовоспроизведение и саморегуляцию. В про­цессе жизни клетки дифференцируются и находятся в тесном единстве с окружающей средой.


Концепция о

минимальной

клетке.


Возникла в 50-х годах XX в. и характеризует минимальный набор структур, необходимых для жизнедеятельности клетки: система внешних и внутренних мембран, аппарата самовоспроизведения и обмена энергии.

Деление клеток на прокариотические и эукариотические. Некоторые адап- . тации бактерий к защитным механизмам в ро­товой полости человека.



Все клетки делят на про- и эукариотические. Они формируют ор­ганизмы - прокариоты (бактерии, сине-зеленые водоросли и др.) и эукариоты (растения, животные, грибы). Выделяют неклеточные формы жизни - вирусы и фаги. Принципиальные отличия - разме­ры, строение поверхностного аппарата, ядра, элементов цито­плазмы. Прокариоты удобные объекты для научных исследований. Прокариоты - паразиты эукариот (бактерии и их капсульные по­лисахариды) . Муреиновый слой клеточной стенки грамотрицательных бактерий ( , ) покрыт снаружи слоем мягких липидов, что защищает их от лизоцима слюны, слез. Липидный слой придает устойчивость к пенициллину. Нали­чие капсулы - устойчивость к фагоцитам.

Происхождение про- и эукариотических клеток.

2 гипотезы происхождения эукариотических клеток:

1)Эукариотические клетки - это результат усложнения строения прокариотических клеток.

2)По теории эндосимбиоза гетеротрофные эукариоты возникли в результате проникновения аэробных прокариот в клетку при­митивного предшественника (так возникли митохондрии). Автотрофные эукариоты возникли в результате последующего внедре­ния в клетку фитосинтезирущих прокариот (так возникли хлоропласты).


Клетка как це­лостная система.


Это результат длительной эволюции, жесткого отбора, многочисленных адаптаций. Мембранные и немембранные структуры клетки формируют единую более или менее сложно устроенную интегриро­ванную и адаптированную живую систему.

Поверхностный аппарат, элементы цитоплазмы и ядерный аппарат - основные части клетки.

Поверхностный аппарат - связь с внешней и внутренней окружаю­щей средой, слоистость строения: I) надмембранные структуры: гликокаликс, клеточная стенка; 2) плазматическая мембрана - жидкостно-мозаичная модель; 3) субмембранные структуры - мик­рофибриллы, микротрубочки, скелетные фибриллы. Свойства и функции поверхностного аппарата: разграничительная, транспорт­ная, барьерная, рецепторная, электрическая, опор­ная регуляторная.

Обезболивающий эффект при местной анестезии в хирургической стоматологии связан с взаимодействием препарата с рецептором мембраны Nа-канала. В результате блокируется ток ионов Na и нарушается восприятие и передача биотоков. Элементы цитоплазмы (органеллы, гиалоплазма, включения …) обеспечивают реализацию генетической программы клетки, энер­гетические, метаболические, посреднические и репродуктивные свойства клетки.

Ядерный аппарат благодаря хромосомам обеспечивает хранение биологической информации и точного самоудвоения генетической информации и ее разделения между двумя дочерними клетками„


Уровни упаковки ДНК в хромосоме эукариот.

Нуклеосомная нить, фибрилла с d = 25 мм, хромомеры, хромонема, хромотида. У прокариот ДНК упакована без гистонов.



ЛЕКЦИЯ №2

Тема: Структурно-функциональная организация наследственного материала.

Наследственность и изменчивость

Наследственность – способность передавать свои свойства следующим поколениям. Изменчивость – способность организмов изменяться. Наследственные изменения, закрепленные естественным отбором в процессе эволюции, ведут к развитию органического мира на Земле, создают его разнообразие и обеспечивают адаптацию организмов к условиям обитания.

Материальная основа наследственности

Материальной структурой наследственности и изменчивости являются нуклеиновые кислоты. У всех клеточных организмов наследственная информация содержится в ДНК. ДНК состоит из нуклеотидов, соединяющихся фосфодиэфирными связями в длинные цепи. Две цепи ДНК (за исключение некоторых вирусов) соединяются через азотистые основания по принципу комплементарности и образуют двойную спираль.

Наследственный материал вирусов

Наследственная информация у вирусов может содержаться либо в РНК, либо в одно- или двуцепочечных ДНК. Вирусы имеют ферменты, позволяющие им синтезировать ДНК на матрице РНК. Открытие таких ферментов – ревертаз заложило основу генной инженерии.

ДНК про- и эукариот

Прокариоты содержат одну кольцевую молекулу ДНК, средний размер которой – несколько миллионов пар нуклеотидов. Могут иметь дополнительный генетический материал – плазмиды.

У эукариот – линейная двуцепочечная ДНК, соединенная с белками (гистоновыми и негистоновыми), образует хромосомы. Количество нуклеотидов в ДНК и количество хромосом может варьировать у эукариот в широких пределах. ДНК в основном находится в ядре, небольшая часть – в цитоплазме (в митохондриях и пластидах).



Ген – единица наследственность

Участок ДНК, кодирующий информацию об одном полипептиде, называется геном. Однако существуют гены, кодирующие рибосомальные или транспортные РНК. В то же время, есть полипептиды (например, иммуноглобулины), кодируемые двумя генами. Поэтому точное определение гена, удовлетворяющее всем случаям, дать сложно. Одно из последних определений гена – любая транскрибирующаяся последовательность нуклеотидов.

Геном про- и эукариот

Геном – совокупность нуклеотидов или генов, содержащихся в гаплоидном наборе хромосом. Также в геном включаются цитоплазматические гены, а у прокариот - гены плазмид. В процессе эволюции величина генома увеличивалась. Геном прокариот может содержать несколько сотен генов и менее миллиона пар нуклеотидов (микоплазма). Геном круглого червя Caenorhabditis elegans - 100 млн. п.н., 19 тыс. генов, человека – около 3 млрд. пар нуклеотидов, 25 тысяч генов, из которых 37 - митохондриальные.

Структура генома про- и эукариот

Основную часть генома прокариот составляют гены и регуляторные участки ДНК. У эукариот такие участки составляют 10%, а 90% - некодирующая спейсерная ДНК. Данные об этой части ДНК, ее строении и функциях постоянно обновляются и уточняются. Показано, что значительная ее часть может транскрибироваться, однако функции этого транскрипта остаются непонятными.

Классификация нуклеотидных последовательностей у эукариот

  1. Представленные в единственном числе на геном (например, большинство генов ферментов)

  2. Уникальные последовательности – гены, Умеренно повторяющиеся – гены с числом повторов от нескольких до нескольких сотен (гены гистонов, р-РНК и некоторые другие)

  3. Высокоповторяющиеся последовательности – сателлитная ДНК, в которой число повторов может достигать нескольких миллионов.

Псевдогены, эндогенные вирусы и мобильные гены

Значительная часть ДНК эукариот может быть “загрязнена” генами, утратившими в процессе эволюции свои функции, а также вирусами. Часть из них мутировала и потеряла способность к транскрипции. Другая часть сохранила способность активировать гены ферментов, способных вырезать и переносить гены в другие части генома (мобильные элементы). Эндогенные вирусы могут вызывать целый ряд заболеваний, в том числе онкологических, а мобильные элементы являются причиной значительной части спонтанных мутаций.

Свойства наследственного материала

Основные свойства:

  1. способность к репликации (удвоению)

  2. транскрипция (переписывание информации на РНК)

  3. рекомбинация (обмен участков ДНК)

  4. способность мутировать (изменять последовательности нуклеотидов)

  5. репарация (восстановление повреждений ДНК)

Свойства наследственного материала обеспечивают его функции

Основные функции наследственного материала:

  1. Хранение и передача наследственного материала последующим поколениям клеток и организмов

  2. Реализация наследственного материала в процессе онтогенеза

Для сохранения наследственных свойств требуется точное удвоение ДНК, идентичное распределение генетического материала между дочерними клетками и исправление возникающих в процессе метаболизма ошибок и нарушений.

Для приобретения новых свойств и признаков, необходимых для адаптации в процессе эволюции, происходят мутации и рекомбинации



Пространственная организация наследственного материала в клетке

Пространственная организация кольцевой ДНК прокариот и хромосом эукариот строго определенна и обеспечивает эффективное хранение и воспроизведение информации. Это достигается за счет соединения ДНК с белками хромосом и белками мембраны, ее спирализации и суперспирализации, образования петель. Компактная укладка хроматина позволяет упорядоченно расположить в ядре клетки молекулы ДНК, общей длиной более метра. В конденсированном гетерохроматине хранится нетранскрибируемая наследственная информация. В деспирализованном “рыхлом” эухроматине гены доступны для транскрипции.

Уровни организации хроматина у эукариот

  1. Нуклеосомный – соединение ДНК с гистонами, образование нуклеосом

  2. Микрофибрилла (соленоид)

  3. Петли (хромомеры)

  4. Суперспираль метафазной хромосомы


ЛЕКЦИЯ №3

Тема: Реализация наследственной информации. Регуляция активности генов и синтеза белка.

Реализация наследственной

информации осуществляется

через синтез белка


Наследственная информация записана на ДНК в виде генов. Гены кодируют информацию о белках. Все другие признаки организма реализуются через белки, посредством выполнения ими своих функций. Для развития простых признаков требуется работа одного гена и синтез одного белка, для сложных – нескольких или многих.

Генетический код

Информация об аминокислотной последовательности (первичной структуре) белка закодирована на гене в виде последовательности триплетов нуклеотидов. Основные свойства кода: триплетность, вырожденность, специфичность и универсальность.

Синтез белка у прокариот

Первый этап синтеза белка – транскрипция осуществляется ферментом РНК-полимеразой. Выбор кодирующей цепи ДНК, стартовой точки и направления синтеза определяется особым участком перед геном – промотором. С матрицы ДНК информация переписывается на м-РНК сразу с нескольких функционально связанных генов. Окончание считывания определяется терминатором.

Второй этап – трансляция начинается одновременно с транскрипцией. Синтезированные полипептиды приобретают вторичную и последующие структуры, а при необходимости – модифицируются (третий этап - созревание белка)



Особенности синтеза белка у эукариот

Синтез белка осуществляется в четыре этапа. Транскрипция осуществляется с каждого гена отдельно. Синтезируемая РНК (пре-м-РНК или гетероядерная-РНК) подвергается преобразованию – процессингу, от которого зависит первичная структура белка и количество синтезируемых молекул. Подавляющаяся часть гя-РНК метаболизируется и не участвует в синтезе белка

Транскрипция

В отличие от прокариот, ген эукариот содержит кодирующие и некодирующие последовательности нуклеотидов – экзоны и интроны. Количество интронов, разделяющих экзоны, может достигать нескольких десятков, а их длина значительно превышает длины экзонов. Пре-м-РНК переписывает всю информацию с гена.

Посттранскрипция

Созревание пре-м-РНК включает в себя вырезание интронов, сшивание (сплайсинг) экзонов и модификацию концов зрелой м-РНК. Прямой сплайсинг соединение всех экзонов в порядке их расположения на гене. Альтернативный сплайсинг – изменяется порядок расположения и количество сшиваемых экзонов. Альтернативный сплайсинг позволяет создавать до ста различных модификаций м-РНК и, соответственно, белка с одного гена. Процессами посттранскрипции определяется длительность жизни РНК, ее доставка в цитоплазму к месту синтеза полипептада и созможность синтеза белка.

Трансляция

Синтез полипептида в рибосоме. Начинается со стартового кодона, протекает в три этапа – инициация, элонгация и терминация. Заканчивается стоп-кодоном (терминирующий, нонсенс-кодон). Одновременно с молекулы М-РНК может синтезироваться несколько полипептидов несколькими рибосомами.

Посттрансляция

Созревание белка осуществляется за счет приобретения им вторичной – четвертичной структур и модификации белковой молекулы. Полипептид может разрезаться на части, к нему могут присоединяться другие молекулы. Формируются протеиновые структуры, способные к выполнению разнообразных функций.

Регуляция активности генов у прокариот.

В 1965 году Жакоб и Моно были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине за открытие механизма регуляции синтеза белка в лактозном опероне. Единица регуляции – оперон содержит ген регулятор, промотор, оператор, функционально связанные структурные гены и терминатор. Основные факторы регуляции – репрессор, блокирующий считывание информации при присоединении к оператору, и индуктор – освобождающий оператор и делающий гены доступными для РНК-полимеразы. В нормальных условиях у прокариот активна большая часть генов – более 90%.

Особенности регуляции активности генов у эукариот

У эукариот нет оперонов – каждый ген регулируется самостоятельно. Отсутствуют операторы – точкой приложения репрессоров и индукторов является промотор. Значительную роль в регуляции играют белки хромосом, определяющие конденсацию и спирализацию хроматина, делающие гены доступными или заблокированными для транскрипционной машины. Активно работающих генов клетке эукариот – 10-20%.

Регуляторные гены эукариот

Регуляторные и сенсорные гены, энхансеры, сайленсеры и другие нуклеотидные последовательности, участвующие в регуляции активности генов, составляют значительную часть геномаэукариот. Они отвечают за синтез белков-регуляторов, восприятие регуляторных сигналов доступность гена для транскрипционных факторов, влияют на активность РНК-полимеразы. Результатом регуляции является репрессия или экспрессия генов. Регуляция экспрессии позволяет изменять активность транскрипции с сотни раз. Возможна регуляция за счет химической модификации (фосфорилирования) ДНК. В сложную последовательность событий регуляции одного структурного гена могут быть включены многие гены–регуляторы.

Регуляция на уровне посттранскрипции

Важнейший этап регуляции синтеза белка у эукариот. Определяет возможность участия м-РНК в синтезе белка, длительность и интенсивность процессов трансляции. Альтернативный сплайсинг влияет на окончательную структуру белка.

Малые РНК

Особый класс регуляторных РНК размером от нескольких десятков до сотен нуклеотидов. si-РНК размером 20-30 нуклеотидов способны связываться с определенными участками ДНК, специфически регулируя работу генов (явление РНК-интерференции). Участвуют в распознавании и блокировании вирусных нуклеиновых кислот. Спариваясь с гетероядерной РНК, определяют ее дальнейшую судьбу.

Регуляция синтеза белка у эукариот

Осуществляется на всех этапах – от транскрипции до посттрансляции. Определяется возможность синтеза белка, скорость синтеза, количество и окончательная структура молекул, их функциональная активность и длительность жизни.


ЛЕКЦИЯ № 4

Тема: Воспроизведение на молекулярном и клеточном уровнях. Особенности пролиферации тканей и органов.


Клеточный и митотический циклы.

Клеточный (жизненный) цикл - период существования клет­ки с момента её образования в результате деления до смер­ти или последующего разделения на дочерние клетки.

Одним из вариантов клеточного цикла является митотический цикл - это совокупность изменений в клетке в свя­зи с её подготовкой к делению и самим делением.



Периоды митотического цикла.

Автосинтетическая интерфаза и митоз. Характеристика периодов иятерфазы пресинтетического (G 1), синтетического (S), постсинтетического (G 2) и митоза.

Репликация ДНК - главное событие авто-синтетической интер-фазы.


Главное функциональное значение репликации ДНК - снабжение дочерних клеток точными копиями генетической ин­формации.

Полуконсервативный способ репликации. Три основные способа репликация ДНК:

1. Тета – тип репликации. Кольцевидные ДНК прокариот, вирусов и органелл эукариотических клеток. У прокариот хромосома представляет саморегулирующуюся генетическую структуру – реп- ликон.

Другие репликоны бактерий, эписомы и плазмиды, способ­ные существовать отдельно от бактериальной хромосомы.

2. Сигма-тип_репликации - кольцевидная ДНК прев­ращается в линейную ("катящееся кольцо"). Одна дочерняя молекула кольцевая, другая линейная. Встречается у ряда фагов (в овогенезе некоторых эукариот.

3.Репликация линейных ДНК эукариот идёт мультирепликонно и асинхронно.

Во всех случаях репликации направление репликации 3’ – 5’ по материнской цепи и 5— 3 в дочерней. Репликация одновременно идёт на концах и по всей длине молекулы ДНК. Число репликонов от сотен до десятков тысяч у человека. В точках начала репликация ДНК - распределяющие белки раскручивают двойную спираль. На материнской цели дочер­ние ДНК строятся в виде фрагментов Оказаки, состоящего из инициирующих последовательностей (праймер -затем выре­зается и замещается дочерней ДНК) и ферментов дочерней ДНК. Сшивание фрагментов осуществляется лигазой.

У млекопитающих α- полимераза строит фосфорные ДНК. β- полимераза - осуществляет репарацию. j-полимераза реплицирует ДНК митохондрий.



Митоз и его биологическое значение.

Фазы митоза. Главное событие митоза - строго равномерное распределение ДНК и хромосом между дочерними клетками. Общая формула

митоза 2п2с →2п2с

2п2с


Митоз обеспечивает рост, бесполое размножение, регенерацию.

Формы патологии митоза.

В результате повреждения хромосом, повреждения митотического аппарата и нарушения цитотомии.

Митотическая

активность тканей.



Количество митозов ко всем клеткам ткани. Митотический коэф­фициент -

число митозов %

1000


Пролиферационный пул - это количество клеток, находящихся в автосинтетической интерфазе, включая рестинговые периоды.

Ткани не однородны по отношению к пролиферативной актив­ности:

а) Стабильные высокоспециализированные ткани (нервная, эмаль зубов).

б) Обновляющиеся ткани (костный мозг, эпителий желудочно-кишечного тракта и др.).

в) Неспециализированные клетки (стволовые, герминативные, камбиальные).

г) Высокоспециализированные клетки, но при определённых условиях выпадающие из гетеросинтетической интерфазы ( GH - период дифференцированного состояния) в мито­тический цикл: гепатоциты, кардиомиоциты, клетки ацинусов, слюнных желёз, гладкомышечные клетки.



Регуляция проли­ферации и дифференцировки.


Генные, нейро-гуморальные, иммунные механизмы.

Генные_- с помощью картирования хромосом человека пока­зано, что метаболизм клеточного цикла при переходе от GH к G1 кодирует гены хромосомы С-7, от G1 к S – Е 17, а после S - A3. У дрожжей обнаружено 30 генов клеточного цикла.

Нервная система оказывает трофическое, индукционно-формативное и интеграционное влияние на пролиферацию.

Гуморальный_механизм_- действует местно и дистантно. Осно­ван на принципах положительной и отрицательной регуляции.

Неспецифические ингибиторы пролиферации: интерфероны, лимфотоксины, стероидные гормоны, моноамины, кислые полиса­хариды, кейлоны.

Эндогенные стимуляторы митоза - амины, сера, тонин, триптамин, простагландины E1 и Е2. , терпсины, инсулин, пролактин, тироксин, тимин,фактор роста нервов, ф.р.эритроцитов, ф.р.яичников, ф.р.миобластов и др.

Регулирующий фактор может проникать в клетку, действуя как индуктор или взаимодействовать со специфическими рецеп­торами поверхностного аппарата и через ряд посредников (ц-АМФ, протеинпиназы) оказывать стимулирующий эффект. Не случайно эмбриональные клетки содержат большое количество ц-АМФ.


Особенности клеточных цик­лов в органах и тканях ротовой полости.

Клеточные циклы эпителия с мягкой я жёсткой (нитевидные сосоч­ки) кератинизация. Дифференцировка клетки зубного зачатка.


ЛЕКЦИЯ № 5.


Каталог: userdata -> manual -> doc -> kaf
doc -> Кафедра общей психологии
doc -> Кафедра общей психологии
doc -> Рабочая программа дисциплины «специальные тренинги и супервизия» Курс 5, семестр 9, форма обучения очная
kaf -> Кафедра социальной медицины и социальной работы
kaf -> Кафедра социальной медицины и социальной работы
kaf -> Программа дисциплины «Поликлиническая терапия»
kaf -> Кафедра социальной медицины и социальной работы
kaf -> Исследование учебной студенческой группы, в которой Вы ведете педагогическую деятельность. Проанализировать его результаты
kaf -> Кафедра социальной медицины и социальной работы
kaf -> Рабочая программа учебной дисциплины технология социальной работы направление подготовки


Поделитесь с Вашими друзьями:
  1   2   3   4   5   6   7   8   9


База данных защищена авторским правом ©dogmon.org 2017
обратиться к администрации

    Главная страница