Основы молекулярной биологии и биохимии и «основы цитологии»

Министерство образования и науки Украины

Севастопольский Национальный Технический Университет

Кафедра ПЭОТ

Контрольная работа

по дисциплине «Биология»

на тему «Основы молекулярной биологии и биохимии»

и «основы цитологии»

Вариант 33

                                                                                         Выполнил:

                                                                                                      ст. группы ЭК-31з

                                                                                          Проверила:

                                                                                                     _______________     

Севастополь

2011

Содержание

1.      Рибонуклеиновые кислоты

1.1   Введение…………………………………………….3

1.2   Структура РНК……………………………………...4

1.3   Функции РНК……………………………………….7

1.4   Классификация……………………………………...9

2.      Редукционное деление клеток. Мейоз

2.1   Введение……………………………………………11

2.2   Стадии мейоза……………………………………...13

2.3   Типы мейоза………………………………………..15

2.4   Заключение…………………………………………16

3.      Список использованных источников…………………17

Введение

Рибонуклеиновые кислоты (РНК) - нуклеиновые кислоты, полимеры нуклеотидов, в состав которых входят остаток ортофосфорной кислоты, рибоза (в отличие от ДНК, содержащей дезоксирибозу) и азотистые основания — аденин, цитозин, гуанин и урацил (в отличие от ДНК, содержащей вместо урацила тимин). Эти молекулы содержатся в клетках всех живых организмов, а также в некоторых вирусах.[1]

Клеточные РНК образуются в ходе процесса, называемого транскрипцией, то есть синтеза РНК на матрице ДНК, осуществляемого специальными ферментами -РНК-полимерами. Затем матричные РНК (мРНК) принимают участие в процессе, называемом трансляцией. Трансляция - это синтез белка на матрице мРНК при участии рибосом.

Для одноцепочечных РНК характерны разнообразные пространственные структуры, в которых часть нуклеотидов одной и той же цепи спарены между собой. Некоторые высокоструктурированные РНК принимают участие в синтезе белка клетки, например, транспортные РНК служат для узнавания кодонов и доставки соответствующих аминокислот к месту синтеза белка, а рибосомные РНК служат структурной и каталитической основой рибосом. Однако функции РНК в современных клетках не ограничиваются их ролью в трансляции. Так малые ядерные РНК принимают участие в сплайсинге эукариотических матричных РНК и т. д. Помимо того, что молекулы РНК входят в состав некоторых ферментов, у некоторых РНК обнаружена собственная энзиматическая активность, например - способность вносить разрывы в другие молекулы РНК или, наоборот, «склеивать» два РНК-фрагмента. Такие РНК называются рибозимами.

Геномы некоторых вирусов состоят из РНК, то есть в их составе она выполняет ту роль, которую у высших организмов выполняет ДНК. На основании разнообразия функций РНК в клетке была выдвинута гипотеза, согласно которой РНК — первая молекула, которая была способна к самовоспроизведению в добиологических системах.

Структура РНК

Химически РНК очень похожа на ДНК. Оба вещества - это линейные полимеры нуклеотидов. Каждый мономер - нуклеотид - представляет собой фосфорилированный N-гликозид, построенный из остатка пятиуглеродного сахара - пентозы, несущего фосфатную группу на гидроксильной группе пятого углеродного атома (сложноэфирная связь) и азотистое основание при первом углеродном атоме (N-гликозидная связь). Главное химическое различие между ДНК и РНК состоит в том, что сахарный остаток мономера РНК - это рибоза, а мономера ДНК - дезоксирибоза, являющаяся производным рибозы, в котором отсутствует гидроксильная группа при втором углеродном атоме.

Химические формулы остатков одного из рибонуклеотидов – уридиловой кислоты (U) и гомологичного ему дезоксирибонуклеотида тимидиловой кислоты (dT)[5]

Азотистых оснований в РНК четыре вида: два пуриновых - аденин (А) и гуанин (G) -и два пиримидиновых - цитозин (С) и урацил (U)

Мономеры - рибонуклеотиды РНК - образуют полимерную цепь посредством формирования фосфодиэфирных мостиков между сахарными остатками (между пятым и третьим атомами углерода пентозы). Таким образом, полимерная цепь РНК может быть представлена как линейный сахаро-фосфатный остов с азотистыми основаниями в качестве боковых групп. [4]

Впервые специфическая пространственная структура РНК была продемонстрирована при расшифровке атомной структуры одной из т-РНК в 1974 г. Сворачивание полимерной цепи тРНК, состоящей из 76 нуклеотидных мономеров, приводит к формированию очень компактного глобулярного ядра, из которого под прямым углом торчат два выступа. Они представляют собой короткие двойные спирали по типу ДНК, но организованные за счет взаимодействия участков одной и той же цепи РНК. Один из выступов является акцептором аминокислоты и участвует в синтезе полипептидной цепи белка на рибосоме, а другой предназначен для комплементарного взаимодействия с кодирующим триплетом (кодоном) м-РНК в той же рибосоме. Только такая структура способна специфически взаимодействовать с белком-ферментом, навешивающим аминокислоту на т-РНК, и с рибосомой в процессе трансляции, то есть специфически "узнаваться" ими.

Атомная (слева) и скелетная (справа) модели фенилаланиновой т-РНК дрожжей

Изучение изолированных рибосомных РНК дало следующий разительный пример формирования компактных специфических структур из еще более длинных линейных полимеров этого типа. Рибосома состоит из двух неравных частей - большой и малой рибосомных субчастиц (субъединиц). Каждая субчастица построена из одной высокополимерной РНК и целого ряда разнообразных рибосомных белков. Длина цепей рибосомных РНК весьма значительна: так, РНК малой субчастицы бактериальной рибосомы содержит более 1500 нуклеотидов, а РНК большой субчастицы - около 3000 нуклеотидов. У млекопитающих, включая человека, эти РНК еще больше - около 1900 нуклеотидов и более 5000 нуклеотидов в малой и большой субчастицах соответственно.

Функции РНК

Суммирование и обзор знаний о функциях РНК позволяют говорить о необыкновенной многофункциональности этого полимера в живой природе. Можно дать следующий список основных известных функций РНК.

• Генетическая репликативная функция: структурная возможность копирования (репликации) линейных последовательностей нуклеотидов через комплементарные последовательности. Функция реализуется при вирусных инфекциях и аналогична главной функции ДНК в жизнедеятельности клеточных организмов - редупликации генетического материала.

• Кодирующая функция: программирование белкового синтеза линейными последовательностями нуклеотидов. Это та же функция, что и у ДНК. И в ДНК, и в РНК одни и те же триплеты нуклеотидов кодируют 20 аминокислот белков, и последовательность триплетов в цепи нуклеиновой кислоты есть программа для последовательной расстановки 20 видов аминокислот в полипептидной цепи белка.

• Структурообразующая функция: формирование уникальных трехмерных структур. Компактно свернутые молекулы малых РНК принципиально подобны трехмерным структурам глобулярных белков, а более длинные молекулы РНК могут образовывать и более крупные биологические частицы или их ядра.

• Функция узнавания: высокоспецифические пространственные взаимодействия с другими макромолекулами (в том числе белками и другими РНК) и с малыми лигандами. Эта функция, пожалуй, главная у белков. Она основана на способности полимера сворачиваться уникальным образом и формировать специфические трехмерные структуры. Функция узнавания является базой специфического катализа.

• Каталитическая функция: специфический катализ химических реакций рибозимами. Данная функция аналогична энзиматической функции белков-ферментов.

В целом РНК предстает перед нами столь удивительным полимером, что, казалось бы, ни времени эволюции Вселенной, ни интеллекта Творца не должно было бы хватить на ее изобретение.[4] Как можно было видеть, РНК способна выполнять функции обоих принципиально важных для жизни полимеров - ДНК и белков. Неудивительно, что перед наукой и встал вопрос: а не могло ли возникновение и самодостаточное существование мира РНК предшествовать появлению жизни в ее современной ДНК-белковой форме?

Классификация рибонуклеиновых кислот

В начале 1960-х гг. на основании того, что у эукариотпочти вся ДНК сосредоточена в ядре, а синтез белка протекает главным образом в цитоплазме на рибосомах, была высказана мысль о том, что какой-то вид РНК несет генетическую информацию для синтеза белка, то есть должна существовать какая-то молекула, переносящая информацию от ядра к рибосомам. Вскоре было установлено, что эту роль играют информационные, или матричные, рибонуклеиновые кислоты (иРНК, мРНК) — комплементарные копии генов.

Каждому работающему гену (или группе генов) соответствует своя молекула мРНК. Первичный транскрипт (мРНК-предшественник) по размерам намного (в 4-5 раз) превышает зрелую мРНК, которая, в свою очередь, служит матрицей для синтеза белка на рибосомах. Это связано, прежде всего, с экзон-интронным строением большинства эукариотических генов. В ходе созревания (процессинга) мРНК ее интронные участки удаляются, а экзоны — сшиваются друг с другом, или, как говорят, подвергаются сплайсингу. Кроме того, молекула мРНК претерпевает и некоторые другие изменения (укорачивание со стороны 3"-конца, присоединение от 20 до 200 остатков адениловой кислоты и т. д.). Каждые три последовательно расположенных основания в зрелой мРНК, называемые кодонами, соответствуют определенной аминокислоте в молекуле белка, который синтезируется по мере продвижения вдоль нее рибосомы. У прокариот мРНК не претерпевает существенных изменений после синтеза на ДНК.

В расшифровке же (декодировании) записанной в мРНК информации участвуют транспортные рибонуклеиновые кислоты (тРНК). Они переносят нужную аминокислоту к растущей полипептидной цепи в ходе синтеза белка. Узнавание кодона в мРНК осуществляется с помощью трех оснований в тРНК, называемых антикодонами, а доставляемая аминокислота присоединена к ее 3"-концу. Специфичность такой системы переноса обеспечивается тем, что имеется по крайней мере одна тРНК для каждой аминокислоты (валиновая тРНК переносит валин, аланиновая — аланин и т. д.). Но, как правило, в цитоплазме клеток встречается около 40 видов тРНК, которые доставляют 20 аминокислот, так как одна и та же аминокислота может кодироваться несколькими разными кодонами.

В дальнейшем были разработаны способы определения последовательности нуклеотидов в РНК, установления ее пространственной структуры. Крупнейшим открытием явилось обнаружение у некоторых РНК, названных рибозимами, способности расщеплять полирибонуклеотидные цепи, то есть играть роль фермента (ранее считалось, что ферментами могут быть только белки). Этот факт дал основания предполагать, что в период зарождения жизни на Земле РНК могла действовать самостоятельно (без белков и ДНК) и все биохимические превращения осуществлялись при ее участии.

Среди всех вышеперечисленных основных трех классов РНК наиболее изучены тРНК. Отличительной особенностью тРНК является наличие в их структуре так называемых минорных (необычных) оснований (описано более 40 таких оснований). Среди них наиболее часто встречаются инозин — производное аденина, псевдоуридин и другие производные урацила. Минорные основания появляются в тРНК уже после ее синтеза на ДНК, причем превращение обычных оснований в модифицированные происходит при участии специальных ферментов. Различные виды тРНК имеют сходную структуру и состоят примерно из 76 нуклеотидов (молекулярная масса 25 тыс.). Укладка молекул тРНК напоминает по форме клеверный лист. В ней выделяют 4 участка (стебли), в которых комплементарные пары оснований образуют водородные связи, и 3 одноцепочечных участка (петли). Значительно сложнее выглядят структуры высокомолекулярных рРНК или геномной РНК вирусов, однако детали пространственной организации их молекул пока неизвестны.

Помимо вышеописанных типов РНК, все эукариотические клетки содержат множество низкомолекулярных (коротких) молекул РНК, которые находятся в виде комплекса с молекулами белка (нуклеопротеидные частицы). Так называемые малые ядерные РНК (мяРНК) играют ключевую роль в процессинге транскриптов. Роль цитоплазматических низкомолекулярных РНК до конца не ясна.

Введение

Понимание того факта, что половые клетки гаплоидны и поэтому должны формироваться с помощью особого механизма клеточного деления, пришло в результате наблюдений, которые к тому же едва ли не впервые навели на мысль, что хромосомы содержат генетическую информацию. В 1883 г. было обнаружено, что ядра яйца и спермия определенного вида червей содержат лишь по две хромосомы, в то время как в оплодотворенном яйце их уже четыре. Хромосомная теория наследственности могла, таким образом, объяснить давний парадокс, состоящий в том, что роль отца и матери в определении признаков потомства часто кажется одинаковой, несмотря на огромную разницу в размерах яйцеклетки и сперматозоида. [7,8]

Еще один важный смысл этого открытия состоял в том, что половые клетки должны формироваться в результате ядерного деления особого типа, при котором весь набор хромосом делится точно пополам. Деление такого типа носит название мейоз (слово греческого происхождения, означающее "уменьшение". Именно мейоз лежит в основе законов наследования Менделя и хромосомной теории наследственности. Название другого вида деления клеток - митоз - происходит от греческого слова, означающего "нить", в основе такого выбора названия лежит нитеподобный вид хромосом при их конденсации во время деления ядра - данный процесс происходит и при митозе, и при мейозе). Поведение хромосом во время мейоза, когда происходит редукция их числа, оказалось более сложным, чем предполагали раньше. Поэтому важнейшие особенности мейотического деления удалось установить только к началу 30-х годов XХ в. в итоге огромного числа тщательных исследований.

Интерес к мейозу резко возрос в конце 60-х годов, когда выяснилось, что одни и те же контролируемые генами ферменты могут принимать участие в процессах воспроизведения ДНК, обмене ее участками, ее чувствительности к повреждающим воздействиям. Наконец, в последнее время ряд биологов развивает оригинальную идею: мейоз у высших организмов служит гарантом стабильности генетического кода, ибо в процессе мейоза, когда пары хромосом-гомологов тесно соприкасаются, происходит проверка нитей ДНК на точность и восстановление повреждений, затрагивающих сразу обе нити [2, 3]. Изучение мейоза тесно связало методы и интересы двух наук: цитологии и генетики. Это привело к рождению новой ветви знания - цитогенетики, тесно соприкасающейся ныне с молекулярной биологией и генной инженерией.

Отдельные фазы мейоза у животных описал В. Флемминг (1882), а у растений – Э. Страсбургер (1888), а затем российский ученый В.И. Беляев. В это же время (1887) А. Вайсман теоретически обосновал необходимость мейоза как механизма поддержания постоянного числа хромосом. Первое подробное описание мейоза в ооцитах кролика дал Уиниуортер (1900). Изучение мейоза продолжается до сих пор. [9]

Стадии мейоза

Первое деление мейоза (редукционное) приводит к образованию из диплоидных клеток гаплоидных. В профазу I, как и в митозе, происходит спирализация хромосом. Одновременно гомологичные хромосомы сближаются своими одинаковыми участками (конъюгируют), образуя биваленты. Перед вступлением в мейоз каждая хромосома имеет удвоенный генетический материал и состоит из двух хроматид, поэтому бивалента содержит 4 нити ДНК. В процессе дальнейшей парализации может происходить кроссинговер – перекрест гомологичных хромосом, сопровождающийся обменом соответствующими участками между их хроматидами. В метафазе I завершается формирование веретена деления, нити которого прикрепляются к центромерам хромосом, объединенных в биваленты таким образом, что от каждой центромеры идет только одна нить к одному из полюсов клетки. В анафазе I хромосомы расходятся к полюсам клетки, при этом у каждого полюса оказывается гаплоидный набор хромосом, состоящий их двух хроматид. В телофазе I восстанавливается ядерная оболочка, после чего материнская клетка делится на две дочерние.

Второе деление мейоза начинается сразу после первого и сходно с митозом, однако вступающие в него клетки несут гаплоидный набор хромосом. Профаза II по времени очень короткая. За ней наступает метафаза II, при этом хромосомы располагаются в экваториальной плоскости, образуется веретено деления. В анафазе II происходит разделение центромер, и каждая хроматида становится самостоятельной хромосомой. Отделившиеся друг от друга дочерние хромосомы направляются к полюсам деления. В тело-фазе II происходит деление клеток, в котором из двух гаплоидных клеток образуется 4 дочерние гаплоидные клетки.

Таким образом, в результате мейоза из одной диплоидной клетки образуются четыре клетки с гаплоидным набором хромосом.

В ходе мейоза осуществляются два механизма рекомбинации генетического материала.

1. Непостоянный (кроссинговер) представляет собой обмен гомологичными участками между хромосомами. Происходит в профазе I на стадии пахитены. Результат – рекомбинация аллельных генов.

2. Постоянный – случайное и независимое расхождение гомологичных хромосом в анафазе I мейоза. В результате гаметы получают разное число хромосом отцовского и материнского происхождения.

Биологическое значение мейоза:

1) является основным этапом гаметогенеза;

2) обеспечивает передачу генетической информации от организма к организму при половом размножении;

3) дочерние клетки генетически не идентичны материнской и между собой.

Типы мейоза

В зависимости от места мейоза в жизненном цикле организмов различают 3 типа мейоза.

1.        Гаметный, или терминальный, мейоз (у всех многоклеточных животных и ряда низших растений), происходит в половых органах и приводит к образованию гамет.

2.        Зиготный, или начальный, Мейоз (у многих грибов и водорослей), происходит в зиготе сразу после оплодотворения и приводит к образованию гаплоидного мицелия или таллома, а затем спор и гамет.

3.        Споровый, или промежуточный, мейоз (у высших растений), имеет место накануне цветения и приводит к образованию гаплоидного гаметофита, в котором позднее образуются гаметы.

У простейших  встречаются все 3 типа Мейоза. Таким образом, мейоз – это цитологическая основа полового и бесполого (спорового) размножения. Ход мейоза находится под контролем генотипа организма, под контролем половых гормонов (у животных), фитогормонов (у растений) и множества иных факторов (например, температуры).

Заключение

Мейоз является редукционным делением, делением созревания, способом деления клеток, в результате которого происходит уменьшение (редукция) числа хромосом в два раза и одна диплоидная клетка (содержащая два набора хромосом) после двух быстро следующих друг за другом делений даёт начало 4 гаплоидным, содержащим по одному набору хромосом. Восстановление диплоидного числа хромосом происходит в результате оплодотворения. Мейоз - обязательное звено полового процесса и условие формирования половых клеток (гамет). Биологическое значение М. заключается в поддержании постоянства кариотипа в ряду поколений организмов данного вида и обеспечении возможности рекомбинации хромосом и генов при половом процессе. Мейоз - один из ключевых механизмов наследственности и наследственной изменчивости. Поведение хромосом при М. обеспечивает выполнение основных законов наследственности.[8]
Список использованных источников

1. Н. Грин, У. Стаут, Д. Тейлор – Биология. 3 тома. Изд. -  М. «Мир» 2004г.

2. З.А. Шабарова и А.А. Богданов – Химия нуклеиновых кислот и их полимеров. Изд. -  "Химия", 1978.

3. П. Пехов – Биология и общая гинетика. Изд. - «Здоровье» 1969 г

4. А. Микельсон – Химия нуклеозидов и нуклеотидов. Изд. - М. «Мир» 1966г.

5. Гауптман, Ю. Грефе, Х. Ремане – Органическая химия. Изд. - М. «Химия» 1979г.

6. Альтштейн А. Д. Происхождение генетической системы: гипотеза прогенов//Молекулярная биология. 1987. Т. 21

7. Власова З.А. Биология. Учебное пособие / С.В. Новиков. - М. Изд-во Эксмо, 2005.

8. Кнорре Д.Г., Мызина С.Д. Биологическая химия: учебн. / 3-е, испр. Изд. - М: Высшая школа, 2000.

9. Богданова Д.Л., Солодова Е.А. Биология: Справочник / 3-е изд. - М.: АСТ-пресс школа, 2006.