Шпаргалка "Молекулярная биология"

1. Предмет и задачи молекулярной биологии.

Термин "молекулярная биология" принадлежит Фрэнсису Крику, которому надоело в ответ на вопрос о  его профессии объявлять себя смесью кристаллографа, биохимика, биофизика  и генетика. После атомной бомбежки Хиросимы и Нагасаки в 1945г. началось бегство ученых из физики, а в 1947г. Нобелевский лауреат физик Эрвин  Шредингер написал книгу "Что  такое жизнь с точки зрения физика?", которая привлекла в  биологию многих физиков и математиков.

Определение: Mолекулярная биология - это наука о механизмах хранения, воспроизведения, передачи и реализации генетической информации, о структуре и функциях нерегулярных биополимеров - нуклеиновых кислот и белков.

Начав с изучения биологических  процессов на молекулярно-атомном  уровне, молекулярная биология перешла  к сложным надмолекулярным клеточным  структурам, а в настоящее время  успешно решает проблемы генетики, физиологии, эволюции и экологии.

Основные объекты исследования

nВирусы (в т.ч. бактериофаги)

nКлетки и субклеточные структуры

nМакромолекулы

nМногоклеточные организмы

Молекулярная биология наука, ставящая своей задачей познание природы явлений жизнедеятельности  путём изучения биологических объектов и систем на уровне, приближающемся к молекулярному, а в ряде случаев и достигающем этого предела. Конечной целью при этом является выяснение того, каким образом и в какой мере характерные проявления жизни, такие, как наследственность, воспроизведение себе подобного, биосинтез белков, возбудимость, рост и развитие, хранение и передача информации, превращения энергии, подвижность и т. д., обусловлены структурой, свойствами и взаимодействием молекул биологически важных веществ, в первую очередь двух главных классов высокомолекулярных биополимеров - белков и нуклеиновых кислот. Отличительная черта М. б. - изучение явлений жизни на неживых объектах или таких, которым присущи самые примитивные проявления жизни. Таковыми являются биологические образования от клеточного уровня и ниже: субклеточные органеллы, такие, как изолированные клеточные ядра, митохондрии, рибосомы, хромосомы, клеточные мембраны; далее - системы, стоящие на границе живой и неживой природы, - вирусы, в том числе и бактериофаги, и кончая молекулами важнейших компонентов живой материи - нуклеиновых кислот и белков.

 

М. б. - новая область естествознания, тесно связанная с давно сложившимися направлениями исследований, которые  охватываются биохимией, биофизикой и  биоорганической химией. Разграничение  здесь возможно лишь на основе учёта  применяемых методов и по принципиальному  характеру используемых подходов.

 

2.     Методы, основные этапы развития и достижения.

Методы молекулярной биологии

1физические (микроскопия,  Рентгеноструктурный анализ,

Радиоактивные изотопы)

2 Физико-химические: Центрифугирование, Хроматография, Электрофорез, Гель-электрофорез

3 Биологические: Культура  клеток и тканей, Метод моноклональных  антител, ПЦР

1. Романтический  период 1935-1944гг. Макс Дельбрюк и Сальвадор Лурия занимались изучением репродукции фагов и вирусов, представляющих собой комплексы нуклеиновых кислот с белками

В 1940г. Джордж Бидл и Эдуард Татум сформулировали гипотезу  - "Один ген - один фермент". Однако, что такое ген в физико-химическом плане тогда еще не знали.

2.Второй  романтический период 1944-1953гг. Была доказана генетическая роль ДНК. В 1953 г. появилась модель двойной спирали ДНК, за которую ее создатели Джеймс Уотсон, Френсис Крик и Морис Уилкинс были удостоены Нобелевской премии.

3. Догматический  период 1953-1962гг.

Сформулирована центральная  догма молекулярной биологии: Перенос генетической информации идет в направлении В 1962 г. был расшифрован генетический код.

4.Академический  период с 1962г. по настоящее время, в котором с 1974 года выделяют генно-инженерный подпериод.

 Основные открытия.

1944г. Доказательство генетической роли ДНК. Освальд Эйвери, Колин Мак-Леод, Маклин Мак-Карти

1953г. Установление структуры ДНК. Джеймс Уотсон, Френсис Крик

1961г. Открытие генетической регуляции синтеза ферментов. Андре Львов, Франсуа Жакоб, Жак Моно

1962г. Расшифровка генетического кода. Маршалл Нирнберг, Генрих Маттеи, Северо Очоа

1967г. Синтез in vitro биологически активной ДНК. Артур Корнберг (неформальный лидер молекулярной биологии)

1970г. Химический синтез гена. Гобинд Корана

1970г. Открытие фермента обратной транскриптазы и явления обратной транскрипции. Говард Темин, Дэвид Балтимор, Ренато Дульбеко

1974г. Открытие рестриктаз. Гамильтон Смит, Даниэль Натанс, Вернер Арбер

1978г. Открытие сплайсинга. Филипп Шарп  1982г. Открытие автосплайсинга. Томас Чек

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Центральная догма молекулярной биологии.

Один ген молекулы ДНК  кодирует один белок, отвечающий за одну химическую реакцию в клетке. Центральная  догма молекулярной биологии — обобщающее наблюдаемое в природе правило  реализации генетической информации: информация передаётся от нуклеиновых  кислот к белку, но не в обратном направлении. Правило было сформулировано Френсисом Криком в 1958 году и приведено  в соответствие с накопившимися  к тому времени данными в 1970 году. Переход генетической информации от ДНК к РНК и от РНК к белку  является универсальным для всех без исключения клеточных организмов, лежит в основе биосинтеза макромолекул.Репликации генома соответствует информационный переход ДНК → ДНК. В природе встречаются также переходы РНК → РНК и РНК → ДНК (например у некоторых вирусов), а также изменение конформации белков, передаваемое от молекулы к молекуле.

 

4. Понятие о  биологических системах.

Биологическая система –  «машина» способная к самовоспроизводству 

ДНК, РНК, Клетка, Ткань, Орган, Организм, Популяция, Сообщество, Биосфера

Биологические системы – это объекты различной сложности, имеющие несколько уровней структурно-функциональной организации и представляющие собой совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих элементов.

Примерами биологических  систем являются: клетка, ткани, органы, организмы, популяции, виды, биоценозы, экосистемы разных рангов и биосфера.

Элементарной биологической  системой, т.е. системой самого низшего  ранга, является клетка, т.к. нет систем еще более низкого ранга, которые  бы обладали всей совокупностью признаков, присущих биологическим системам.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Основные особенности  организации и функционирования  биологических систем.

Критерии биологических  систем

Каковы признаки, отличающие биологические системы от объектов неживой природы, и основные характеристики процессов жизнедеятельности, выделяющие живое вещество в особую форму  существования материи?

1. Единство химического  состава. В состав живых организмов входят те же химические элементы, что и в объекты неживой природы. Однако соотношение различных элементов в живом и неживом неодинаково. В неживой природе самыми распространенными элементами являются кремний, железо, магний, алюминий, кислород. В живых же организмах 98% элементарного (атомного) состава приходится на долю всего четырех элементов: углерода, кислорода, азота и водорода.

2. Обмен веществ. К обмену веществ с окружающей средой способны все живые организмы. Они поглощают из среды элементы питания и выделяют продукты жизнедеятельности. В неживой природе также существует обмен веществами, однако при небиологическом круговороте они просто переносятся с одного места на другое или меняют свое агрегатное состояние: например, смыв почвы, превращение воды в пар или лед и др. У живых же организмов обмен веществ имеет качественно иной уровень. В круговороте органических веществ самыми существенными являются процессы синтеза и распада (ассимиляция и диссимиляция), в результате которых сложные вещества распадаются на более простые и выделяется энергия, необходимая для реакций синтеза новых сложных веществ.

 Обмен веществ обеспечивает  относительное постоянство химического  состава всех частей организма  и как следствие – постоянство  их функционирования в непрерывно  меняющихся условиях окружающей  среды.

3. Самовоспроизведение (репродукция, размножение) – свойство организмов воспроизводить себе подобных. Процесс самовоспроизведения осуществляется практически на всех уровнях жизни. Существование каждой отдельно взятой биологической системы ограничено во времени, поэтому поддержание жизни связано с самовоспроизведением. В основе самовоспроизведения лежит образование новых молекул и структур, обусловленное информацией, заложенной в нуклеиновой кислоте – ДНК, которая находится в родительских клетках.

4. Наследственность – способность организмов передавать свои признаки, свойства и особенности развития из поколения в поколение. Наследственность обеспечивается стабильностью ДНК и воспроизведением ее химического строения с высокой точностью. Материальными структурами наследственности, передаваемыми от родителей потомкам, являются хромосомы и гены.

 

5. Изменчивость – способность организмов приобретать новые признаки и свойства; в ее основе лежат изменения материальных структур наследственности. Это свойство как бы противоположно наследственности, но вместе с тем тесно связано с ней. Изменчивость поставляет разнообразный материал для отбора особей, наиболее приспособленных к конкретным условиям существования, что, в свою очередь, приводит к появлению новых форм жизни, новых видов организмов.

6. Рост и развитие. Способность к развитию – всеобщее свойство материи. Под развитием понимают необратимое направленное закономерное изменение объектов живой и неживой природы. В результате развития возникает новое качественное состояние объекта, изменяется его состав или структура. Развитие живой формы материи представлено индивидуальным развитием (онтогенезом) и историческим развитием (филогенезом). Филогенез всего органического мира называют эволюцией.

 На протяжении онтогенеза  постепенно и последовательно  проявляются индивидуальные свойства  организмов. В основе этого лежит  поэтапная реализация наследственных  программ. Индивидуальное развитие  часто сопровождается ростом  – увеличением линейных размеров  и массы всей особи и ее  отдельных органов за счет  увеличения размеров и количества  клеток.

 Историческое развитие  сопровождается образование новых  видов и прогрессивным усложнением  жизни. В результате эволюции  возникло все многообразие живых  организмов на Земле.

7. Раздражимость – это специфические избирательные ответные реакции организмов на изменения окружающей среды. Всякое изменение окружающих организм условий представляет собой по отношению к нему раздражение, а его ответная реакция является проявлением раздражимости. Отвечая на воздействия факторов среды, организмы взаимодействуют с ней и приспосабливаются к ней, что помогает им выжить.

 Реакции многоклеточных  животных на раздражители, осуществляемые  и контролируемые центральной  нервной системой, называются рефлексами. Организмы, не имеющие нервной  системы, лишены рефлексов, и  их реакции выражаются в изменении  характера движения (таксисы) или  роста (тропизмы).

8. Дискретность (от лат. discretus – разделенный). Любая биологическая система состоит из отдельных изолированных, то есть обособленных или отграниченных в пространстве, но тем не менее, тесно связанных и взаимодействующих между собой частей, образующих структурно-функциональное единство. Так, любая особь состоит из отдельных клеток с их особыми свойствами, а в клетках также дискретно представлены органоиды и другие внутриклеточные образования.

 Дискретность строения  организма – основа его структурной  упорядоченности. Она создает  возможность постоянного самообновления  системы путем замены износившихся  структурных элементов без прекращения  функционирования всей системы  в целом.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

9. Саморегуляция  (авторегуляция) – способность живых организмов поддерживать постоянство своего химического состава и интенсивность физиологических процессов (гомеостаз). Саморегуляция осуществляется благодаря деятельности нервной, эндокринной и некоторых других регуляторных систем. Сигналом для включения той или иной регуляторной системы может быть изменение концентрации какого-либо вещества или состояния какой-либо системы.

10. Ритмичность – свойство, присущее как живой, так и неживой природе. Оно обусловлено различными космическими и планетарными причинами: вращением Земли вокруг Солнца и вокруг своей оси, фазами Луны и т.д.

 Ритмичность проявляется  в периодических изменениях интенсивности  физиологических функций и формообразовательных  процессов через определенные  равные промежутки времени. Хорошо  известны суточные ритмы сна  и бодрствования у человека, сезонные  ритмы активности и спячки  у некоторых млекопитающих и  многие другие. Ритмичность направлена  на согласование функций организма  с периодически меняющимися условиями  жизни.

11. Энергозависимость. Биологические системы являются «открытыми» для поступления энергии. Под «открытыми» понимают динамические, т.е. не находящиеся в состоянии покоя системы, устойчивые лишь при условии непрерывного доступа к ним веществ и энергии извне. Живые организмы существуют до тех пор, пока в них поступают из окружающей среды энергия и вещества в виде пищи . В большинстве случаев организмы используют энергию Солнца: одни непосредственно – это фотоавтотрофы (зеленые растения и цианобактерии), другие опосредованно, в виде органических веществ потребляемой пищи, – это гетеротрофы (животные, грибы и бактерии).