Учебное пособие: Биология
НУКЛЕОТИДЫ, ИХ СТРУКТУРА
И ФУНКЦИИ
Характеристика молекул, входящих
в состав нуклеотидов. Пуриновые и пиримидиновые основания. Углеводы в составе
нуклеотидов. Функции нуклеотидов: коферменты, регуляторы (цАМФ), макроэрги,
структурные единицы нуклеиновых кислот. Причины высокой реакционной способности
и энергоемкости нуклеотидов. Свойства ангидридной связи, конкурирующий резонанс
в ангидридах фосфорной кислоты. Макроэрги. Структура и свойства АТФ. Величина
изменения свободной энергии макроэргической связи в молекуле АТФ. Роль ионов
Mg+2 в функции АТФ. Другие нуклеозидтрифосфаты: ГТФ, УТФ, ЦТФ. Их функции в
метаболизме.
СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА
НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ
Открытие Ф.Мишером (1867)
нуклеиновых кислот. Локализация ДНК в клетках эукариотов. Содержание ДНК в
клетках соматических и половых. Доказательство биологической роли ДНК. Опыты
О.Эвери по трансформации бактерий. Эксперименты А.Херши и М.Чейз с мечеными
атомами на бактериофаге Т2. Первичная структура дезоксирибонуклеиновой кислоты.
Связи, соединяющие нуклеотиды в ДНК. Методы исследования первичной структуры
ДНК. Рестриктазы - ферменты ограниченного расщепления молекулы на определенные
фрагменты. Значение этого метода для определения последовательности нуклеотидов
в отдельных участках молекулы ДНК. Другие методы изучения первичной структуры
ДНК. Вторичная структура ДНК. Открытие Дж. Уотсоном и Ф. Криком двойной спирали
как структурной организации молекулы ДНК в 1951-53 гг. Факты и
экспериментальные данные, которые легли в основу представления о двуспиральной
организации вторичной структуры ДНК. Правила Чаргаффа. Данные
рентгеноструктурного анализа о периодичности в структуре ДНК, шаг спирали,
диаметр молекулы. Принцип комплементарности лежит в основе построения двойной
спирали ДНК. Свойства ДНК. Величина молекулы, вязкость, поглощение в УФ,
влияние температуры и рН на структуру ДНК.
Третичная структура ДНК.
Способ плотной укладки длинных цепей ДНК в очень ограниченном пространстве
клетки у прокариотов и эукариотов. Хромосомы. Гистоны и негистоновые белки.
Характеристика гистонов. Их роль в организации третичной структуры ДНК.
Нуклеосомы, их организация. Полисомы. Хромосомы.
Строение и свойства
рибонуклеиновых кислот. Отличие РНК по составу и строению нуклеотидов от ДНК.
Типы РНК. Локализация РНК в клетках.
Матричная или
информационная РНК - м-РНК. Молекулярный вес. Первичная структура.
Транспортные РНК - т-РНК.
Особенности нуклеотидного состава тРНК. Минорные основания. Вторичная структура
тРНК - тип клеверного листа. Третичная структура тРНК. Функциональные участки
тРНК - акцепторный участок, антикодон, участок узнавания рибосомы. Функции
тРНК. Разнообразие тРНК в клетке.
Рибосомальные РНК - рРНК.
Строение рибосом. Строение рибосом у прокариотов и эукариотов. Строение малой
субъединицы рРНК. Большая субъединица рРНК и белки, входящие в ее состав.
Локализация рибосом в клетке, их связь с эндоплазматическим ретикулумом.
БИОСИНТЕЗ НУКЛЕИНОВЫХ
КИСЛОТ
Репликация молекул ДНК.
Опыты Мезельстона и Сталя
1957 г., доказательства полуконсервативного типа репликации ДНК.
Компоненты,
необходимые для репликации ДНК: ДНК-матрица в преобразованном виде, нуклеотиды
в виде трифосфатов, РНК-затравка (праймер), к 3'-ОН группе, которой
присоединяется следующие основания, ферменты репликации. Главный фермент
репликации - ДНК-зависимая-ДНК-полимераза 3 - осуществляет образование
фосфодиэфирной связи в направлении 5'->3' и элонгацию цепи.
Последовательные этапы
репликации: узнавание точки начала репликации; образование репликационной
вилки. Сложный процесс расплетения двойной спирали во многих точках. Ферменты
расплетения хеликазы. Репликация на лидирующей и отстающей цепи ДНК. Фрагменты
Оказаки. Процесс создания двойной спирали - ферменты топоизомеразы. Сшивание
фрагментов и закручивание спирали.
ДНК-полимераза II -
фермент репарации. ДНК-лигаза - сшивающий фермент.
Транскрипция РНК.
ДНК-матрица для синтеза всех
типов РНК. Локализация синтеза всех типов РНК в клетке.
Структурные
участки ДНК, на которых синтезируются мРНК-цистроны. Отличия цистронов у
прокариотических и эукариотических клеток. Экзоны и интроны. фермент синтеза
мРНК - ДНК-зависимая-РНК-полимераза. Строение фермента, механизм его действия.
Инициация транскрипции. Промоторный комплекс. Элонгация и терминация
транскрипции. Предшественники мРНК в клетках эукариотов. Процессинг мРНК,
вырезание интронов и сплайсинг. Ферментативная роль мя-РНК в этом процессе.
Образование зрелой мРНК, защита 3 и 5 концов молекул. Информосомы, выход в
цитоплазму. Время жизни мРНК.
Гены для синтеза рРНК,
тРНК и низкомолекулярных РНК. Локализация синтеза рРНК в ядрышке. Синтез
предшественника рРНК. Процессинг рРНК, продукты процессинга. Предшественники
тРНК. Процессинг и удаление избытка нуклеотидов с 3 и 5 концов. Формирование
третичной структуры тРНК.
Обратная транскриптаза.
Ретровирусы.
БИОЛОГИЧЕСКИЙ КОД
Понятие биологического
кода. Предсказание кода - работы Гамова, Крика 1953 г. Экспериментальная
расшифровка кода для каждой аминокислоты. Работы Ниренберга и Маттеи, 1961.
Доказательства триплетности кода. Синтез искусственного гена, работы Корано.
Свойства кода - древность и универсальность (3 млрд.лет) подчеркивают единство
мира. Вырожденность кода как способ его совершенствования. Гипотеза
"качания" Ф.Крика. Эволюция кода. Терминирующие и инициирующие
кодоны.
МЕХАНИЗМ БИОСИНТЕЗА БЕЛКА
Локализация синтеза белка
в клетке. Активирование аминокислот и образование ацил-тРНК. свойства ферментов
ацил-тРНК-синтетаз. Образование ацил-тРНК комплекса.
Образование инициирующего
комплекса. Компоненты инициирующего комплекса: 30 субъединица рибосомы, формил-метионин-тРНК,
соответствующая мРНК, белковые факторы инициации, ГТФ. Формирование комплекса,
его строение. Объединение с 50 субъединицей и образование транслирующего
комплекса.
Механизм трансляции и
элонгации (удлинение цепи). Ацильный А и пептидильный P участки рибосомы.
Нахождение антикодоном тРНК места на мРНК для расположения очередной
аминокислоты. Замыкание пептидной связи. Фермент транспептидирования. ГТФ
источник энергии для транслокации рибосомы и мРНК. Механизм удлинения
полипептидной цепи.
Терминация синтеза.
Терминирующие кодоны УАГ, УАА, УГА, белковые факторы терминации.
Многократное
использование мРНК в системе полисом.
Процессинг белковых
молекул - их постсинтетическая модификация. Образование высших категорий
структуры, включение дополнительных компонентов - гликозилирование,
фосфорилирование и другие.
РЕГУЛЯЦИЯ СИНТЕЗА БЕЛКА
Регуляция экспрессии гена
(на уровне транскрипции синтеза мРНК). Гипотеза оперона Жакобо и Моно. Строение
lac-оперона. Оператор, промотор, регуляторный ген. Синтез белковых
репрессоров. Снятие репрессии. Индукторы синтеза белка.
МЕТАБОЛИЗМ АЗОТСОДЕРЖАЩИХ
СОЕДИНЕНИЙ
Азотсодержащие соединения
- белки, аминокислоты, нуклеотиды, мочевина, мочевая кислота.
Азотистое равновесие.
Условия поддержания азотистого равновесия у животных.
Источник
азота у растений и животных. Круговорот азота в природе. Фиксация азота у
азотфиксирующих микроорганизмов нитрогеназным ферментативным комплексом.
Строение комплекса. Роль Fe и Мо в восстановлении азота до аммиака. Механизм
реакции.
Фиксация аммиака
растениями. Три пути вовлечения аммиака в состав биоорганических соединений -
синтез глутаминовой кислоты и глутамина. Характеристика ферментов, участвующих
в синтезе. Синтез карбомоилфосфата.
Заменимые и незаменимые
аминокислоты.
Реакция переаминирования.
Пиридоксальфосфат - кофермент процесса переаминирования. Дикарбоновые амино- и
оксокислоты - обязательные субстраты реакции. Образование шиффового основания и
перенос аминогруппы - центральная реакция процесса. Роль оксоглутарата и глутаминовой
кислоты в реакциях синтеза аминокислот.
Связь процессов
переаминирования с окислительным дезаминированием глутаминовой кислоты.
Декарбоксилирование
аминокислот. Пиридоксальфосфат - кофермент декарбоксилаз. Образование
биологически активных аминов в реакциях декарбоксилирования. Реакции
декарбоксилирования гистидина, тирозина, глутаминовой кислоты.
Синтез пиримидиновых
нуклеотидов - карбамоилфосфат и аспарагиновая кислота - исходные продукты
синтеза пиримидинов. Последовательность реакций, приводящих к синтезу
уридин-5-фосфата. Глутамин - источник аминогруппы при синтезе
цитозин-5-фосфата.
Синтез пуриновых
оснований. Особенности процесса синтеза пуриновых нуклеотидов. Надстройка
гетероциклического кольца пурина на первом углеродном атоме активированного
рибозо-5-фосфата. Источники атомов азота и углерода при синтезе пурина.
Конечные продукты
азотистого обмена. Необходимость выведения избытка аммиака у животных.
Аммониотелизм, уреотелизм и урикотелизм. Связь форм выведения избытка аммиака
со средой обитания. Синтез мочевины. Синтез карбамоилфосфата в митохондриях.
Реакции цикла синтеза мочевины. Роль орнитина в этом процессе. Синтез аргинина.
Синтез мочевой кислоты при окислении пуриновых оснований. Промежуточные
продукты - гипоксантин и ксантин.
Витамины. Авитаминозы.
История открытия витаминов. Два класса витаминов. Связь водорастворимых
витаминов с ферментами. Жирорастворимые витамины. Строение и функции витаминов:
А, Д, Е, К.
ЛИПИДЫ ЖИВЫХ ОРГАНИЗМОВ. СТРУКТУРА
БИОМЕМБРАН.
Общие свойства объединяющие
в класс липидов молекулы разного строения. Классификация липидов в соответствии
с их химическим строением. Функции липидов: энергетическая, структурная и как
предшественников биологически активных соединений - гормонов, витаминов.
Жирные кислоты -
характерные структурные компоненты большинства липидов. Характеристика
насыщенных жирных кислот. Ненасыщенные жирные кислоты, расположение двойных
связей. Конформация жирных кислот. Физические и химические свойства жирных
кислот. Свойства солей жирных кислот.
Триглицериды
(триацилглицеролы). Строение триглицеридов.
Свойства, зависящие от
состава жирных кислот: температура плавления, оптическая активность,
теплопроводность.
Функции триацилглицеролов
- запасание энергетических ресурсов, теплоизоляция. Локализация триглицеролов в
клетках и тканях животных и растений.
Фосфолипиды - основные
липидные компоненты биологических мембран. Строение фосфолипидов и
характеристика, входящих в их состав компонентов. Свойства молекул фосфолипида.
Конформация молекулы. Взаимодействие с водой. Образование мицелл. Структура
главных представителей фосфолипидов - фосфатидилсерина, фосфатидилэтаноламина,
фосфатидилхолина, кардиолипина.
Сфингомиелины. Строение.
Цереброзиды - сфинголипиды, содержащие остатки углеводов. Их строение и
локализация в клетках.
Ганглиозиды - наиболее
сложные представители сфинголипидов. Структура ганглиозидов. Характерный
структурный компонент гликолипидов - ацетилнейраминовая кислота. Локализация
ганглиозидов в мембранах нервных и других клеток.
Строения и свойства биологических
мембран. Функции биологических мембран. Полярные липиды и белки - основные
компоненты мембран. Жидкостно-мозаичная структура мембран. Периферические и
интегральные белки и их функции. Строение мембран эритроцитов.
Стероиды - неомыляемые
липиды. Холестерин, холестерол и его эфиры с жирными кислотами. Структура,
свойства холестерола. Его локализация в клетке. Производные холестерина -
витамины группы Д, стероидные гормоны - половые гормоны и кортикостероиды,
желчные кислоты.
МЕТАБОЛИЗМ ЛИПИДОВ
Энергетическая функция
липидов. Первый этап в использовании жира как источника энергии - гидролиз
триглицеридов под действием липаз. Превращение липазы адипоцитов в активную
форму посредством фосфорилирования. Дальнейшая судьба жирных кислот и
глицерина.
Механизмы активирования
жирных кислот. Роль КоА и АТФ в активировании жирных кислот. Ациладенилаты
образуются для активирования карбоксильных групп. Роль карнитина в этом
процессе. Последовательность реакций окисления жирных кислот. Дегидрогеназы,
участвующие в окислении жирных кислот. Баланс полной реакции окисления
пальмитиновой кислоты. Пути использования ацетил-КоА и восстановленных
коферментов NADH++ H+ и FADH++ H+.
Локализация синтеза
жирных кислот в цитоплазме клетки. Ацетил-КоА - предшественник синтеза жирных
кислот и холестерола. Источники ацетил-КоА в митохондриях. Механизм переноса
ацетил-КоА через мембрану митохондрий в цитоплазму.
Синтез жирных кислот.
Строение мультиферментного ацил-синтетазного комплекса. Характеристика
ферментов и коферментов, входящих в состав комплекса. Превращение ацетил-КоА в
малонил-КоА. Механизм реакции карбоксилирования. Строение биотинового фермента.
Значение реакции карбоксилирования ацетил-КоА. Роль СО2 в реакции.
Инициация реакции
синтеза. Роль ацилпереносящего белка (АПБ). Центральная и периферическая
SН-группы. Последовательность реакций одного цикла синтеза жирной кислоты NADH+
+ H+ участвует в реакциях восстановления при синтезе жирных кислот.
Образование жирных кислот с двойными связями. Незаменимые жирные кислоты
человека и животных.
Синтез глицеридов.
Локализация синтеза триглицеридов в клетке. Активирование глицерина.
Активирование жирных кислот. Последовательность реакций синтеза фосфатидной
кислоты. Синтез триглицерида. Роль клеток эпителия кишечника в синтезе
специфических жиров. Перенос триглицеридов к местам резервирования
лимфатической и кровеносной системой, хиломикроны и липопротеины. Жировая
ткань. Клетки жировой ткани - адипоциты - хранилища - триацилглицеролов и
резерв энергетических ресурсов организма. В растительных клетках - жировые
включения.
Синтез фосфолипидов.
Синтез фосфатидилсерина. Декарбоксилирование фосфатидилсерина и образование
фосфатидилэтаноламина. Синтез фосфатидиохолина. Роль аденозилметионина как
донора метильных групп. Ферменты переноса метильных групп. Тетрагидрофолиевая
кислота и витамин В12. Роль ЦТФ в активировании холина.
Синтез холестерина.
Ацетил-КоА - источник атомов углерода для синтеза холестерина. Принципиальные
отличия использования ацетил-КоА в синтезе холестерола от вовлечения его в
синтез жирных кислот.
Холестерин -
предшественник желчных кислот, витаминов группы Д, стероидных гормонов.
Детергентная роль желчных кислот в процессе эмульгирования жиров при деградации
липидов пищи в кишечнике.
Деградация фосфолипидов
под действием комплекса фосфолипаз (фосфолипаза А, фосфолипаза А2,
фосфолипаза С, фосфолипаза Д).
СТРУКТУРА И ФУНКЦИИ УГЛЕВОДОВ
ЖИВЫХ ОРГАНИЗМОВ.
Классификация углеводов:
моно-, олиго-, полисахариды. Строение моносахаридов. Циклические формы сахаров.
Изомерия. Оптическая активность. Свойства моносахаров. Методы определения
глюкозы в крови. Характеристика моносахаридов животных и растительных
организмов.
Характеристика
дисахаридов, распространенных в животных и растительных организмах. Связи между
моносахаридами в дисахаридах. свойства дисахаридов. Качественные реакции на
отдельные представители дисахаридов. Значение дисахаридов в питании.
Полисахариды. Структурные
мономеры полисахаридов. Гомо- и гетерополисахариды. Резервные полисахариды.
Гликоген, крахмал - энергетический резерв организма.
Крахмал - резервный
полисахарид растений. Структура крахмала, его свойства. Амилоза и амилопектин.
Строение крахмального зерна. Гликоген - резервный полисахарид животных и
некоторых грибов. Структура гликогена. Связи, соединяющие моносахариды в
молекуле гликогена, свойства гликогена.
Структурные полисахариды.
Целлюлоза - полисахарид, входящий в оболочки клеток растений и некоторых
микроорганизмов. Структура целлюлозы. Различие свойств 1,4-гликозидной связи в
молекуле целлюлозы и крахмала. Значение различий для свойств и функций этих
полисахаридов.
Строение клеточных стенок
растительных клеток и микроорганизмов. Углеводы, входящие в состав
гликопротеидов. Гликопротеиды внешней поверхности животных клеток. Углеводы,
входящие в состав соединительной ткани. Глюкозаминогликаны, протеогликаны.
МЕТАБОЛИЗМ УГЛЕВОДОВ
Энергетическая
функция углеводов. Катаболизм углеводов - главный путь обеспечения организмов
энергией. Гликолиз центральный путь превращения глюкозы для животных растений и
многих организмов. Локализация процесса. Две стадии гликолиза. Подготовительная
стадия. Ферменты, участвующие в последовательных реакциях подготовительной
стадии. Вторая стадия - реакции, приводящие к синтезу АТФ. Субстратное
фосфорилирование - способ извлечения энергии для синтеза макроэргических связей
в гликолизе. Молочная кислота- конечный продукт анаэробного гликолиза.
Энергетика гликолиза. Регуляция гликолиза. Фосфофруктокиназа - ключевой фермент
в регуляции гликолиза. Роль гексокиназы и пируваткиназы в регуляции гликолиза.
Вовлечение гликогена и крахмала и других углеводов в гликолиз. Гидролитическое
расщепление гликогена в крахмал и переход глюкозы в кровь. Строение и свойства
фосфорилаз. Роль гормонов, цАМФ протеинкиназ в регуляции их активности. Молочнокислое
брожение у микроорганизмов.
Спиртовое брожение.
Анаэробное декарбоксилирование пировиноградной кислоты. Тиаминпирофосфат -
кофермент декарбоксилазы. Механизм реакции. Образование конечного продукта
спиртового брожения. Характеристика алкогольдегидрогеназы. Энергетика процесса
брожения.
Анаэробные пути окисления
субстратов. Эволюция живых организмов от анаэробиоза к аэробиозу.
Ограниченность субстратов и малая эффективность извлечения энергии у анаэробов
- тормоз прогрессивной эволюции жизни.
Свойства кислорода,
которые определили его участие в биологическом окислении. Локализация процесса
аэробного биологического окисления субстратов у про- и эукариотов.
Строение митохондрий.
Форма, величина, их число и локализация в клетке. Свойства и строение внешней и
внутренней мембраны митохондрий. Матрикс митохондрий, какие биохимические
процессы проходят в матриксе.
Окислительное
декарбоксилирование пировиноградной кислоты. Локализация процесса в матриксе
митохондрий. Мультиферментный комплекс, осуществляющий декарбоксилирование.
Строение и состав комплекса. Механизмы каталитического действия
пируватдегидрогеназы. Конечные продукты реакции и пути их использования.
Цикл лимонной кислоты
(цикл Кребса)
Экспериментальные
предпосылки открытия цикла. Инициирующая реакция цикла. Последовательность
биохимических реакций цикла. Стадии, на которых освобождается СО2.
Стадии, на которых происходит снятие водорода и восстановление кодегидрогеназ.
Особенности окислительного декарбоксилирования a-кетоглутарата. Образование сукцинил-КоА.
Фосфорилирование на уровне сукцинил-КоА и синтез молекулы АТФ. Дальнейший путь
превращения сукцината до оксалоацетата и возобновление цикла. Роль цикла
трикарбоновых кислот в интеграции обмена углеводов, жиров и аминокислот.
Понятие клеточного
дыхания. Цепь переноса электронов от субстрата на кислород. Расположение
переносчиков электронов во внутренней мембране митохондрий. Характеристика и
последовательность переносчиков электронов, составляющих цепь переноса. Величина
окислительно-восстановительного потенциала каждой пары переносчиков электронов.
Связь электронопереносящего комплекса с ферментативной системой синтеза АТФ.
Хемиосмотическая теория
Питера Митчела. Градиент ионов Н+ по обе стороны внутренней мембраны, его
значение в механизме синтеза АТФ. АТФ-синтетазная система. Механизм действия
АТФ-синтетазного комплекса. Источник энергии для образования макроэргической
связи. Протонный насос. Энергетический баланс полного окисления молекулы
глюкозы. Коэффициент полезного действия аэробного окисления глюкозы. Его
эффективность по сравнению с анаэробным процессом.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8
|