Молекулярная биология

Лабораторное занятие № 1-2

Тема: «Пространственно-конформационная

структура ДНК и РНК»

Контрольные вопросы

1. Молекулярная биология – цель, задачи и связь с другими отраслями биологии, химии, физики. Становление молекулярной биологии как науки. Молекулярная догма биологии на начало 20 века (Д. Уотсон и Ф. Крик 1953г.). Типы матричного синтеза как центральный процесс в передаче, хранении и реализации наследственного материала.

2. Методы молекулярной биологии (самостоятельно).

3. Структура нуклеотидов. Структура ДНК и принцип формирования конформаций. Принцип комплементарности.

4. Коды ДНК.

5. Ассоциации ДНК с олигонуклетидами — триплексы (антисмысловые олигонуклеотиды), формирование пары Хугстина (самостоятельно).

6. Ассоциация ДНК с ДСД-белками: общая характеристика. ДСД белки основные классы: "лейциновая молния", "цинковые пальцы", электростатическое притяжение, «β-скэфолд», «петля-спираль-петля».

7. Шапероны и прионы (самостоятельно).

8. РНК – структурная и пространственная организация (конформации), функции, классификация. Отличия и сходства в нуклеотидной структуре с ДНК. Классификация РНК.

9. siРНК – строение функции в клетках животных и растений (самостоятельно).

10. рРНК — транскрипция пре-рРНК. Характеристика I транскрипта. Процессинг. Морфология рибосомы и функциональные «карманы». Рибосомные белки, их разнообразие взаимодействие с рРНК. Топография белков: определение соседствующих белков между белками.

11. Матричная (мессенжерная) РНК — транскрипция пре-мРНК. Характеристика I транскрипта. Процессинг. Характеристика зрелой мРНК.

12. Расшифровка биологического кода. Основные свойства генетического кода. Особенности кодового словаря.

13. Рибозимы — специфичность и механизм действия (на примере теломеразы). Редактирование мРНК (самостоятельно).

Информационно-схематичный материал

1. Пуриновые и пиримидиновый азотистые основания.

2. С5- сахара нуклеотидов.

3. Дуплекс ДНК.

4. Первичная конформация ДНК – дуплекс.

5. Вторичная конформация ДНК и ее формы: В, А и Z.

6. В-форма ДНК вторичной конформации.

7. Конформационный код – углы и расстояния между гетероциклами, энергия жесткости изгибов ДНК при укладке в нуклеосому.

8. Пространственного расположения на поверхности гистонового октамера районов, различающихся по энергетике жёсткости изгиба ДНК.

9. Белок типа ДСД — лейциновая застежка (зиппер).

10. Белок типа ДСД — цинковые пальцы.

11. Белок типа ДСД — спираль — петля — спираль.

12. Белок типа ДСД — β-скэфолд.

13. Отличие в строении нуклеотидов ДНК и РНК.

14. Конформация РНК – первичная, вторичная, третичная (общая схема).

15. Первичная конформация на примере пре-тРНК.

16. Вторичная конформация РНК. Принцип формирования конформации.

17. Функциональные звенья тРНК (вторичная конформация).

18. Схема сплайсинга пре-мРНК.

19. Расположение функциональных участков на молекуле зрелой мРНК.

20. Механизм работы siRNA в клетках растений и животных.

21. Этапы ВИЧ — инфекции, на которых ее, возможно, заблокировать с помощью siRNA.

22. рРНК. Сравнение контуров рибосомной 30S субчастицы и ее 16S РНК.

23. Домены самоукладки 16SРНК.

24. Сравнение контуров рибосомной 50S субчастицы и ее 23S РНК.

25. 5sРНК большой 50s субчастицы рибосомы

26. Ассоциации рРНК с белками. Малая субчастица.

27. Схема 50S (60S) субчастицы рибосомы и топография белков.

28. Схема работы теломеразы.

Лабораторное занятие № 3-4

«Репликация ДНК у про — и эукариот»

Контрольные вопросы.

1. Цикл репликации хромосом. События подготовки к репликации ДНК протекающие в конце митоза (ступень 1 – 4) – ORG-комплекс, белки Cdc 6, Cdt 1 и RFC. МСМ 2-7 комплекс.

2. Формирование pre-IC в G – 1 период. Событие обеспечивающие прохождение ступеней 6 – 7 в S фазу.

3. Инициация цепей и зоны репликации. Особенности репликации ДНК в связи с антипараллельной природой цепей (leading strand’, lagging strand). Топографическая проблема синтеза фрагментов Оказаки. PCNA – комплекс.

4. Ступень 8, 9. Характеристика белком репликативной machinery.

5. Характеристика событий G – 2 стадии (ступень 10, 11).

7. Строение и функционирование загрузчика манжетки (RFC).

Информационно-схематичный материал

1.  Общая схема репликации ДНК.

2.  Цикл репликации хромосом. События подготовки к репликации ДНК протекающие в конце митоза (ступень 1 – 4) – ORG-комплекс, белки Cdc 6, Cdt 1 и RFC. МСМ 2-7 комплекс.

3.  Формирование pre-IC в G – 1 период. Событие обеспечивающие прохождение ступеней 6 – 7 в S фазу.

4.  Инициация цепей и зоны репликации. Особенности репликации ДНК в связи с антипараллельной природой цепей (leading strand’, lagging strand). Топографическая проблема синтеза фрагментов Оказаки. PCNA – комплекс.

5.  Ступень 8, 9. Характеристика белком репликативной machinery.

6.  Характеристика событий G – 2 стадии (ступень 10, 11).

7.  Строение и функционирование загрузчика манжетки (RFC).

Лабораторное занятие № 5-6

«Репарация и рекомбинация ДНК»

Контрольные вопросы.

Репарация ДНК.

1.  Значение репарации, классификация типов репарации. Группа источников повреждения ДНК – эндо — и экзогенные. Сигналы повреждений, преобразование сигнала.

2.  Прямая репарация. Фотореактивация тиминовых димеров и метилированного гуанина. Механизм работы фотолиазы.

3.  Прямая репарация однонитевых разрывов и эксцизионная репарация – общая характеристика, пути. BER путь на примере застройки АП-сайтов.

4.  NER-путь в молчащих областях генома (global genome repair) и в транскрипционноактивных (TCNER).

5.  MMR-путь на примере кишечной палочки – репарация некомплементарных оснований.

6.  Пострепликативная репарация.

7.  Рекомбинационная репарация — не гомологичное соединение концов (NHEJ), гомологичная рекомбинация.

8.  Транскрипционная репарация. Болезни, обусловленные дефектами репарации. SOS-репарация.

Рекомбинация.

1.  Общая характеристика процессов рекомбинации генетического материала. Рекомбинационная система 1 – гомологичная рекомбинация. Эктопическая рекомбинация.

2.  Гомологичная рекомбинация у E. Coli – генетический контроль и молекулярный механизм.

3.  Модель гомологичной рекомбинации на основе репарации двуцепочечных разрывов ДНК.

4.  Рекомбинационная система II – рекомбинация без гомологии. Сайт-специфическая рекомбинация.

5.  Незаконная рекомбинация.

6.  Транспозиции.

7.  Конверсия гена – общие представления.

8.  Молекулярные процессы, приводящие к конверсии гена на примере E. Coli.

9.  Типы конверсии гена: эктопическая, кассетный механизм переключения экспрессии генов, конверсия и синапсис гомологичных хромосом в мейозе.

Информационно-схематичный материал

Репарация ДНК

1.  BER – путь, репарация АР-сайтов.

2.  Репарация по пути NER в молчащих областях генома (global genom repair).

3.  MMR – путь эксцизионной репарации.

4.  Рекомбинантная репарация.

5.  Транскрипционная репарация.

Рекомбинация ДНК

1.  Модель полухиазмы Холлидея.

2.  Три рекомбинационные реакции, осуществляемые белком RecA.

3.  Схема рекомбинации с участием RecBCD-нуклеазы.

4.  Схема сайт-специфической рекомбинации фага лямбда.

5.  Схема сайт-специфической инверсии сегмента G в ДНК фага Mu.

6.  Структурная организация некоторых подвижных элементов.

7.  Молекулярные механизмы транспозиции на примере транспозона.

8.  Молекулярные механизмы транспозиции на примере ретротранспозона.

9.  Общие представления о конверсии гена.

10.  Эктопическая конверсия гена.

Лабораторное занятие № 7

«Геном»

«Биосинтез белка и его регуляция»

Контрольные вопросы.

1.  История формирования понятия ген. Общая схема организации генома эукариот. Структурно-функциональная организация геномов эукариот.

2.  Характеристика генома – мало генов много белков, большая доля некодирующей ДНК и повторяющихся последовательностей.

3.  Блочно-иерархическая модель организации генома – базальный, более высокий, высший уровень. Классификация регуляторных районов

4.  Регуляция активности генов – посттрансляционные модификации аминокислот, позиционирование нуклеосом, конкурентное связывание TF и гистонов с ДНК, метилирование ДНК (родительский геномный импринтинг, волны метилирования, возникновение метилирования, метилирование и рак, инактивация Х-хромосом млекопитающих), активация гена или изменение его активности при внедрении МГЭ, способность МГЭ изменять границы оберегающие ген от воздействия окружающей ДНК.

5.  МГЭ в геноме. Молекулярные механизмы перемещения транспозонов и ретротранспозонов. Роль ретротранспозонов в сохранении теломерных концов хромосом и залечивание двунитевых разрывов ДНК Роль МГЭ в перестройках хромосом. Горизонтальный перенос генов и эволюция генома.

6.  Геном человека и биология XXI века – геномика, ее перспективы. Протеомика.

Биосинтез белка

7.  Общая характеристика. Транскрипция – инициация: строение промотора класса II, регуляция инициации транскрипции, ремонтаж нуклеосом. Элонгация. Терминация. Формирование а. а.тРНК – комплекса.

8.  Трансляция общая характеристика и аппарат трансляции. Инициация – факторы инициации (eIF 1, 2, 3, 4, 5, 6) и их роль; подготовка рибосом, мРНК и а. а.тРНК к трансляции.

9.  Образование инициирующего комплекса и его соединение с мРНК. Поиск стартового кодона – два пути у эу — и прокариот (сканирующая модель М. Козак – терминальная инициация и внутренняя инициация), влияние контекста, рамка считывания, формирование на мРНК 80S рибосомы.

10.  Декодирующая функция малой и энзиматическая функция большой субъединицы.

11.  Элонгация – модель элонгационного цикла («смыкание-размыкание»), этапы элонгации – формирование кодон-антикодонового взаимодействия в А-участке рибосомы, пептизация, транслокация, терминация.

Информационно-схематичный материал

1.  Общая схема организации генома эукариот.

2.  Схема топографии расположения структурных компонентов генома.

3.  Перемещение транспозонов.

4.  Перемещение ретротранспозонов.

5.  Блочно-иерархичная организация строение регуляторного района генов эукариот.

6.  Структура базального уровня регуляции активности гена.

7.  Деацитилирование как один из факторов контроля экспрессии гена.

8.  Родительский геномный импринтинг.

9.  Инсуляторы.

10.  Роль инсулятора может выполнять участок прикрепления к ядерному матриксу (МАR). При включении такого инсулятора два регуляторных района оказываются в различных доменах, и не способны взаимодействовать.

11.  Строение промотора класса II.

12.  Сборка преинициаторного комплекса в районе старта транскрипции гена (базальный промотор).

13.  Схема транскрипции.

14.  Этапы транскрипции на примере прокариот.

15.  Инициация трансляции.

16.  Схема позиционирования рамки считывания.

17.  Формирование на мРНК 80S – рибосомы.

18.  Схема эпицикла трансляции – шаг 1, шаг – 2.

19.  Транслокация рибосом, формирование пептидной связи между пептидил тРНК и а. а.тРНК.

20.  Конформационные изменения рибосом в ходе элонгации. Модель «смыкания-размыкания».

Лабораторное занятие № 10-11

«Молекулярные механизмы патологии и гибели клетки»

Контрольные вопросы.

Опухолевая трансформация клеток.

1.  Характеристика «социального» поведения клеток в многоклеточном организме: индукция размножения гуморальными факторами, ФР, системы охраняющие геном.

2.  Морфогенетические реакции нетрансформированных клеток: формирование микросреды (как клетки строят ткань), механизмы регуляции контактных реакций.

3.  Морфогенетические реакции опухолево-трансформированных клеток (потеря фокальных адегизий и адгезий второго типа, формирование локомоторного фенотипа, аноикис).

4.  Молекулярно-генетический анализ процессов опухолевой трансформации: 2-х ударная модель канцерогенеза (Knudson), классификация Кинзлера-Фогельштайна генов супрессии опухоли (хранители клеточного цикла, общего контроля).

5.  Механизм действия генов супрессоров: Rb1, INK4A/ARF, BRCA 1 и 2, P53, ING1, Leu5/Rfp2.

6.  Пути повреждения ГСО: делеции (потеря гетерозиготности), точковые мутации (сдвиг рамки считывания, нонсенс-мутации, мутации сайтов сплайсинга, миссенс-мутации, мутации промоторной части генов, мутации регуляторной области генов), метилирование.

7.  Характеристика сигналов активирующих и ингибирующих трансформацию.

8.  Альфафетопротеин. Метод избирательного подавления теломеразной активности.

Инволюция онтогенеза

1.  Классификация источников герантогенеза: стохастические, онтогенетические, геном-зависимые, свободнорадикальный. Проявления старения на популяционном уровне.

2.  Геном-зависимые источники: bcl-2, p53/ING1, HLA, Е(АПОЕ), «троянские гены» (per, tim, clk), «ленивые» гены, гены «реаниматоры».

3.  Стохастические: роль 1-ой хромосомы, метилирование ДНК, гликозилирование белка и ДНК, накопление соматических мутаций, теория маргинотамии.

4.  Свободнорадикальный источник старения.

5.  Иммунологическая: «большие» часы организма («Биг-Бен»), роль желез внутренней секреции. Элевационная (онтогенетическая) модель старения. Старение и апоптоз.

Пути программируемой клеточной гибели (ПКГ)

1.  Определение апоптоза. Типы ядерной деградации. Биологическое значение апоптоза.

2.  Активаторы и ингибиторы апоптоза. Типы автономного механизма апоптоза (морфогенетический, гистогенетический, филогенетический). Характеристика генов активирующих и ингибирующих апоптоз.

3.  Морфологические признаки апоптоза и отличие от процессов некроза.

4.  Молекулярные механизмы апоптоза: каспазы, ядерная фаза экзекуции, внеядерная фаза экзекуции (блеббинг), формирование апоптозных тел, фагоцитоз.

5.  Пути ПКС: через рецепторы Fas, TNFR1, рецепторы 3, 4, 5, 6. Взаимодействие рецептора с лигандом и передача сигнала – общая схема. Путь через Fas-рецептор.

6.  Путь через TNFR1-рецептор. Пути ингибирования передачи сигналов смерти (белок SODD, FLIPs, рецепторы приманки).

7.  Митохондриальный путь – механизм и причины вызывающие высвобождение индукторов апоптоза, формирование апоптосом, термолабильный фактор.

8.  ПКС с участием ЭР, белка перфорина, интегринов. Особый тип апоптоза у эритроцитов.

9.  Апоптоз у растений, микроорганизмов, прокариот.

10.  Программируемый некроз – морфологическая картина, каскад биохимических процессов (кальпаин, кахедрин, каспазы). Причины, вызывающие некроз.

11.  Аутофагия.

12.  Митотическая катастрофа. Апоптоз-некрозные континиуумы.

Информационно-схематичный материал

1.  Контактные реакции, регулирующие размножение и гибель клеток.

2.  Активация и торможение размножения.

3.  Нарушения морфогенетических реакций у трансформированных клеток.

4.  Механизм функционирования гена р53.

5.  Строение гена ING1.

6.  Путь передачи сигнала в клетку у не — и трансформированных клеток.

7.  Системы, которые подавляют опухолевую трансформацию. ГСО.

8.  Общая схема апоптоза.

9.  Морфологические признаки апоптоза.

10.  Получение сигнала рецептором (общая схема).

11.  Индукторные и эффекторные каспазы.

12.  Схема активации каспаз.

13.  Схема пути передачи сигнала смерти через Fas-рецептор.

14.  Схема передачи сигнала смерти через TNRF1-рецептор.

15.  Схема путей блокировки передачи сигнала смерти в клетку.

16.  Схема формирования апоптосом.

Блоки промежуточного тестирования(аттестация) по дисциплине «Молекулярная биология»:

Блок №1 «Матричные молекулы».

Блок №2 «Репликация. Репарация. Рекомбинация».

Блок №3 «Геном. Биосинтез белка».

Блок №4 «Сенесценция. Пути программируемой клеточной гибели».

Профильно-специализированные (ПСК) компетенции, как результаты освоения дисциплины «Молекулярная биология» модуля «Биология клетки»:

Студент должен знать

— 1 — основные понятия и определения дисциплин профиля;

— 2 — структурно-функциональную организацию, особенности морфологии, классификацию, развитие в фило — и онтогенезе, механизмы биофизических, биохимических основ функционирования отдельных компартментов клеточных систем;

-3 — закономерности существования и воспроизведение клеточных систем во времени (пролиферация, репродукция);

— 4 — структурно-функциональную организацию матричных молекул, генетического материала и белков. Механизмы воспроизведения, хранения, передачи, декодирования и реализации наследственной информации в сравнительном аспекте. Механизмы, обеспечивающие стабильность и пластичность матричных молекул. Молекулярные механизмы жизнедеятельности;

-5 — современные достижения, проблемы и перспективы развития биологических дисциплин;

-6 — нормативно-правовую базу в области биоэтики и правовые основы работы с живыми объектами;

Студент должен уметь:

— 7 — работать с микроскопом, микропрепаратами. Уметь готовить, «читать» микропрепараты, электроннограммы, информосхемы;

— 8 — самостоятельно планировать, организовывать, проводить самостоятельную работу. Решать ситуационно-логические задачи;

— 9 — выявлять связь между закономерностями жизнедеятельности на разных уровнях организации клеточных систем. Проводить сравнительный анализ изучаемого материала. Выявлять морфофункциональную сопряженность биологических структур. Формировать целостное восприятие о живой материи с едиными закономерностями функционирования, структурно-функциональной и биохимической организации;

-10 — применять теоретические знания на лабораторных занятиях. Применять базовые общекультурные и общепрофессиональные, а так же профильноспециализированные компетенции. Излагать и критически анализировать получаемую информацию;

Студент должен владеть:

-11 — методическими приемамиметодами необходимыми для гистологической, цитологической, биохимической, компьютерной обработки и анализа структур биологических систем. Навыками работы с современным оборудованием и аппаратурой, современными методами сбора, обработки, анализа и синтеза биологической информации;

— 12 — умениями организации учебно-методической работы, навыками просветительской деятельностью с целью повышения уровня биолого-экологической грамотности населения.

ТЕМАТИЧЕСКОЕ ПЛАНИРОВАНИЕ

«МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ»

Критерии оценивания знаний студентов

«Отлично»

На занятии — теоретическое содержание дисциплины освоено полностью, без пробелов, необходимые практические навыки работы с освоенным материалом сформированы, все предусмотренные программой обучения учебные задания выполнены, качество их выполнения оценено числом баллов, близким к максимальному.

На экзамене — дан полный, развернутый ответ на поставленный вопрос, показана совокупность осознанных знаний об объекте, проявляющаяся в свободном оперировании понятиями, умении выделить существенные и несущественные его признаки, причинно-следственные связи. Знание об объекте демонстрируется на фоне понимания его в системе данной науки и междисциплинарных связей. Ответ формулируется в терминах науки, изложен литературным языком, логичен, доказателен, демонстрирует авторскую позицию студента.

«Хорошо»

На занятии — теоретическое содержание дисциплины освоено полностью, без пробелов, некоторые практические навыки работы с освоенным материалом сформированы недостаточно, все предусмотренные программой обучения учебные задания выполнены, качество выполнения ни одного из них не оценено минимальным числом баллов, некоторые виды заданий выполнены с ошибками.

На экзамене — дан полный, но недостаточно последовательный ответ на поставленный вопрос, но при этом показано умение выделить существенные и несущественные признаки и причинно-следственные связи. Ответ логичен и изложен в терминах науки. Могут быть допущены 1–2 ошибки в определении основных понятий, которые студент затрудняется исправить самостоятельно.

«Удовлетворительно»

На занятии — теоретическое содержание дисциплины освоено частично, некоторые практические навыки работы не сформированы, многие предусмотренные программой обучения учебные задания не выполнены, либо качество выполнения некоторых из них оценено числом баллов, близким к минимальному.

На экзамене — дан неполный ответ, логика и последовательность изложения имеют существенные нарушения. Допущены грубые ошибки при определении сущности раскрываемых понятий, теорий, явлений, вследствие непонимания студентом их существенных и несущественных признаков и связей. В ответе отсутствуют выводы. Умение раскрыть конкретные проявления обобщенных знаний не показано. Речевое оформление требует поправок, коррекции.

«Неудовлетворительно»

На занятии — теоретическое содержание дисциплины не освоено, необходимые практические навыки работы не сформированы, все выполненные учебные задания содержат грубые ошибки, дополнительная самостоятельная работа над материалом дисциплины не приведет к какому-либо значимому повышению качества выполнения учебных заданий.

На экзамене — не получены ответы по базовым вопросам дисциплины.

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ И ИНФОРМАЦИОННОЕ

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

1. Бокуть С. Б., Герасимович Н. В., Милютин А. А. Молекулярная биология: молекулярные механизмы хранения, воспроизведения и реализации генетической информации. — Минск: Вышэйшая школа, 2005. — 363 с. (Библиотека УлГПУ).

2. Коничев А. С. Молекулярная биология: учеб. для вузов. 3-е изд., стер. — М.: Академия, 2008. — 396 с. (Библиотека УлГПУ).

3. Коничев А. С., Севастьянова Г. А. Молекулярная биология: учеб. для вузов по спец. 032400 "Биология" / А. С. Коничев ; Г. А. Севастьянова. — 2-е изд., испр. — М.: Академия, 2005. — 396 с. (Библиотека УлГПУ).

4. Ченцов Ю. С. Введение в клеточную биологию: учебник для ун-тов, обуч. по биолог. спец. — 4-е изд., перераб. и доп. — М.: ИКЦ "Академкнига", 2005. — 487 с. (Библиотека УлГПУ).

Дополнительная литература

1. Белясова Н. А. Биохимия и молекулярная биология: учеб. пособие для студентов технолог. и биолог. спец. учреждений. — Минск: Книжный дом, 2004. — 414 с. (Библиотека УлГПУ).

2. Биология. Современный курс. — М.: Издательство: СпецЛит, 2008 г. — 492 с. (Электронный ресурс. – Режим доступа: http://www. knigafund. ru/books/87682).

3. Донецкая Э. Г.. Общая биология: учеб. пособие. — М.: Терра, 2001. — 318 с. (Библиотека УлГПУ).

5. Мушкамбаров Н. Н., Кузнецов С. Л. Молекулярная биология: учеб. пособие для мед. вузов. — М.: Медицинское информационное агентство, 2003. — 535 с. (Библиотека УлГПУ).

6. Рис Э., Стернберг М. Введение в молекулярную биологию: от клеток к атомам / пер. с англ. под ред. Ю. С. Лазуркина, В. А. Ткачева. — М.: Мир, 2002. — 141 с. (Библиотека УлГПУ).

7. Степанов В. М. Молекулярная биология. Структура и функции белков: Учебник. — М.: Издательство: МГУ, 2005 г. — 336 с. (Электронный ресурс. – Режим доступа: http://www. knigafund. ru/books/19022).

Internet – ресурсы

1.  http://rrc. bsu. edu. ru/download. php. view.17.

2.  http://rrc. bsu. edu. ru/download. php. view.18.

3.  http://hist. yma. ac. ru.

4.  Сайт морфологов www. alexmorph. narod. ru.