[ Белорусский государственный университет
Молекулярная биология
Учебная программа (рабочий вариант) для специальности:
1-31 01 01 Биология (по направлениям);
1-33 01 01 Биоэкология
Факультет_биологический
(название факультета)
Кафедра _молекулярной биологии (название кафедры) Курс (курсы) 5 Семестр (семестры) 9 Лекции _36 Экзамен _9 (количество часов) (семестр) Практические (семинарские) занятия _12_ Зачет _ (количество часов) (семестр) Лабораторные занятия Курсовой проект (работа) (количество часов) (семестр) КСР _ (количество часов) Всего аудиторных часов по дисциплине _ (количество часов) Всего часов Форма получения по дисциплине _152_ высшего образования дневная (количество часов) Составили Е.А. Николайчик, к.б.н., доцент, А.Н. Евтушенков, д.б.н., профессор.
(И.О., Фамилия, степень, звание) 2012 г.
Учебная программа составлена на основе _ Типовой учебной программы "Молекулярная биология", _г., рег. № программы (учебной программы (см. разделы 5-7 Порядка)), дата утверждения, регистрационный номер) Рассмотрена и рекомендована к утверждению на заседании кафедры молекулярной биологии (название кафедры) (дата, номер протокола) Заведующий кафедрой А.Н. Евтушенков (подпись) (И.О.Фамилия) Одобрена и рекомендована к утверждению учебно-методической комиссией биологического факультета (дата, номер протокола) Председатель В.Д. Поликсенова (подпись) (И.О.Фамилия)
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
Молекулярная биология является одной из важнейших фундаментальных дисциплин в системе биологического образования. Современная молекулярная биология тесно связана с биохимией, генетикой, микробиологией, другими биологическими дисциплинами и является методологической основой для изучения на молекулярном уровне жизнедеятельности клеток и многоклеточных организмов. Изучение дисциплины позволит расширить научный кругозор студентов-биологов, способствовать их развитию как самостоятельных специалистов и получить знания, необходимые для проведения исследований на современном научно-методическом уровне.Подготовка специалиста-биолога подразумевает получение им информации не только о структурных и функциональных свойствах основных классов природных веществ, но и механизмах регуляции и взаимосвязи биохимических процессов, протекающих в организме.
Курс "Молекулярная биология" рассчитан на студентов, прослушавших курсы биохимии, генетики и микробиологии и уже имеющих определенные знания по предмету молекулярной биологии. В настоящем курсе основные разделы молекулярной биологии освещены более подробно с использованием наиболее современной доступной информации. Главной задачей курса является формирование у студентов представления об универсальных принципах функционирования основных молекулярнобиологических процессов в клетках различных организмов – от бактерий до высших эукариот.
Программа курса составлена с учетом межпредметных связей и программ по смежным дисциплинам химического и биологического профиля («Органическая химия», «Биохимия», «Генетика», «Микробиология» и др.).
Цель курса - сформировать у студентов целостную систему знаний о структуре и свойствах биологических макромолекул, а также об основных молекулярных механизмах, лежащих в основе функционирования живых клеток и многоклеточных организмов: метаболизме биологических макромолекул (ДНК, РНК и белков), принципах внутриклеточной регуляции и межклеточной сигнализации.
В результате изучения дисциплины обучаемый должен знать:
организацию геномов различных организмов – от бактерий до высших эукариот;
молекулярные механизмы поддержания и точного воспроизведения наследственной информации в клетках;
принципы функционирования процессов, связанных с экспрессией геномной информации по пути ДНКРНКбелок;
молекулярные механизмы регуляции внутриклеточных процессов корректно оперировать современными молекулярнобиологическими терминами;
идентифицировать базовые контролирующие элементы в геномной последовательности работать с трехмерными структурами нуклеиновых кислот и белков;
применять знание молекулярной биологии при изучении других биологических дисциплин.
При чтении лекционного курса желательно применять технические средства обучения для демонстрации структур и механизмов функционирования макромолекул, широко использовать наглядные материалы в любом виде.
Для изучения молекулярной биологии, подготовки к практическим занятиям и КСР студентам можно использовать один из учебников, перечисленных в разделе «Литература. Основная». Для более углубленной подготовки студентам предлагается список дополнительной литературы, включающий учебные пособия, литературу по методам молекулярной биологии, а также ссылки на источники информации в Интернете.
Для организации самостоятельной работы студентов по курсу необходимо использовать современные информационные технологии: разместить в сетевом доступе комплекс учебных и учебно-методических материалов (программа, методические указания к лабораторным занятиям, список рекомендуемой литературы и информационных ресурсов, задания в тестовой форме для самоконтроля и др.).
Теоретические положения лекционного курса развиваются и закрепляются на семинарских занятиях.
Эффективность самостоятельной работы студентов целесообразно проверять в ходе текущего и итогового контроля знаний в форме устного опроса, коллоквиумов, тестового компьютерного контроля по темам и разделам курса. Для общей оценки качества усвоения студентами учебного материала рекомендуется использование накопительной рейтинговой системы.
Программа рассчитана максимально на 152 часа, в том числе 52 часов аудиторных: 36 – лекционных и 12 – семинарских занятий.
ПРИМЕРНЫЙ ТЕМАТИЧЕСКИЙ ПЛАН
Репарация и рекомбинация ДНК внутриклеточная регуляция Молекулярная биология онтогенезаСОДЕРЖАНИЕ УЧЕБНОГО МАТЕРИАЛА
1. Организация геномов Размеры, структура и особенности организации геномов различных групп организмов (бактерий, архей, одноклеточных эукариот, беспозвоночных и позвоночных животных, растений). Корреляция сложности организации организма с размером генома, числом содержащихся в нем генов и количеством кодируемых уникальных белковых модулей.Организация хромосом различных организмов. Структура центромерных и теломерных областей. Теломераза, механизм репликации концов линейных хромосом. Искусственные хромосомы. Закономерности распределения генов по хромосомам. Количество некодирующей белки ДНК у различных организмов.
Механизмы геномных перестроек, увеличения и уменьшения размеров геномов, роль мобильных генетических элементов в этих процессах. Семейства гомологичных генов. Ортологи и паралоги. Псевдогены. Типы повторяющихся последовательностей и их встречаемость в геномах различных организмов. Различия в механизмах эволюции геномов про- и эукариот.
Структура прерывистых генов у различных эукариот: размеры и число интронов и экзонов, взаимосвязь организации генов с различиями в механизме их экспрессии у растений и животных.
2. Репликация ДНК Матричные процессы синтеза биополимеров, их стадии.
Репликативный и репаративный синтез РНК. Механизм реакции полимеризации ДНК и его катализ. Экзонуклеазные активности ДНК-полимераз и их роль в обеспечении точности воспроизведения ДНК. ДНК-полимеразы про- и эукариот: размеры, субъединичный состав, ферментативные активности и участие в процессах репликации и репарации. Структура ДНКполимеразы III кишечной палочки, функции ее отдельных субъединиц. Модель работы димерной полимеразы; координация синтеза ДНК на комплементарных нитях. Другие ферменты в репликационной вилке. Роль вспомогательных белков (SSB, хеликаз, праймаз и лигаз) в синтезе ДНК. Полунепрерывный синтез и фрагменты Оказаки.
Регуляция инициации репликации у Е. соli. Структура участка старта репликации (OriC). Структурные переходы ДНК в районе старта репликации.
Понятие о репликоне. Роль метилирования в регуляции репликации. Терминация репликации у бактерий. Репликоны у эукариот. Ori у дрожжей, их структурно-функциональная организация. Принципы контроля инициации репликации ДНК у эукариот.
Топологические проблемы, связанные с репликацией ДНК. Топоизомеразы I и II типов, механизм их действия.
3. Репарация и рекомбинация ДНК Репарация повреждений ДНК.
Прямая репарация тиминовых димеров и алкилированых оснований. Эксцизионная репарация (эксцизия нуклеотидов, оснований): используемые ферменты и их функции. Пострепликативная репарация. Роль метилирования в дискриминации цепей ДНК после репликации. Механизм действия комплекса MutLSH. Рекомбинационная репарация. Арест, реверсия и рестарт репликационной вилки. SOS-репарация.
Рекомбинация.
Понятие об общей (гомологичной) и сайтспецифической рекомбинации.
Сходство и различие молекулярных механизмов общей и сайтспецифической рекомбинации. Модель рекомбинации, предполагающей двунитевой разрыв и репарацию разрыва. Роль рекомбинации в пострепликативной репарации.
Структуры Холлидея в модели рекомбинации. Миграция ветви, гетеродуплексы, разрешение структур Холлидея (ферменты). Энзимология рекомбинации у Е. соli: роль белков RесА, RесВCD и RuvABC. Рекомбинация у высших эукариот. Сайтспецифическая рекомбинация. Типы хромосомных перестроек, осуществляемых при сайтспецифической рекомбинации. Молекулярный механизм действия сайтспецифических рекомбиназ. Интеграция фага.
Транспозиция.
Основные типы мобильных генетических элементов про- и эукариот:
cтруктура, гены и их продукты. Молекулярный механизм транспозиции по репликативному и консервативному механизмам. Мини-транспозоны. ДНКтранспозоны эукариот. Механизм транспозиции ретровирусоподобных ретротранспозонов. LINE и SINE-элементы: молекулярная организация и механизм перемещения.
4. Транскрипция Понятие о кодирующей и некодирующей (матричной) цепях. Единица транскрипции у про- и эукариот и ее структурные элементы. Транскрипция у прокариот. Особенности структуры РНК-полимеразы. Кор-фермент и холофермент. Промотор и механизм его распознавания. Альтернативные факторы. Стадии транскрипционного цикла. Rho-зависимая и независимая терминация транскрипции у прокариот.
Транскрипция у эукариот. Структура РНК-полимераз I, II и III, функции основных субъединиц. Промоторы эукариот: размеры, положение, структура и механизм распознавания различными РНК-полимеразами. Промоторные элементы, контролирующие точку инициации и интенсивность транскрипции. Транскрипционные факторы. Последовательность сборки инициаторных комплексов на промоторах различных РНК-полимераз. Энхансеры и изоляторы. Терминация транскриптов эукариотических РНК-полимераз I, II и III.
5. Процессинг РНК Определение процессинга. Типы интронов и особенности механизмов их сплайсинга. Интроны группы I. Особенности структуры и механизмы сплайсинга. Аутосплайсинг. Реакция трансэтерификации. Рибозимы, их специфичность, механизм и эффективность катализа. Примеры рибозимов и катализируемых ими реакций (L-19 РНК, РНКаза P, "головка молотка"). Рибопереключатели. Интроны группы II: структура и механизм сплайсинга. Мобильные интроны групп I и II: ферментативные активности и механизмы перемещения.
Сплайсинг пре-мРНК в ядре. Принципы определения границ интронов у разных организмов. Сплайсосома (размеры и состав). мяРНК и мяРНПчастицы. Роль комплементарных взаимодействий в протекании процесса сплайсинга. Связь сплайсинга с транспортом мРНК. Транс-сплайсинг, и альтернативный сплайсинг: механизмы, роль, распространение, примеры.
Модификация 5'- и 3'-концов транскриптов. Ферменты и катализируемые ими реакции. Значение модификации концов транскриптов. Различный эффект полиаденилирования у прокариот и эукариот и его причины.
Процессинг пре-тРНК: формирование 5'- и 3'-концов тРНК, сплайсинг, модификация оснований. Реакции и ферменты, катализирующие эти процессы.
Процессинг пре-рРНК у прокариот и эукариот. Метилирование и другие модификации рРНК в ядрышке; роль малых РНК в этих процессах.
6. Трансляция Общая схема биосинтеза белков.
Информационная РНК, ее структура и функциональные участки. Основные свойства генетического кода. Особенности кодового словаря; универсальный код и его варианты. Кодон и антикодон, принципы их взаимодействия. Принцип нестрогого соответствия (wobble-гипотеза).
Транспортные РНК: первичная, вторичная и третичная структура, роль модифицированных нуклеотидов. Аминоацилирование тРНК. АминоацилтРНК-синтетазы, их структура и механизм действия. Специфичность аминоацилирования, механизны ее контроля.
Прокариотический и эукариотический типы рибосом. Рибосомные РНК и белки, их виды и номенклатура. Роли РНК и белков в процессе трансляции.
Функциональные участки рибосом: мРНК-связывающий участок, тРНКсвязывающие А, Р и Е участки, факторсвязывающий участок.
Инициация трансляции у прокариот. Инициирующие кодоны и сайт связывания рибосом на мРНК. Инициаторная тРНК и белковые факторы инициации. Инициация трансляции внутренних рамок считывания у полицистронных мРНК.
Инициация трансляции у эукариот. Особенности эукариотической мРНК.
Кэп-структура и инициирующие кодоны, последовательность Козак. Механизм распознавания инициирующего кодона. Особенности инициаторной тРНК. Белковые факторы, взаимодействующие с рибосомой и с мРНК. Влияние на инициацию трансляции структур на 3'-конце мРНК.
Элонгация полипептидной цепи. Фактор элонгации 1 (ЕF-Тu или ЕF-1) и поступление аминоацил-тРНК в рибосому. Реакция транспептидации: механизм и катализ. Фактор элонгации 2 (ЕF-G или ЕF-2) и транслокация рибосомы.
Терминация трансляции: терминирующие кодоны, белковые факторы терминации (RF1, RF2, RF3), гидролиз пептидил-тРНК. Фактор RRF и диссоциация трансляционного комплекса.
Энергетика биосинтеза белков.
7. Фолдинг и деградация белков Формирование нативной трехмерной структуры белков. Молекулярные шапероны семейств Hsp60 и Hsp70 у про- и эукариот. Рабочий цикл шаперонных комплексов GroELS и DnaKJ-GrpE. Деградация белков: АТФзависимые протеазы прокариот и 26S-протеасома эукариот. Механизм распознавания аномальных белков. Система убиквитинилирования белков эукариот.
8. Транспорт белков Секреция белков у прокариот: Sec-аппарат и сигнальный пептид, системы секреции I-IV типов.
Распределение белков по компартментам клетки эукариот. Котрансляционная транслокация белков в полость эндоплазматического ретикулума. SRPчастица и ее рецептор. Модификации белков в полости ЭР. Транспорт белков в митохондрии и хлоропласты, контроль локализации белков внутри этих органелл. Транспорт белков через ядерные поры.
9. Сенсорные процессы и внутриклеточная регуляция Общие принципы сенсорной регуляции. Передача информации через клеточную мембрану. Белковые каналы, транспортеры и рецепторы. Рецепторная функция воротных каналов. Роль киназ и G-белков в регуляции.
Сходство и различия механизмов активации и репрессии транскрипции у про- и эукариот. Модули последовательностей ДНК, узнаваемые специфическими белками. Белковые домены, узнающие специфические последовательности ДНК (гомеодомен, "лейциновая молния", "цинковые пальцы").
Сенсорные механизмы бактерий. Двухкомпонентные регуляторные системы: принцип действия и примеры. Сигнальные каскады у бактерий.
Сенсорные механизмы эукариот. Компоненты сигнальных путей (рецепторы, G-белки, эффекторы, вторичные мессенджеры). Структура и принцип действия G-белков. Типы протеинкиназ. Способы передачи сигнала в ядро.
Контроль специфичности сигнализации. Сигнальные пути TGF-Smad, JAKSTAT и Ras/MAPK. Особенности сенсорных процессов у растений.
10. Молекулярная биология онтогенеза Эмбриональное развитие D. melanogaster. Асимметрия и градиенты в ооците и раннем эмбрионе. Морфогены. Механизмы транспорта материнской мРНК и белков в ооцит; формирования градиентов в ооците и тканях эмбриона. Роль морфогенов в формировании переднего и заднего концов эмбриона, дорзовентральной асимметрии. Принципы контроля сегментации и дифференциации сегментов. Гомеозисные гены и Hox-кластеры у различных
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКАЯ КАРТА
Структура и принцип действия ДНКРисунки на доске.7. 7. точная регуляция Литература 1. Льюин Б. Гены / Б. Льюин. М.: БИНОМ, 2011. – 896 с.
2. Alberts B. Molecular Biology of the Cell, Fifth Edition / B. Alberts, A. Johnson, J. Lewis, M. Raff, K. Roberts, P. Walter.
New York: W H Freeman & Company, 2008. – 1600 p.
3. Бокуть С.Б. Молекулярная биология / С.Б. Бокуть, Н.В. Герасимович, А.А. Милютин. – Минск. Выш.шк., 2005. – 4. Овчинников Л.П. Что и как закодировано в мРНК // Соросовский образовательный журнал. 1998. т.4,№11 С.10- Спирин А.С. Принципы структуры рибосом // Соросовский образовательный журнал. 1998. т.4,№11 C.65- Спирин А.С. Принципы функционирования рибосом // Соросовский образовательный журнал. 1998. т.4,№4 C.2- Спирин А.С. Биосинтез белка: Инициация трансляции // Соросовский образовательный журнал. 1999. т.5,№5 C.2- Спирин А.С. Биосинтез белка: Элонгация полипептида и терминация трансляции // Соросовский образовательный журнал. 1999. т.5,№6 C.2- 9. Спирин А.С. Биосинтез белка: Регуляция на уровне трансляции // Соросовский образовательный журнал. 2000. т.6,№ C.2- 10.Энтелис Н.С. Аминоацил-тРНК-синтетазы: два класса ферментов // Соросовский образовательный журнал. 1998.
т.4,№9 C.14- 11. Фаворова О.О. Строение транспортных РНК и их функция на первом (предрибосомном) этапе биосинтеза белков // Соросовский образовательный журнал. 1998. т.4,№11 С.71- 12. Ратнер В.А. Генетический код как система // Соросовский образовательный журнал. 2000. т.6,№3 С.17- 13. Лаврик О.И. Механизмы специфического отбора аминокислот в биосинтезе белка // Соросовский образовательный журнал. 1996. т.2,№4 С.18- 14. Сойфер В.Н. Репарация генетических повреждений / В.Н. Сойфер // Соросовский образовательный журнал. – 1997. – 1. Krebs J.E. Genes X / J.E. Krebs, E.S. Goldstein, S.T. Kilpatrick. Jones & Bartlett publishers, 2011. – 905 p.
2. Watson J. D. Molecular Biology of the Gene, Sixth Edition / J. D. Watson, T. A. Baker, S. P. Bell, A. Gann, M. Levine, R.
Losick. Benjamin Cummings, 2008. – 841 p.
3. Lodish H. Molecular Cell Biology (6th Edition) / H. Lodish, A. Berk, C. A. Kaiser, M. Krieger, M. P. Scott, A. Bretscher, H. Ploegh, P. Matsudaira. New York: W.H. Freeman & Company. 2008.
4. Nelson D.L. Lehninger Principles of Biochemistry, Fifth Edition. / D.L. Nelson, M.M.Cox. W.H. Freeman & Co, 2008.
5. Молекулярная биология. Структура и биосинтез нуклеиновых кислот / под ред. А.С. Спирина. М.: Высшая школа.
1990.
6. Патрушев Л. И. Экспрессия генов / Л. И. Патрушев. М.: Наука, 7. Богданов А.А. Теломеры и теломераза // Соросовский образовательный журнал. 1998. т.2,№12 С.12- 8. Боринская С.А. Структура прокариотических геномов // С.А. Боринская, Н.К. Янковский // Молекулярная биология. – 1999. – No 33 (6). – С. 941 – 957.
9. Дымшиц Г.М. Проблема репликации концов линейных молекул днк и теломераза // Соросовский образовательный журнал. 2000. т.6,№5 С.8- 10. Гвоздев В.А. Механизмы регуляции активности генов в процессе транскрипции // Соросовский образовательный журнал. 1996. т.2,№1 С.23- 11. Гвоздев В.А. Регуляция активности генов при созревании клеточных РНК / В.А.Гвоздев//Соросовский образовательный журнал.–1996.–No12.– С.11–18.
12. Гвоздев В.А. Регуляция активности генов, обусловленная химической моди- фикацией (метилированием) ДНК / В.А. Гвоздев // Соросовский образовательный журнал. – 1999. – No 10. – С. 11 – 17.
13. Гвоздев В.А. Механизмы регуляции активности генов в процессе транскрипции / В.А. Гвоздев // Соросовский образовательный журнал. – 1996. – No 1. – С. 23 – 31.
14. Гвоздев В.А. Подвижная ДНК эукариот. Часть 1. Структура, механизмы действия и роль подвижных элементов в поддержании целостности хромо- сом / В.А. Гвоздев // Соросовский образовательный журнал. – 1998. – No8. – С. 8 – 14.
15. Гвоздев В.А. Подвижная ДНК эукариот. Часть 2. Роль в регуляции активно- сти генов и эволюции генома / В.А.
Гвоздев // Соросовский образовательный журнал. – 1998. – No8. – С. 15 – 21.
16. Глазер В.М. Генетическая рекомбинация без гомологии: процессы, ведущие к перестройкам в геноме / В.М. Глазер // Соросовский образовательный журнал. – 1996. – No 7. – С.22 29.
17. Глазер В.М. Гомологичная генетическая рекомбинация / В.М. Глазер // Со- росовский образовательный журнал. – 1998. – No7. – С. 13 – 21.
18. Глазер В.М. Запрограммированные перестройки генетического материала в онтогенезе / В.М. Глазер // Соросовский образовательный журнал. – 1998. –No 8. – С. 22 – 29.
19. Жимулев И.Ф. Современные представления о структуре гена эукариот / И.Ф. Жимулев // Соросовский образовательный журнал. – 2000. – No 7. – С. 17 – 24.
20. Инге-Вечтомов С.Г. Трансляция как способ существования живых систем, или в чем смысл “бессмысленных” кодонов // Соросовский образовательный журнал. 1996. т.2,№12 С.2-
«