Молекулярная биология - комплекс биологических наук

Молекулярная биология - комплекс биологических наук

Молекулярная биология - комплекс биологических наук, изучающих механизмы хранения, передачи и реализации генетической информации, строение и функции нерегулярных биополимеров (белков и нуклеиновых кислот).

Сам термин «Молекулярная биология» был впервые применён английским учёным Уильямом Томасом Астбери (1898 — 1961)к исследованиям, касавшимся выяснения зависимостей между молекулярной структурой и физическими и биологическими свойствами фибриллярных (волокнистых) белков, таких, как коллаген, фибрин крови или сократительные белки мышц. Широко применять термин «молекулярная биология» стали с начала 50-х гг. 20 в.

Молекулярная биология принадлежит к такому направлению изучения живых объектов, которое называется «редукционизм», т. е. стремление свести сложные жизненные функции к явлениям, протекающим на уровне молекул и потому доступным изучению методами физики и химии.

Достигнутые молекулярной биологией успехи свидетельствуют об эффективности такого подхода. Вместе с тем необходимо учитывать, что в естественных условиях клетка, ткань, орган и целый организм являются системами возрастающей степени усложнённости.

Эти системы образуются из компонентов более низкого уровня путём их интеграции в целое, которое приобретает новые свойства. Именно так устроен геном. Мономеры - нуклеотиды, объединяясь строго определенным образом, образуют цепочку ДНК, которая в свою очередь приобретает структурную организацию и объединяется с белками.

Ген – это единица наследственного материала, или участок молекулы ДНК, кодирующий биосинтез структурного или регуляторного белка и разные типы РНК (мРНК, рРНК, тРНК, микроРНК и др.).

Генотип – это совокупность генов одной соматической клетки или всего организма.

Геном – это полная генетическая система, отвечающая за появление, развитие, наследование и утрату всех структурных и функциональных особенностей организма в ходе его онтогенеза. Это гаплоидный набор нуклеотидов в молекуле ДНК (около 3,2 млрд. н.п.).

Геном человека — совокупность наследственного материала, заключённого в клетке человека. Человеческий геном состоит из 23 пар хромосом, находящихся в ядре, а также митохондриальной ДНК. Двадцать две аутосомы, две половые хромосомы Х и Y, а также митохондриальная ДНК человека содержат вместе примерно 3,1 млрд пар оснований.

 

В нашем геноме 32 000 генов

Расшифровка структуры генома человека показала, что в нашем геноме 32 000 генов, что в несколько раз больше, чем количество синтезируемых белков в нашем организме. Белок-кодирующих генов только 24 000, продуктом остальных генов являются молекулы РНК. Остаётся открытым вопрос, зачем нужна часть ДНК, которая ничего не кодирует (некоторые исследователи называют её "мусорной").

Рис. 2. «Известные и не известные гены»

Вся наша изменчивость на нуклеотидном уровне определяется 0,1% или около 100 000 мутаций. Из них» 70% определяют индивидуальные непатологические особенности. Немногим менее 5% составляют мутации, серьезным образом нарушающие структуру и функции кодируемых белков или даже приводящие к их полному отсутствию. Именно эти мутации связаны с тяжелыми моногенными болезнями человека.

Широко распространены в нашей популяции такие мутации, которые незначительно влияют на функции кодируемых белков. Эти мутации, получили название полиморфизмов и рассматриваются как варианты нормы. Но именно они формируют наследственную предрасположенность к наиболее частым мультифакторным болезням человека.

Напоминание:

Локус – от латинского слова «место» - место, занимаемое геном, генетическим маркером или SNP (единичная нуклеотидная замена) на хромосоме.

Локус, существующий в нескольких формах, называется полиморфным.

Аллель – мы наследуем по одному аллелю от каждого родителя, одна из форм локуса.

Определения:

Аллели (аллельные гены) — это различные формы одного и того же гена. В диплоидных (содержащего двойной набор хромосом) клетках организма присутствует по два аллеля каждого гена. Аллели одного и того же гена находятся в одинаковых локусах (местах) гомологичных хромосом.

Если два аллеля одного гена в клетках организма одинаковы, то такой организм (или клетка) называется гомозиготным. Если аллели разные, то организм называется гетерозиготным.

В диплоидных (содержащего двойной набор хромосом) клетках организма присутствует по два аллеля каждого гена. Аллели одного и того же гена находятся в одинаковых локусах (местах) гомологичных хромосом.

Если два аллеля одного гена в клетках организма одинаковы, то такой организм (или клетка) называется гомозиготным. Если аллели разные, то организм называется гетерозиготным.

Генетический полиморфизм (ГП) – это вариации генов у биологического вида. В классической генетике ГП соответствует вариантам, из которых наиболее редкий вариант встречается с частотой чаще, чем 1% (основан на диаллельной модели гена и множественном аллелизме – см. выше). В молекулярном плане ГП – это нарушения структуры нуклеотидов в молекуле ДНК. Основная форма: однонуклеотидный полиморфизм (ОНП) - изменения одной пары нуклеотидов, встречаются в 93% генов человека, в т.ч. качественный и количественный ГП. В первом случае - это замена одного нуклеотида, или SNP (частота 1: 300 нп.). Во втором случае - это вариабельность числа тандемных повторов нуклеотидов, или STR (следуют друг за другом в виде одного, двух, трех и более повторов).

Источником генетического полиморфизма служат изменения в ДНК:

- мутации – поставщик новых аллелей;

- множественные мутации – множественные аллели.

Примеры генетического полиморфизма – «варианта нормы»:

Апоптоз

Нормальный физиологический механизм программированной гибели клеток апоптоз. Апоптоз в переводе с греческого означает «опадение листьев с деревьев» - это программированная гибель клетки, которая запускается различными неспецифическими (УФО, g-излучение, химиотерапия, кислородные радикалы) и специфическими факторами (вирусы и др.). Этот процесс может быть как физиологическим, так и неблагоприятным - в зависимости от обстоятельств.

Первичный некроз - это всегда патологический процесс, индуцированный чаще физическим повреждением клетки и сопровождаемый воспалительной реакцией.

Смерть в результате старения удаляет из популяции особей, уже не участвующих в воспроизводстве. Это очень важный биологический процесс, направленный на поддержание генетического разнообразия и обеспечения тем самым общей жизнеспособности вида. Известно, что при старении меняется характер работы 1-2% всех генов. Но если при злокачественной трансформации уровень экспрессии этих генов повышается, то при старении он, наоборот, понижается.

Изменяется также характер работы генов, обеспечивающих устойчивость организма к стрессовым воздействиям. Очевидно, что старение сопровождается изменением огромного количества биохимических реакций в клетке, не говоря уже об организме, в целом. В реализации старения участвует множество молекулярных механизмов, большинство из которых нам еще неизвестны.

В этой связи интересен накопленный в геронтологии опыт терапии биорегулирующими пептидами. Оказалось, что относительно короткие последовательности аминокислот - пептиды - способны затормозить процессы старения, причем их эффект обладает выраженной тканеспецифичностью. Более того, назначение комплекса пептидных биорегуляторов, может предотвратить развитие даже таких старческих заболеваний, к которым у пациента имеется генетическая склонность. Не исключено, что специфические пептиды способны влиять на характер экспрессии генов, чем и может в определенной степени объясняться их эффект. Это лишь один из примеров профилактического направления молекулярной медицины.

ПЦР в клинической практике

1. Диагностика инфекционных заболеваний

2. Обнаружение антибиотикорезистентности флоры

3. Диагностика наследственных и врожденных заболеваний пренатально

4. Доказательство отцовства и родства

5. Диагностика и мониторинг злокачественных новообразований

6. Обнаружение предрасположенности ко многим мультифакторным заболеваниям

7. и др.

Сиквенс, но секвенирование

Расшифровка первичной нуклеотидной последовательности

Секвенирование (sequencing) – это общее название методов, которые позволяют установить последовательность нуклеотидов в молекуле ДНК. В настоящее время нет ни одного метода секвенирования, который бы работал для молекулы ДНК целиком; все они устроены так: сначала готовится большое число небольших участков ДНК (клонируется молекула ДНК многократно и «разрезается» в случайных местах), а потом читается каждый участок по отдельности.

Молекулярная биология - комплекс биологических наук

Молекулярная биология - комплекс биологических наук, изучающих механизмы хранения, передачи и реализации генетической информации, строение и функции нерегулярных биополимеров (белков и нуклеиновых кислот).

Сам термин «Молекулярная биология» был впервые применён английским учёным Уильямом Томасом Астбери (1898 — 1961)к исследованиям, касавшимся выяснения зависимостей между молекулярной структурой и физическими и биологическими свойствами фибриллярных (волокнистых) белков, таких, как коллаген, фибрин крови или сократительные белки мышц. Широко применять термин «молекулярная биология» стали с начала 50-х гг. 20 в.

Молекулярная биология принадлежит к такому направлению изучения живых объектов, которое называется «редукционизм», т. е. стремление свести сложные жизненные функции к явлениям, протекающим на уровне молекул и потому доступным изучению методами физики и химии.

Достигнутые молекулярной биологией успехи свидетельствуют об эффективности такого подхода. Вместе с тем необходимо учитывать, что в естественных условиях клетка, ткань, орган и целый организм являются системами возрастающей степени усложнённости.

Эти системы образуются из компонентов более низкого уровня путём их интеграции в целое, которое приобретает новые свойства. Именно так устроен геном. Мономеры - нуклеотиды, объединяясь строго определенным образом, образуют цепочку ДНК, которая в свою очередь приобретает структурную организацию и объединяется с белками.

Ген – это единица наследственного материала, или участок молекулы ДНК, кодирующий биосинтез структурного или регуляторного белка и разные типы РНК (мРНК, рРНК, тРНК, микроРНК и др.).

Генотип – это совокупность генов одной соматической клетки или всего организма.

Геном – это полная генетическая система, отвечающая за появление, развитие, наследование и утрату всех структурных и функциональных особенностей организма в ходе его онтогенеза. Это гаплоидный набор нуклеотидов в молекуле ДНК (около 3,2 млрд. н.п.).

Геном человека — совокупность наследственного материала, заключённого в клетке человека. Человеческий геном состоит из 23 пар хромосом, находящихся в ядре, а также митохондриальной ДНК. Двадцать две аутосомы, две половые хромосомы Х и Y, а также митохондриальная ДНК человека содержат вместе примерно 3,1 млрд пар оснований.