Тема 4. Применение биотехнологических подходов

Энергия и биотехнология. Понятие о биомассе в широком смысле. Два биотехнологических подхода к энергетическим проблемам. Получение топлива по схеме «биомасса–биотехнология». Технологии, основанные на утилизации солнечной энергии. Недостатки солнечной энергии и пути их преодоления. Фотосинтез с точки зрения биотехнологии. Факторы, влияющие на выход биомассы при фотосинтезе, и пути повышения выхода биомассы. Пути повышения эффективности фотосинтеза. Сельское и лесное хозяйство – основные поставщики сырья для производства биотоплива. Древесина, водоросли, масличные растения как сырье в энергетических производствах. Производство этилового спирта в качестве топлива. Усовершенствование процесса производства этанола.

Бесклеточные системы в энергетике.

Медицина и биотехнология. Средства диагностики, профилактики и лечения заболеваний. Пенициллин и другие антибиотики. Требования к идеальному антибиотику.

Гибридомы. Моноклональные антитела. Иммунологический анализ и сферы применения. Диагностика злокачественных новообразований. Направленное введение лекарственных препаратов. Получение важных для медицины веществ. Технология рекомбинантных ДНК для медицины. Проблема инсулина. Интерферон. Гормон роста. Вакцины.

Биотехнологические подходы в решении сельскохозяйственных задач. Растениеводство – сорта, болезни, удобрения. Фиксация азота. Новые принципы в селекции растений. Переработка сельскохозяйственного сырья. Биотехнологические аспекты животноводства.

 

“Микробиология ”

Тема 1. Возникновение и развитие микробиологии

Открытие микромира А. Левенгуком. Морфологический период в микробиологии. Работы Л. Пастера, заложившие основы физиологического направления в микробиологической науке. Исследования Р. Коха, Л.С. Ценковского, И.И. Мечникова, Д.К. Заболотного, П. Эрлиха и др., определившие успехи медицинской микробиологии. Работы основоположников почвенной микробиологии С.Н. Виноградского и М. Бейеринка, В.Л. Омельянского. Развитие биохимического направления в микробиологии. Работы А. Клюйвера и К. ван Нилля, показавшие биохимическое единство живых организмов.

Основные направления развития современной микробиологии. Развитие и основные направления микробиологических исследований в Беларуси. Значение микробиологии для народного хозяйства и здравоохранения.

 

Тема 2. Микроорганизмы и их классификация

Положение микроорганизмов в системе живого мира. Разнообразие микроорганизмов и их общность с другими организмами. Прокариотические и эукариотические микроорганизмы; сходства и основные различия.

Вирусы: общая характеристика, отличия от клеточных организмов жизни. Бактериофаги: свойства, химический состав, строение, распространение в природе. Вирулентные и умеренные бактериофаги; особенности взаимодействия с бактериальными клетками. Фаговая конверсия.

 

Тема 3. Морфология и структурная организация микробной клетки

Морфология и размеры бактерий. Плеоморфизм бактерий.

Анатомия бактериальной клетки. Роль различных химических соединений в формировании клеточных структур и функционировании бактерий.

Химический состав, строение и функции клеточной стенки бактерий. Различия клеточных стенок грамположительных и грамотрицательных бактерий. Бактериальные сферопласты и протопласты: методы получения, свойства, применение. L-формы бактерий и их характеристика.

Химический состав, организация и функции поверхностных структур бактериальной клетки (капсулы, слизистые слои, чехлы, ворсинки).

Цитоплазматическая мембрана бактерий: химическая природа, строение и функции. Транспорт веществ через цитоплазматическую мембрану. Производные цитоплазматической мембраны и их функции.

Цитоплазма бактерий; химический состав и организация. Внутрицитоплазматические включения; их природа и значение для клетки. Органеллы цитоплазмы и их функции.

Нуклеоид бактериальной клетки: химическая и структурная организация, функции. Репликация ДНК у бактерий. Концепция репликона. Регуляция клеточного деления.

Органеллы движения бактерий. Строение, расположение на клетке и функционирование бактериальных жгутиков. Движение спирохет и бактерий со скользящим типом передвижения.

Строение, химический состав и свойства бактериальных эндоспор. Цитология и биохимия процесса спорообразования. Практическое значение спорообразования. Другие покоящиеся формы бактерий.

Типы размножения бактерий.

Неокрашенные (нативные) и окрашенные препараты бактерий: техника приготовления и назначение. Техника окраски бактериальных жгутиков. Техника и механизм окраски бактерий по методу Грама. Техника и механизм окраски кислотоустойчивых бактерий. Методы выявления бактериальных эндоспор, капсул, резервных веществ, нуклеоида. Методы изучения подвижности бактерий.

 

Тема 4. Культивирование и рост микроорганизмов

Питательные среды в микробиологии (классификация, принцип изготовления). Культивирование аэробных и анаэробных микроорганизмов.

Накопительные культуры; методы их получения. Чистые культуры микроорганизмов; методы их получения.

Рост клетки и бактериальной популяции. Сбалансированный и несбалансированный рост. Основные параметры роста культур: время генерации, удельная скорость роста, выход биомассы, экономический коэффициент. Закономерности роста чистых культур при периодическом выращивании. Кривая роста, характеристика отдельных фаз. Рост микроорганизмов при непрерывном культивировании. Синхронные культуры, способы их получения и значение. Культивирование иммобилизованных клеток микроорганизмов.

Методы количественного учета микроорганизмов. Методы поддержания (хранения) культур микроорганизмов.

 

Тема 5. Физиология и метаболизм микроорганизмов

Факторы роста бактериальной клетки.

Питание микроорганизмов. Фототрофы и хемотрофы. Автотрофы и гетеротрофы. Химические вещества как питательные субстраты. Ферментативное оснащение микроорганизмов, обеспечивающее утилизацию питательных веществ. Конститутивные и индуцибельные ферменты. Экзо- и эндоферменты. Определение ферментативной активности микроорганизмов. Факторы роста бактериальной клетки. Ауксотрофы и прототрофы. Физиологические группы питания бактерий. Сапрофиты и паразиты. Миксотрофы. Поступление питательных веществ в клетку микроорганизмов (пассивная диффузия, облегченная диффузия, пассивный перенос, активный транспорт). Ионный обмен.

Источники и способы получения энергии. Сукциногенные бактерии. Брожение. Типы брожения: спиртовое, маслянокислое, молочнокислое (гомо- и гетероферментативное), пропионовокислое, уксуснокислое и т.д. Фотосинтез. Хемосинтез. Анаэробное, аэробное дыхание. Неполное окисление. Нитратное, карбонатное, сульфатное, фумаратное дыхание. Роль в природе метанообразующих, нитрифицирующих и других прокариот. Регуляция клеточного метаболизма. Регуляция синтеза и активности ферментов. Пути метаболизма глюкозы. Регуляция различных метаболических путей. Основные механизмы, регулирующие катаболические пути. Формы запасания энергии в клетках прокариот. Субстратное фосфорилирование. Окислительное и фотосинтетическое фосфорилирование. Синтез молекул АТФ. Электрон-транспортные цепи (ЭТЦ). Доноры и акцепторы электронов.

Регуляция активности ферментов у бактерий. Ретроингибирование. Мультивалентное, кумулятивное и последовательное ингибирование активности ферментов. Регуляция синтеза ферментов у бактерий. Оперонный принцип организации бактериальных хромосом. Индуцибельные опероны и механизмы их функционирования. Катаболитная репрессия. Диауксия. Механизмы функционирования репрессибельных оперонов. Аттенуация.

Фотосинтез у бактерий, отличие от фотосинтеза растений. Строение фотосинтетического аппарата бактериальной клетки. Фотосинтетические пигменты бактерий. Фотосинтез с выделением и без выделения молекулярного кислорода. Использование энергии света галобактериями.

Группы фотосинтезирующих микроорганизмов. Группы хемосинтезируюших микроорганизмов. Галобактерии, их биологические особенности. Биолюминисценция. Биосинтез микроорганизмами аминокислот, углеводов, нуклеотидов, белков, жирных кислот и фосфолипидов.

 

Тема 6. Генетика микроорганизмов

Изменчивость микроорганизмов. Доказательства мутационной природы изменения наследственных признаков у бактерий. Понятие об адаптации микроорганизмов. Модификационная изменчивость у бактерий. Мутации у бактерий. Классификация мутаций и молекулярные основы мутационного процесса. Мутагенные факторы. Практическое использование мутаций. Методы выделения мутантов бактерий.

Характеристика способов генетического обмена у бактерий. Бактериальная трансформация. Открытие, механизм, стадии трансформации. Компетентность реципиентных клеток при трансформации и ее природа. Практическое значение трансформации. Бактериальная конъюгация; открытие, механизм, основные особенности как способа обмена генетической информацией. Стадии конъюгации. Практическое значение конъюгации. Донорные и реципиентные бактерии и их характеристика. Половой фактор Е. со1i; его организация и функции. Типы бактерий-доноров; механизмы их образования и основные отличия. Особенности потомства, образующегося в скрещиваниях с использованием различных доноров. Феномен сексдукции. Бактериальная трансдукция; открытие, механизм и особенности. Типы трансдукции. Использование трансдукции в практических целях. Отличие трансдукции от фаговой конверсии.

Техника скрещивания бактерий. Принципы отбора рекомбинантов.

Плазмиды бактериальных клеток; природа, организация, свойства и значение для бактериальной клетки. Взаимодействие плазмид с хромосомой. Использование плазмид в генетической инженерии.

Мигрирующие генетические элементы бактерий (IS-элементы, транспозоны, фаги-транспозоны).

Системы рестрикции и модификации бактериальной клетки: обнаружение, механизм, значение для клетки. Типы ферментов рестриктаз.

Генетическая инженерия. Клонирование генов в клетках микроорганизмов. Успехи и перспективы генетической инженерии.

Тема 7. Систематика и классификация микроорганизмов

Принципы систематики бактерий. Классификация, номенклатура и идентификация бактерий. Генетические, фенотипические и серологические критерии систематики. Современная филогенетическая и фенотипическая классификация бактерий.

Принципы видовой идентификации микроорганизмов.

Фототрофные бактерии: систематика, биологические свойства, распространение в природе и значение. Характеристика цианобактерий, пурпурных и зеленых бактерий, гелиобактерий и прохлорофит.

Хемолитотрофные бактерии. Механизм окисления неорганических веществ хемолитотрофными бактериями. Нитрифицирующие бактерии. Процесс нитрификации и его роль в круговороте азота в природе. Бактерии, окисляющие неорганические соединения серы. Железобактерии. Водородные бактерии. Карбоксидобактерии.

Миксобактерии и цитофаги. Цикл развития миксобактерий с образованием плодовых тел.

Риккетсии и хламидии. Жизненный цикл развития хламидий внутри эукариотических клеток. Заболевания, вызываемые патогенными хламидиями и риккетсиями.

Спирохеты.

Псевдомонады; их биохимические особенности, роль в природе и практическое значение.

Свободноживущие и симбиотические азотфиксирующие микроорганизмы; их характеристика и роль в круговороте азота. Механизм фиксации молекулярного азота. Практическое использование азотфиксирующих микроорганизмов.

Группа молочнокислых бактерий; их физиолого-биохимические особенности, распространение в природе и практическое значение. Характеристика патогенных представителей молочнокислых бактерий.

Энтеробактерии; их систематика, характеристика и значение отдельных представителей для человека. Бактерии Е. со1i как санитарный показатель загрязнения внешней среды. Коли-титр и коли-индекс.

Пропионовокислые бактерии; их биологические свойства, практическое значение и распространение в природе.

Спорообразующие бактерии; их характеристика, практическое значение и распространение в природе.

Грамотрицательные кокки, входящие в семейство Neisseriaceae.

Коринеформные бактерии.

Микобактерии. Кислотоустойчивость микобактерий и факторы их вирулентности.

Актиномицеты; особенности структурной организации, систематика, физиолого-биохимические свойства, роль в природе, практическое использование.

Микоплазмы.

Метилотрофные бактерии. Облигатные и факультативные метилотрофы. Практическое применение метилотрофных бактерий.

Архебактерии. Отличие архебактерий от эубактерий. Характеристика групп архебактерий.

 

Тема 8. Экология микроорганизмов

Распространенность микроорганизмов в природе. Роль микроорганизмов в круговороте веществ, в почвообразовательных процессах и плодородии почвы. Значение микроорганизмов в первичной продукции водоёмов и минерализации органических веществ. Роль микроорганизмов в переработке отходов и детоксикации веществ.

Влияние физических и химических факторов среды на жизнедеятельность микроорганизмов, механизмы действия этих факторов. Репарация повреждений ДНК у микроорганизмов. Практическое использование химических и физических факторов.

Взаимоотношения микроорганизмов. Ассоциативные заимоотношения: метабиоз, симбиоз, комменсализм, сателлизм. Конкурентные взаимоотношения: антагонизм, паразитизм.

Антибиотики. Продуценты антибиотических веществ. Механизм действия антибиотиков. Спектр действия. Антибиотикорезистентность бактерий.

Формы взаимоотношений между микроорганизмами, и факторы их определяющие. Симбиотические и конкурентные взаимоотношения. Бак-териоцины; химическая природа и свойства. Значение бактериоцинов для бактерий. Практическое использование бактериоциногенных штаммов. Методы изучения микробного антагонизма. Выявление бактериоциногенной активности.

Взаимоотношение микроорганизмов с высшими растениями и животными. Типы взаимоотношений, примеры. Нормальная микрофлора человека, её представители и значение для организма. Дисбактериоз. Эпифитная и ризосферная микрофлора растений. Микроорганизмы, патогенные для человека, животных и растений, и факторы их вирулентности. Инвазивность, агрессивность, токсигенность. Бактериальные токсины, их классификация, химическая природа и свойства. Механизм токсинообразования. Действие токсинов на восприимчивый организм.

Понятие о стерилизации, асептике, антисептике, дезинфекции. Пастеризация. Методы стерилизации, используемые в микробиологической практике. Методы определения чувствительности бактерий к УФ-облучению.

“Генетика”

Тема 1. Предмет генетики. Понятие о наследственности и изменчивости. Место генетики в системе биологических наук.

Проявление наследственности и изменчивости на разных уровнях организации живых организмов – молекулярном, клеточном, организменном и популяционном.

Объекты генетики. Методы генетики (гибридологический, цитологический, математический, молекулярно-генетический, биохимический и т.д.). основные особенности гибридологического анализа. Связь генетики с другими науками и отраслями биологии, сельского хозяйства и медицины.

Основные разделы генетики: классическая генетика, молекулярная генетика, цитогенетика, генетика популяций, эволюционная генетика. Генетика онтогенеза, иммуногенетика, биохимическая генетика, математическая генетика, экологическая генетика, генетика поведения и др. Генетика вирусов, микроорганизмов, растений, животных и человека. Частная и сравнительная генетика. Значение генетики для других наук и практики.

 

Тема 2. Наследование признаков при моно- ди- и полигибридном скрещивании

Моногибридное скрещивание. Первый закон Г. Менделя. Доминантные и рецессивные признаки. Понятие о генах и аллелях, гомозиготности и гетерозиготности, генотипе и фенотипе. Взаимодействие аллельных генов (полное доминирование, неполное доминирование и кодоминирование). Множественный аллелизм. Межаллельная комплементация.

Второй закон Г. Менделя. Правило «чистоты» гамет. Характер расщепления признаков по генотипу и фенотипу во втором поколении при разных типах взаимодействия аллелей. Условия выполнения второго закона Г. Менделя.

Типы скрещиваний (реципрокное, возвратное, анализирующее скрещивание). Значение анализирующего скрещивания для генетического анализа.

Статистическая проверка гипотез (метод c ²).

Доминантно-рецессивное состояние генов и наследственные заболевания человека (альбинизм, фенилкетонурия, ахондроплазия, полидактилия и брахидактилия и др.).

Дигибридное и полигибридное скрещивания. Третий закон Г. Менделя. Независимое наследование признаков. Расщепление по генотипу и фенотипу. Цитологические основы независимого комбинирования генов, признаков. Формулы для расчета различных параметров полигибридного скрещивания (возможного числа гамет, генотипов, фенотипов, генотипических классов и т.д.). Наследование при ди- и полигибридном анализирующем скрещивании.

Взаимодействие неаллельных генов (комплементарность, эпистаз, полимерия, действие генов модификаторов). Изменение стандартных формул расщепления при взаимодействии генов. Комплементарное действие генов. Эпистаз и его типы (доминантный и рецессивный). Наследование эпистатических генов. Полимерия (кумулятивная и некумулятивная). Особенности наследования количественных признаков. Действие генов-модификаторов. Плейотропия. Летальное действие гена.

Влияние факторов внешней среды на реализацию генотипа. пенетрантность, экспрессивность и норма реакции.

 

Тема 3. Цитологические основы наследственности

Развитие представлений о цитологических основах наследственности (работы Р. Вирхова, У. Сэттона и Т. Бовери).

Хромосомы – материальная основа наследственности. Строение хромосом. Упаковка ДНК в хромосомах и биологическое значение этого явления. Ультраструктурная организация хромосом. Нуклеосомы. Морфология митотических хромосом. Кариотип. Идиограмма. Понятие о гетерохроматине и эухроматине. Дифференциальная окраска хромосом и ее значение для анализае кариотипа.

Политенные хромосомы как модель интерфазной хромосомы: механизм образования, морфология и генетическая организация. Хромосомы типа «ламповых щеток».

Особенности строения нуклеоида прокариот.

Митоз. Клеточный цикл и его этапы. Место митоза в клеточном цикле и его продолжительность. Стадии митоза. Биологическое значение митоза. Особенности распределения цитоплазматических органелл в процессе деления клетки. Типы митоза.

Мейоз. Мейоз как цитологическая основа образования половых клеток. Стадии мейоза. Поведение гомологичных и негомологичных хромосом и третий закон Г. Менделя. причины образования новых комбинаций генов в результате мейоза. Расщепление на гаметном уровне. Доказательство правила «чистоты гамет» с помощью тетрадного анализа. Принципиальные различия в поведении хромосом в мейозе и митозе. Биологическое значение мейоза.

Типы мейоза (гаметный, споровый и зиготный) и их особенности.

Гаметный мейоз. Образование гамет у млекопитающих. Сперматогенез и оогенез. Роль мейоза и митоза в сперматогенезе и оогенезе. Место мейоза в жизненном цикле животных. Смена гапло- и диплофаз в процессе развития организма.

Споровый мейоз. Образование гамет у высших растений. Микроспорогенез и развитие мужского гаметофита. Мегаспорогенез и образование женского гаметофита. Место мейоза в жизненном цикле растений. Чередование гапло- и диплофаз в жизненном цикле высших растений, папоротников и мхов. Двойное оплодотворение у растений.

Механизмы несовместимости у растений. Типы несовместимости: гомоморфическая (гаметофитная и спорофитная) и гетероморфическая.

Зиготный мейоз. Образование гамет у грибов, водорослей и дрожжей. Механизм образования аскоспор у Neurospora crassa. Чередование гапло- и диплофаз в жизненном цикле гриба. Механизм образования спор у Saccharomyces cerevisiae. Смена гапло- и диплофаз в жизненном цикле дрожжей. Роль мейоза и митоза в процессе образования спор.

Нерегулярные типы полового размножения у растений и животных: апомиксис и партеногенез, гиногенез, андрогенез.

 

Тема 4. Хромосомная теория наследственности

Определение пола. Биология пола у животных и растений. Гомо- и гетерогаметный пол. Механизмы определения пола (XY, XO, ZW, ZO и гапло-диплоидный). Пол у растений. Генетические и цитогенетические особенности половых хромосом. Гинандроморфизм. Балансовая теория определения пола у дрозофилы К. Бриджеса. Половой хроматин. Наследственные заболевания, связанные с изменением числа половых хромосом.

Дифференциация и переопределение пола в онтогенезе. Естественное и искусственное (гормональное) переопределение пола. Соотношение полов в природе.

Наследование признаков сцепленных с полом. Отклонения от законов Г. Менделя, обнаруженные Т. Морганом при изучении наследования признака окраски глаз у дрозофилы. Особенности наследования признаков, сцепленных с полом в случае гетерогаметности мужского и женского пола. Анализ реципрокных скрещиваний. Крисс-кросс наследование. Признаки, частично сцепленные с полом, голандрические, гологенические, зависимые от пола и ограниченные полом. Закономерности расхождения половых хромосом в мейозе.

Наследственные заболевания человека, связанные с доминантными и рецессивными мутациями в Х -хромосоме.

Нерасхождение половых хромосом. Первичное и вторичное нерасхождение хромосом в опытах К. Бриджеса. Характер наследования признаков при нерасхождении половых хромосом как прямое доказательство их роли в передаче признаков потомству. Последствия нерасхождения хромосом у человека (синдром Дауна, синдром Кляйнфельтера и т.д.).

Сцепление и кроссинговер. Параллелизм в поведении хромосом и наследственных факторов. Доказательства роли хромосом в передаче наследственной информации. Нарушение закона независимого наследования признаков в опытах У. Бэтсона и Р. Пеннета (1906) на душистом горошке. Доказательство сцепленного наследования признаков, представленное Т. Морганом (1911) на дрозофиле. Полное и неполное сцепление. Генетическое доказательство перекреста хромосом. Кроссинговер. Определение частоты кроссинговера по результатам расщепления в анализирующем скрещивании и во втором поколении.

Опыты А. Стертеванта и Т. Моргана (1911-1916) по картированию Х-хромосомы дрозофилы. Использование двух- и трехфакторного скрещивания для построения генетических карт. Линейное расположение генов в группах сцепления. Единица генетической карты. Правило аддитивности. Интерференция (положительная и отрицательная). Коэффициент коинциденции. Хромосомы и группы сцепления. Этапы генетического анализа при картировании хромосом. Основные положения хромосомной теории Т. Моргана.

Цитологические доказательство кроссинговера. Работы Х. Крейтон и Б. Мак-Клинток на кукурузе (1931) и К. Штерна (1931) на дрозофиле. Кроссинговер на стадии четырех хроматид в профазе I мейоза и его цитологическое доказательство К. Бриджесом и И. Андерсоном (1925) на дрозофиле и С. Эмерсоном на Neurospora crassa (1963).

Сравнение цитологических и генетических карт хромосом. Факторы, влияющие на частоту кроссинговера.

Типы кроссинговера. Мейотический кроссинговер. Митотический кроссинговер и его экспериментальное доказательство К. Штерном (1933). Соматический мозаицизм. Неравный кроссинговер. Опыты А. Стертеванта (1925) по наследованию локуса Bar у дрозофилы. Гибридизация соматических клеток.

Молекулярный механизм кроссинговера. Типы двойного кроссинговера: двух, трех и четыреххроматидные обмены. Модель кроссинговера Р. Холлидея (1964) и ее основные этапы (образование синаптонемального комплекса, полухиазмы, миграция ветвей, изомеризация полухиазмы, разрешение полухиазмы, коррекция гетеродуплексов). Генная конверсия.

Рекомбинация у бактерий и вирусов. Особенности микроорганизмов как объекта генетических исследований. Организация генетического аппарата у бактерий и вирусов.

Способы генетического обмена у бактерий (конъюгация, трансформации и трансдукция). Особенности проведения генетического анализа и построения генетических карт у бактерий.

Конъюгация. Половой фактор. Рекомбинация при конъюгации бактерий. Особенности генетического анализа бактерий и построения генетических карт при коньюгации.

Трансформация. Особенности генетического анализа бактерий при трансформации.

Трансдукция и ее типы. Использование бактериофагов для картирования хромосомы бактерий.

Механизм общей, сайт-специфической и незаконной рекомбинации.

 

Тема 5. Структура и функции гена

Эволюция представлений о гене. Представления школы Т.Моргана о строении и функции гена: ген как единица мутации, рекомбинации, функции. Рекомбинационный, мутационный и функциональный критерий аллелизма.

Формирование современных представлений о структуре гена. Работы А.С. Серебровского (1929) по ступенчатому аллеломорфизму на дрозофиле. Концепция псевдоаллелизма. Кризис «теории гена». Работа Дж. Бидла и Е. Татума (1941) над созданием концепции «один ген – один фермент» на Neurospora crassa.

Рекомбинационный анализ гена. Опыты С. Бензера (1961) на бактериофаге Т4, доказывающие мутационную и рекомбинационную делимость гена. метод перекрывающихся делеций. Функциональный тест на аллелизм (цис - транс -тест).

Структура гена прокариотических организмов. Интрон-экзонная организация генов у эукариот.

 

Тема 6. Молекулярные механизмы наследственности

Доказательства генетической роли ДНК и РНК. Опыты Ф. Гриффита (1928), О. Эйвери, К. Мак-Леод и М. Мак-Карти (1944) на пневмококках, А. Херши и М. Чейз (1952) – на бактериофаге Т2, Г. Френкель-Конрата и Р. Вильямса (1956) – на ВТМ, опыты по трансформации соматических клеток в культуре тканей.

Строение ДНК и РНК. Видовая специфичность нуклеотидного состава ДНК. Типы молекул ДНК и РНК у эукариот, прокариот и вирусов (линейные двухцепочечные ДНК, кольцевые двухцепочечные и одноцепочечные ДНК, линейные двухцепочечные и одноцепочечные РНК).

Репликация ДНК. Модель полуконсервативного способа репликации ДНК и ее доказательство М. Мезельсоном и Ф. Сталем (1957) на E. coli и Дж. Тейлером (1963) на Vicia faba. Механизм репликации ДНК. Ферменты репликации. Схема репликационной вилки.

Особенности репликации ДНК у про- и эукариот. Репликация линейных двухцепочечных молекул эукариот (множественность репликонов) и фагов Т7 (образование У -структур). Репликация кольцевой двухцепочечной молекулы ДНК у бактерий и фагов (с образованием q структур или по типу катящегося кольца) и митохондрий (с образованием D -петли).

Репарация ДНК. Репарация как механизм поддержания стабильности генетической информации. Типы повреждений ДНК, удаляемые репарационными системами. Эффективность репарационных систем.

Классификация репарационных систем. Прямая реактивация. Фотореактивация и ее этапы. Эксцизионная репарация, ее этапы, ферментное обеспечение и генетический контроль. Пострепликативная репарация, ее механизм и связь с рекомбинационной системой. SOS -репарация. Репарация однонитевых и двухнитевых разрывов ДНК. Дефекты системы репарации и наследственные заболевания человека.

Рестрикция-модификация ДНК. Система рестрикции-модификации и ее роль в защите клеток от включения в ее генетический материал чужеродной ДНК. Работы В. Арбера по исследованию рестрикции-модификации в системе E. coli –бактериофаг l. Роль рестриктаз и метилаз в функционировании системы рестрикции – модификации.

Транскрипция. Процесс транскрипции, его особенности у про- и эукариот. Составляющие элементы процесса транскрипции (ДНК как матрица, РНК-полимераза, АТФ, мРНК), их структура и функция. Строение промоторов у про- и эукариот. Этапы транскрипции (инициация, элонгация, терминация). Образование пре-мРНК у эукариот.

Обратная транскрипция.

Трансляция. Процесс трансляции и его особенности у про- и эукариот. Составляющие элементы процесса трансляции (мРНК, рибосомы, тРНК, белковые факторы, АТФ, ГТФ), их структура и функции. Значимые для осуществления трансляции области на мРНК. Этапы трансляции (инициация, элонгация и терминация). Биологическое значение процесса трансляции.

Генетический код и его характеристика. Свойства генетического кода (триплетность, универсальность, неперекрываемость, отсутствие разделительных знаков, линейность, колинеарность, вырожденность, наличие инициирующих и терминирующих кодонов). Доказательство триплетности кода Ф. Криком (1961). Работы М. Ниренберга, Дж. Маттеи (1961) и С. Очоа (1962) по изучению генетического кода. Окончательная расшифровка генетического кода М. Ниренбергом и П. Ледером (1965). Биологическое значение генетического кода.

Экспрессия генов. Регуляция экспрессии генов на уровне транскрипции (индукция, репрессия, катаболитная репрессия, аттенуация). Опероная организация генов у бактерий. строение оперонов. Структурные и регуляторные гены. Регуляция транскрипции путем индукции на примере Lac -оперона. Катаболитная репрессия. Механизм репрессии на примере trp -оперона. Ретроингибирование.

Регуляция экспрессии генов у эукариот. Активация транскрипции регуляторными белками как основной механизм регуляции экспрессии генов у эукариот. Участие малых молекул РНК в регуляции экспрессии генов.

 

Тема 7. Изменчивость генетического материала

Классификация типов изменчивости: наследственная (генотипическая), ненаследственная (модификационная) и онтогенетическая. Наследственная изменчивость организмов как основа эволюции.

Наследственная изменчивость (мутационная и комбинативная). Мутационная теория Г. де Фриза и ее историческое значение. Основные положения мутационной теории. Закон гомологических рядов Н.И.Вавилова (1920) как пример наследственной изменчивости организмов. Значение закона для теории и практики селекционного процесса. Развитие теории индуцированного мутагенеза Г.А. Надсоном, Г.С. Филипповым и Г. Меллером (1925-1927).

Понятие о мутациях. Принципы классификации мутаций. Классификация мутаций по характеру изменения генотипа, по проявлению в гетерозиготе, по отклонению от нормы, в зависимости от причин их возникновения. Дополнительные критерии классификации мутаций: по локализации в клетке, локализации в организме, по фенотипическому проявлению.

Спонтанные и индуцированные мутации. Методы индукции мутаций. Области применения индуцированного мутагенеза в генетике и селекции.

Генетические коллекции мутантных форм и их использование в частной генетике растений, животных и микроорганизмов. Значение мутаций для генетического анализа.

Методы учета мутаций у про- и эукариот (микроорганизмов, растений и животных).

Генетические последствия загрязнения окружающей среды ксенобиотиками. Методы количественного учета мутаций. Характеристика тест-систем, используемых для выявления мутагенов и оценки степени генетического риска.

Методы учета мутаций у бактерий (прямой и непрямой отбор мутантов). Выделение ауксотрофных мутантов и мутантов, устойчивых к фагам. Тест Ньюкомба и флуктуационный тест Лурия и Дельбрюка. Учет мутаций у дрожжей на примере Ade -мутантов Saccharomyces cerevisiae.

Методы учета рецессивных сцепленных с полом мутаций у дрозофилы (Меллер-5, Double yellow, ClB). Метод сбалансированных леталей Cyrly для учета рецессивных летальных мутаций у дрозофилы. Возможности методов и области их практического применения.

Особенности учета мутаций у растений и животных.

Генные мутации. Классификация генных мутаций по характеру изменения структуры ДНК: транзиции, трансверсии, вставки и выпадения нуклеотидов. Классификация генных мутаций по их проявлению на уровне белка (молчащие, нейтральные, миссенс и нонсенс мутации, мутации со сдвигом рамки считывания). Реверсии (прямые, эквивалентные, внутригенные и внегенные супрессорные мутации). Причины генных мутаций – концепция Р. фон Берстела об «ошибках трех Р»: репликации, репарации и рекомбинации.

Спонтанные мутации и молекулярные механизмы их возникновения. Типы спонтанных повреждений ДНК. Причины спонтанных мутаций – ошибки репликации, вставки и выпадения нуклеотидов, повреждения нуклеотидов. Ошибки репликации как результат таутомеризации оснований или их повреждения. Механизм появления транзиций, трансверсий, мутаций со сдвигом рамки считывания, делеций и дупликаций.

Спонтанные мутации и наследственные болезни человека.

Индуцированные мутации. Роль физических (радиация, УФ-свет, СВЧ и др.) и химических (формальдегид, гидроксиламин, азотистая кислота, этилметансульфонат, нитрозогуанидин и др.) факторов в возникновении мутаций. Механизмы индуцированного мутагенеза. Ошибки репликации и ошибки включения под действием аналогов оснований 5-бромурацила и 2-аминопурина. Повреждения оснований в результате действия алкилирующих агентов, гидроксиламина, бисульфита натрия, азотистой кислоты. Включение акридиновых красителей в молекулу ДНК.

Связь между мутагенезом и канцерогенезом.

Хромосомные мутации. Классификация хромосомных мутаций (делеции или дефишинси, дупликации, инверсии, транслокации, транспозиции).

Делеции хромосом (терминальные или дефишинси и интерстициальные). Особенности поведения во время мейоза. Явление псевдодоминантности и гемизиготное состояние. Методы выявления делеций (генетические и цитологические).

Дупликаций (тандемные и инвертированные). Амплификации. Роль дупликаций в эволюции генома.

Инверсии (парацентрические и перицентрические). Генетические последствия инверсий. Поведение во время мейоза. Механизм образования инверсионной петли. Постмейотические аномалии хромосом с парацентрическими и перицентрическими инверсиями. Причины низкой жизнеспособности гамет и отсутствия кроссоверных типов гамет. Методы выявления инверсий (генетические и цитологические).

Транслокации. Поведение во время мейоза. Механизм образования квадривалентов. Причины низкой жизнеспособности гамет и отсутствия кроссоверных типов гамет. Эффект положения.

Транспозиции. Роль IS -элементов и транспозоновв возникновении мутаций. Мигрирующие генетические элементы у растений и дрозофилы. Работы Б. Мак-Клинток на кукурузе (1947).

Значение хромосомных перестроек в эволюции.

Геномные мутации. Классификация геномных мутаций. Эуплоидия и анеуплоидия.

Эуплоидия (гаплоиды, диплоиды и полиплоиды). Полиплоидия и ее типы: автополиплоидия и аллополиплоидия. Амфидиплоиды как частный случай аллополиплоидии. Сбалансированная и несбалансированная полиплоидия. Факторы, вызывающие образование полиплоидов (действие колхицина, температуры и др.).

Гаплоиды и их использование в биотехнологии растений. Механизм образования триплоидов. Поведение хромосом во время мейоза у триплоидов и причины их стерильности. Использование триплоидов в селекционной практике.

Типы автотетраплоидов (квадриплексы, нуллиплексы, триплексы, дуплексы, симплексы) и их генотипы. Характер расщепления признаков в потомстве при случайном хромосомном расщеплении. Явление двойной редукции. Мейоз у автотетраплоидов. Особенности генетического анализа у автотетраплоидов. Значение полиплоидии в эволюции и селекции растений. Полиплоидия у животных.

Аллополиплоидия как механизм получения плодовитых амфидиплоидов на при