Программа вступительного экзамена в аспирантуру ИЦиГ по

Программа
вступительного экзамена в аспирантуру ИЦиГ по специальности
Математическая биология, биоинформатика - 03.01.09
Базовые понятия и концепции молекулярной генетики
1. Основная догма молекулярной генетики. Матричный принцип. Процессы
репликации, транскрипции, трансляции. Генетический код.
2. Структура генов и геномов. Экзон-интронная структура. Хромосомы.
3. Транскрипция и её регуляция. Транскрипционные факторы. Типы
регуляторных районов транскрипции. Структура и функция промотора.
4. Обобщённые
структурно-функциональные
характеристики
последовательностей. Понятие о конформационных и физикохимических свойствах двойной спирали ДНК.
5. Структура и функция РНК. Методы предсказания вторичной структуры
РНК.
6. Трансляция РНК. Регуляция трансляции.
7. Структура и функция белков. Выравнивание белковых структур.
Основные понятия о геометрических преобразованиях: сдвиг, поворот,
центр масс, главные оси. Распознавание функциональных сайтов и
мотивов в белках.
8. Функциональная геномика. Понятие экспрессии генов. Биочипы.
9. Понятие «генной сети». Классы функциональных структур и событий,
значимых для функционирования генных сетей.
Информационные технологии в биоинформатике
10.Интернет-технологии и XML технологии в биоинформатике.
11.Языки программирования в биоинформатике. Сравнительный анализ
средств программирования (C/C++, C#, Java (biojava), Perl (bioperl)).
12.Базы данных в биоинформатике. Типы данных и форматы представления.
Модели данных.
а. Флэт-файл. Формат ASN 1,1.
b. Иерархические и Сетевые модели.
c. Реляционные модели. Реляционная алгебра. Нормальные формы.
d. Объектные и Объектно-реляционные БД.
13.Методы доступа. Индексы. Хэширование. Btree.
14.Языки запросов. Регулярные выражения и поиск по шаблону. SQL.
15.Базы знаний. Методы представления молекулярно-генетических знаний.
16.Проблемы и методы интеграции гетерогенных данных.
17.Основные информационные ресурсы и базы данных по молекулярной
биологии. Содержание и формат баз данных. Основные средства доступа
к базам данных.
18.Структурно-функциональная организация регуляторных районов в базе
данных TRRD.
19.Базы данных по генным сетям и метаболическим процессам. База данных
GeneNet.
Алгоритмы биоинформатики
20.Понятие алгоритма. Вычислительная сложность алгоритмов. Методы
сравнения алгоритмов.
21.Задача сравнения генетических и белковых последовательностей.
Методы выравнивания: парное и множественное, локальное и
глобальное. Алгоритм глобального выравнивания Нидльмана-Вунша
(Needleman-Wunsh). Алгоритм локального выравнивания СмитаУотермана (Smith-Waterman). Gibbs sampling.
22.Пакет Blast. Назначение и основные возможности. Алгоритм.
23.FASTA. Назначение и основные возможности. Алгоритм.
24.Поиск
повторов,
комплементарностей
и
симметрий
в
последовательностях.
25.Основы
методов
анализа
данных.
Регрессионный
анализ.
Дискриминантный анализ. Методы кластеризации. Факторный анализ.
26.Понятия Datamining и Textmining.
27.Распознавание структурно-функциональных мотивов в генетических
текстах. Понятие консенсуса, весовой матрицы. Оценка точности
распознавания.
28.Методы распознавания промоторов.
29.Вероятностная модель последовательности. Определение вероятности
получить данную последовательность по случайным причинам.
30.Представление генетического текста в виде марковской цепи. Условное и
совместное распределение. Пример применения теоремы Байсса к
определению типа последовательности.
31.Скрытые марковские модели. Вычисление переходных вероятностей,
использование для распознавания. Алгоритм Витерби (Viterbi).
32.Методы оптимизации.
a. Метод ветвей и границ.
b. Метод динамического программирования.
c. Градиентные методы. Метод Ньютона.
d. Генетические алгоритмы.
Методы моделирования в биоинформатике
33.Понятие модели. Приемы и способы моделирования. Основные этапы
построения математических моделей.
34.Понятие о фазовой плоскости и фазовом портрете системы.
Стационарные состояния биологических систем.
35.Проблема быстрых и медленных переменных. Теорема Тихонова.
36.Автоколебательные режимы. Предельные циклы и их устойчивость.
Примеры.
37.Базовые модели математической биофизики (Триггер Жакоба и Моно,
классические модели Лотки и Вольтерра, модели взаимодействия видов).
38.Основы кинетики ферментативных реакций. Фермент-субстратный
комплекс. Теория Михаэлиса. Математические модели.
39.Основные методы и подходы к моделированию динамики молекулярногенетических систем.
40.Моделирование мутаций в генных сетях.
41.Методы идентификации параметров математических моделей.
42.Стохастическая модель трансляции.
43.Физико-математические модели биомакромолекул. Модели подвижности
ДНК.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Литература
Жимулёв И.Ф. Общая и молекулярная генетика // Учебное пособие.
Новосибирск. НГУ. 2003.
Кафедра информационной биологии ФЕН НГУ (лекции и методические
материалы) http://www.bionet.nsc.ru/chair/cib/php?f=lectures&p=lectures
Рубин А.Б. Биофизика. 1990. http://www.library.biophys.msu.ru/rubin
Ризниченко
Г.Ю.
Математическое
моделирование.
1999.
http://www.library.biophys.msu.ru/MathMod/
Ризниченко Г.Ю. Лекции по математическим моделям в биологии // МИжевск. Изд. РХД. 2002. 236с. http://www.library.biophys.msu.ru/LectMB/
Шайтан К.В., Сарайкин С.С. Молекулярная динамика. 1999.
http://www.library.biophys.msu.ru/MolDyn/
Фомин С.В., Беркинблит М.Б. Математические проблемы в биологии.
1973. 200с. http://www.library.biophys.msu.ru/FominBerk/index2.htm
Реестр моделей http://www.dmb.biophys.msu.ru/models
Руководитель акад.РАН, профессор Колчанов Н.А.
Программа
вступительного экзамена в аспирантуру ИЦиГ по специальности
Генетика - 03.02.07
1. Предмет генетики. Место генетики среди биологических наук.
Значение генетики для решения задач селекции, медицины,
биотехнологии, экологии.
2. Очерк истории генетики в России.
3. Закономерности наследования, открытые Г.Менделем. Представление
Г.Менделя о дискретной наследственности. Представление об аллелях
и их взаимодействиях. Анализирующее скрещивание.
4. Доказательства роли ядра и хромосом в явлениях наследственности.
Роль цитоплазматических факторов в передаче наследственной
информации.
5. Митотический цикл и фазы митоза.
6. Генетическая роль митоза и мейоза. Кариотип. Парность хромосом в
соматических клетках. Гомологичные хромосомы. Специфичность
морфологии и числа хромосом.
7. Эухроматин и гетерохроматин.
8. Доказательства генетической роли нуклеиновых кислот. Структура
ДНК и РНК. Функции нуклеиновых кислот в реализации генетической
информации.
9. Генетический код. Свойства генетического кода. Мутации, связанные с
нарушениями генетического кода.
10.Строение хромосом. Изменения в организации морфологии хромосом
в ходе митоза и мейоза. Онтогенетическая изменчивость хромосом.
Репродукция хромосом.
11.Молекулярная организация хромосом прокариот и эукариот.
Компоненты хроматина: ДНК, РНК, гистоны, друге белки. Уровни
упаковки хроматина, нуклеосомы.
12.Основные закономерности наследования. Цели и принципы
генетического анализа. Методы генетического анализа. Основы
гибридологического и мутационного методов.
13.Цели и принципы генетического анализа. Методы генетического
анализа. Основы цитогенетических и биохимических методов.
14.Цели и принципы генетического анализа. Генеалогический,
популяционный и близнецовый методы.
15.Основы гибридологического метода генетического анализа: выбор
объекта, отбор материала для скрещиваний, анализ признаков,
применение статистического метода. Разрешающая способность
гибридологического метода. Генетическая символика.
16.Представление об аллелях и их взаимодействиях. Относительный
характер доминирования. Возможные биохимические механизмы
доминирования.
17.Закономерности наследования в ди- и полигибридных скрещиваниях.
Статистический характер расщеплений.
18.Общая формула расщеплений при независимом наследовании.
Значение мейоза в осуществлении законов «чистоты гамет» и
независимого наследования.
19.Условия осуществления «менделевских» расщеплений. Отклонения от
«менделевских» расщеплений при ди- и полигенном контроле
признаков.
20.Неаллельные
взаимодействия:
комплементарность,
эпистаз,
полимерия. Биохимические основы неаллельных взаимодействий.
21.Количественные признаки. Полигенная концепция генетического
контроля количественных признаков К.Мазера. Гибридологический и
генетико-статистический метод описания характера наследования
количественных признаков. Современное представление о системах
генетического контроля количественных признаков. QTL.
22.Классификация
мутаций.
Плейотропное
действие
генов.
Пенетрантность и экспрессивность.
23.Определение
группы
сцепления
мутаций
D.melanogaster:
использование доминантных и рецессивных маркёров.
24.Половые хромосомы. Наследование признаков, сцепленных с полом.
Значение реципрокных скрещиваний для изучения сцепленных с
полом признаков. Наследование при нерасхождении половых
хромосом. Хромосомное определение пола. Гинандроморфы,
интерсексы, гермафродиты, синдромы Шерешевского-Тернера и
Клайнфелтера.
25.Структура фенотипической вариансы, описывающей количественный
признак. Наследуемость количественных признаков (h2) как свойство
признака и популяции. Путевые коэффициенты С.Райта. Коэффициент
наследуемости (h2), методы его оценки и использование для
характеристики признака и прогноза ожидаемого ответа на
селекционной давление.
26.Понятие о дозовой компенсации. Компенсация дозы генов при
определении пола у дрозофилы.
27.Генетический контроль и молекулярные механизмы репликации.
28.Значение работ школы Т.Моргана в изучении сцепленного
наследования признаков. Особенности наследования при сцеплении.
Группы сцепления.
29.Кроссинговер. Доказательства происхождения кроссинговера в мейозе
и митозе на стадии четырех нитей. Цитологические доказательства
кроссинговера. Значение анализирующего скрещивания и тетрадного
анализа при изучении кроссинговера.
30.Представление школы Моргана о строении и функции гена.
Функциональный и рекомбинационный критерии аллелизма.
Множественный аллелизм. Мутационная и рекомбинационная
делимость гена. Работы Серебровского и Дубинина по ступенчатому
аллелизму.
31.Генетические карты, принцип их построения у эукариот.
32.Локализация гена в группе сцепления: картирование летальных
мутаций,
селективные
схемы
скрещиваний.
Соотношение
кроссоверной и молекулярной карт генов.
33.Неравный кроссинговер. Митотический кроссинговер. Факторы,
влияющие на кроссинговер.
34.Построение физических карт хромосом с помощью методов
молекулярной биологии.
35.Представление о плазмидах, эписомах и мобильных генетических
элементах
(инсерционные
последовательности,
транспозоны)
прокариот.
36.Рекомбинация. Доказательство механизма общей рекомбинации по
схеме «разрыв-воссоединение». Молекулярная модель рекомбинации
по Холлидею.
37.Сайт-специфическая рекомбинация. Генетический контроль и
механизмы процессов транспозиции.
38.Принципы регуляции действия генов у эукариот. Регуляторная
область гена.
39.Конъюгация у бактерий. Методы генетического картирования при
конъюгации.
40.Кольцевая карта хромосом прокариот. Генетическая рекомбинация
при трансформации.
41.Трансдукция у бактерий. Общая и специфическая трансдукция.
Использование трансформации и трансдукции для картирования
генов.
42.Закономерности нехромосомного наследования. Методы изучения:
реципрокные, возвратные и поглощающие скрещивания, метод
трансплантации, биохимические методы.
43.Материнский эффект цитоплазмы. Пластидная и митохондриальная
наследственность. Взаимодействие ядерных и внеядерных генов.
Цитоплазматическая мужская стерильность у растений.
44.Отбор.
Формы
естественного
отбора:
стабилизирующий,
дизруптивный, движущий. Формы искусственного отбора: по
фенотипу, по генотипу, линейная и семейная селекция. Селекция по
нескольким признакам одновременно, генетическая корреляция.
45.Нехромосомное наследование. Значение изучения нехромосомного
наследования в понимании проблем эволюции клеток высших
организмов, происхождения клеточных органелл (пластид и
митохондрий). Эндосимбиоз.
46.Понятие о наследственной и ненаследственной (модификационной)
изменчивости.
Формирование
признаков
как
результат
взаимодействия генотипа и факторов среды. Норма реакции генотипа.
Адаптивный характер модификаций.
47.Комбинативная изменчивость, механизм ее возникновения, роль в
эволюции и селекции.
48.Популяция. Генетическая структура популяции. Генетическое
равновесие Харди-Вайнберга. Факторы, нарушающие генетическое
равновесие, последствия и значение для эволюции.
49.Геномные изменения: полиплоидия, анеуплоидия. Аллополиплоиды.
Амфидиплоидия
как
механизм
возникновения
плодовитых
аллополиплоидов.
50.Геномные изменения: полиплоидия, анеуплоидия. Анеуплоидия:
нуллисомики, моносомики, полисомики, их использование в
генетическом анализе. Особенности мейоза и образования гамет у
анеуплоидов, их жизнеспособность и плодовитость.
51.Хромосомные
перестройки.
Механизмы
их
возникновения,
использование в генетическом анализе для локализации отдельных
генов и составления генетических карт. Особенности мейоза при
различных типах перестроек.
52.Классификация
генных
мутаций.
Общая
характеристика
молекулярной природы возникновения генных мутаций.
53.Классификация генных мутаций. Роль мобильных генетических
элементов в возникновении генных мутаций и хромосомных
перестроек.
54.Спонтанные и индуцированные мутации. Количественная оценка
частот возникновения мутаций.
55.Химический мутагенез. Особенности мутагенного действия
химических агентов. Факторы, модифицирующие мутационный
процесс. Антимутагены. Мутагены окружающей среды и методы их
тестирования.
56.Репортерные гены.
57.Локализация генов с помощью гибридизации нуклеиновых кислот.
58.Ген как единица функции. Перекрывание генов в одном участке ДНК.
Молекулярно-генетические подходы в исследовании тонкого строения
генов.
59.Интрон-экзонная организация генов эукариот, альтернативный
сплайсинг.
60.Структурная
организация
генома эукариот. Классификация
повторяющихся элементов генома.
61.Мобильные элементы генома. Классификация и биологическая роль.
62.Полимеразная цепная реакция. Саузерн-блот и Нозерн-блот анализы.
63.Структурная организация генома эукариот. Семейства генов.
Псевдогены. Проблемы происхождения и молекулярной эволюции
генов.
64.Структурная организация генома эукариот. Регуляторные элементы
генома.
65.Понятие о дозовой компенсации. Компенсация дозы генов при
определении пола у млекопитающих.
66.Проблемы стабильности генетического материала. Типы структурных
повреждений в ДНК и репарационные процессы.
67.Плазмидное наследование. Свойства плазмид. Использование плазмид
в генетических исследованиях.
68.Политенные хромосомы дрозофилы как модельный объект
генетических исследований.
69.Молекулярные механизмы регуляции действия генов. Принципы
негативного и позитивного контроля. Оперонные системы регуляции
(теория Жакоба и Моно). Генетический анализ лактозного оперона.
70. Принципы регуляции действия генов у эукариот. Транскрипционно
активный хроматин. Регуляторная роль гистонов, негистоновых
белков, гормонов.
71.Молекулярные механизмы регуляции действия генов. Регуляция
транскрипции у эукариот.
72.Рекомбинация: гомологический кроссинговер, сайт-специфическая
рекомбинация, транспозиции. Генная конверсия.
73.Посттранскрипционный уровень регуляции синтеза белков.
74.Онтогенез как реализация наследственно детерминированной
программы развития. Роль гомейозисных генов в онотогенезе.
75.Векторы эукариот.
76.Генетический контроль мутационного процесса. Связь мутабильности
с функциями аппарата репликации. Механизмы спонтанного
мутагенеза.
77.Дифференциальная активность генов в ходе индивидуального
развития. Первичная дифференцировка цитоплазмы, действие генов в
раннем эмбриогенезе, амплификация генов.
78.Онтогенез как реализация наследственно детерминированной
программы развития. Опыты по трансплантации ядер. Методы
клонирования генетически идентичных организмов.
79.Действие генов в раннем эмбриогенезе. Позиционная информация,
морфогены. Гомология генов, контролирующих раннее развитие.
80.Причины возникновения наследственных и врождённых заболеваний.
Генетическая опасность радиации и химических веществ.
Генотоксикология. Использование биохимических методов для
выявления гетерозиготных носителей и диагностики наследственных
заболеваний. Перспективы лечения наследственных болезней. Задачи
медико-генетических консультаций.
81.Изучение структуры и активности генома человека с помощью
методов молекулярной генетики. Программа «Геном человека».
Проблемы геногеографии.
82.Роль наследственности в формировании поведенческих признаков
человека.
83.Генетика иммунитета. Совместимость и несовместимость тканей.
84.Общая
характеристика
опухолей.
Онкогены,
онкобелки,
антионкогены.
85.Генетика определения пола у человека и дрозофилы.
86.Задачи и методология генетической инженерии.
87.Методы выявления и синтеза генов.
88.Понятие о векторах. Векторы на основе плазмид и ДНК фагов.
Геномные библиотеки.
89.Явление теплового шока и изменение активности генов.
90.Основы
генетической
инженерии
растений
и
животных:
трансформация клеток высших организмов, введение генов в
зародышевые и соматические клетки животных. Получение
трансгенных организмов.
91.Проблемы генотерапии. Значение генетической инженерии для
решения задач биотехнологии, сельского хозяйства, медицины и
различных отраслей народного хозяйства.
92.Использование методов генетической инженерии для изучения
фундаментальных проблем генетики и других биологических наук.
Социальные аспекты генетической инженерии.
93.Генетика соматических клеток. Химерные (аллофенные) животные.
94.Генетика соматических клеток. Гетерокарионы. Применение метода
соматической
гибридизации
для
изучения
процессов
дифференцировки и для генетического картирования.
95.Проблемы медицинской генетики. Врожденные и наследственные
болезни, их распространение в человеческих популяциях. Болезни с
наследственной предрасположенностью. Скрининг генных дефектов.
Хромосомные и генные болезни.
96.Генетическая гетерогенность популяций. Методы изучения
природных
популяций.
Понятие
о
внутрипопуляционном
генетическом полиморфизме и генетическом грузе.
97.Хромосомная ходьба при клонировании ДНК.
98.Геномные проекты. Методика микроэрреев.
99.Понятие о виде и популяции. Популяция как естественноисторическая структура. Понятие о частотах генов и генотипов в
популяциях. Закон Харди-Вайнберга, возможности его применения.
100.
Понятие о структурной, функциональной и эволюционной
геномике. Молекулярно-генетические методы картирования генома.
101.
Структурная организация генома эукариот. Семейства генов.
Псевдогены. Проблемы происхождения и молекулярной эволюции
генов.
102.
Естественный отбор как направляющий фактор эволюции
популяций. Понятие о приспособленности и коэффициенте отбора.
Формы отбора: движущий, стабилизирующий, дизруптивный. Роль
генетических факторов в эволюции.
103.
Молекулярно-генетические
основы
эволюции.
Задачи
геносистематики. Значение генетики популяций для медицинской
генетики, селекции, решения проблем сохранения генофонда и
биологического разнообразия.
104.
Предмет и методология селекции. Генетика как теоретическая
основа селекции.
105.
Системы скрещиваний в селекции растений и животных.
Линейная селекция. Отдаленная селекция.
106.
Закон гомологических рядов в наследственной изменчивости
(Н.И.Вавилов). Значение наследственной изменчивости организмов
для селекционного процесса и эволюции.
107.
Использование простых и двойных межлинейных гибридов в
растениеводстве и животноводстве. Производство гибридных семян на
основе цитоплазматической мужской стерильности. Коэффициенты
наследуемости и повторяемости и их использование в селекционном
процессе.
108.
Особенности человека как объекта генетических исследований.
Методы изучения генетики человека.
109.
Системы скрещиваний в селекции растений и животных.
Аутбридинг. Инбридинг.
110.
Роль частной генетики отдельных видов организмов в селекции.
Использование индуцированных мутаций и комбинативной
изменчивости в селекции растений, животных, микроорганизмов. Роль
полиплоидии в повышении продуктивности растений.
111.
Явление гетерозиса и его генетические механизмы.
112.
Предмет и методология селекции. Перспективы методов
генетической и клеточной инженерии в селекции.
113.
Роль наследственности в формировании поведенческих
признаков. Генетика поведения дрозофилы.
114.
Центры происхождения культурных растений по Н.И.Вавилову.
Понятие о породе, сорте, штамме. Сохранение генофонда ценных
культурных и диких форм растений и животных.
Рекомендуемая литература
Айала Ф., Кайгер Дж. Современная генетика: В 3 т. М.: Мир. 1987-1988. Т.1
– 295 с. Т.2 – 368 с. Т.3 – 335 с.
Алиханян С.И., Акифьев А.П., Чернин Л.С. Общая генетика. М.: Высш.
шк. 1985. – 446 с.
Гершензон С.М. Основы современной генетики. Киев: Наук. думка. 1983. –
558 с.
Гершкович И. Генетика. М.: Наука. 1968. – 698 с.
Дубинин Н.П. Генетика. Кишинев: Штиинца. 1985. – 533 с.
Дубинин Н.П. Избранные труды: В 4 т. М.: Наука. Т. 1: Проблемы гена и
эволюции. 2000. 545 с. Т. 2: Радиационный и химический мутагенез. 2000. –
465 с.
Жимулёв И.Ф. Общая и молекулярная генетика: Учеб. пособие – 2-ое
издание. Новосибирск: Сиб. унив. изд-во. 2003. – 479 с.
Жимулёв И.Ф. Общая и молекулярная генетика: Учеб. пособие – 3-е
издание. Новосибирск: Сиб. унив. изд-во. 2006. – 478 с.
Инге-Вечтомов С.Г. Генетика с основами селекции. М.: Высш. шк., 2010. –
740 с.
Кайданов Л.З. Генетика популяций. М.: Высш. шк.. 1996. – 320 с.
Картель Н.А., Макеева Е.Н., Мезенко А.М. Генетика: Энциклопедический
словарь. Минск: Тэхналогия. 1999. – 447 с.
Лобашев М.Е. Генетика. Л.: Изд-во Ленингр. ун-та. 1967. – 751 с.
Льюин Б. Гены. М.: Мир. 1987. – 544 с.
Мюнтцинг А. Генетика. М.: Мир. 1967. – 600 с.
Натали В.Ф. Основные вопросы генетики. М.: Просвещение. 1967. – 207 с.
Основы цитогенетики человека / Под. ред. А.А. Прокофьевой–Бельговской.
М.: Медицина. 1969. – 544 с.
Рокицкий П.Ф. Введение в статистическую генетику. Минск: Вышейшая
школа. 1974. – 447 с.
Сингер М., Берг П. Гены и геномы: в 2 т. М.: Мир. 1998. Т.1. – 373 с. Т.2. –
391 с.
Тимофеев-Ресовский Н.В., Воронцов Н.Н., Яблоков А.В. Краткий очерк
теории эволюции. М.: Наука. 1977. – 301 с.
Уотсон Дж. Д. Двойная спираль: воспоминания об открытии ДНК. М.: Мир.
1969. – 152 с.
Уотсон Дж. Молекулярная биология гена. М.: Мир. 1967. – 461 с.
Шмальгаузен И.И. Факторы эволюции. М.: Наука. 1968. – 451 с.
Программа
вступительного экзамена в аспирантуру ИЦиГ по специальности
Молекулярная биология - 03.01.03
Определение предмета «молекулярная биология». Основные этапы развития.
Наиболее принципиальные открытия.
Доказательства генетической роли нуклеиновых кислот.
Хронология открытий, подготовивших создание Уотсоном и Криком модели
двойной спирали ДНК.
Нуклеозид, нуклеотид, полинуклеотид.
Принципы строения двойной спирали ДНК.
Параметры B-, A- и Z-форм ДНК.
Виды РНК. Их роль в клетке.
Классификация аминокислот.
Четыре уровня структурной организации белков. Глобулярные и
фибриллярные белки.
Основные биологические функции белков.
Функции ДНК. Информационная емкость.
Генетический код. Его основные свойства.
Принципы транскрипции.
Понятие об опероне.
Субъединичный состав РНК-полимеразы E.coli. Её основные функции.
Особенности структуры промоторов.
Этапы транскрипции у прокариот.
Регуляция транскрипции у бактерий. Негативная индукция. Позитивная
индукция. Негативная репрессия. Позитивная репрессия.
Аттенуация в регуляции экспрессии триптофанового оперона E.coli.
Особенности транскрипции у эукариот.
Множественность и специфичность РНК-полимераз эукариот.
Cis-элементы и trans-факторы транскрипции. Образование инициаторных
комплексов с участием РНК-полимеразы II.
Понятие об энхансерах и сайленсерах.
Процессинг m-РНК эукариот: кепирование, полиаденилирование, сплайсинг,
редактирование.
Различные механизмы сплайсинга. Trans-сплайсинг.
Альтернативный сплайсинг.
РНК-протеидные комплексы.
Малые РНК. Их функции.
Структура t-РНК.
Рекогниция. Аминоацелирование t-РНК.
Структура рибосом про- и эукариот. Центры рибосом E.coli.
Этапы трансляции у прокариот. Белковые факторы трансляции.
Регуляция трансляции на примере фага MS2.
Регуляция образования r-РНК и белков рибосом у E.coli.
Образование рибосом у эукариот. Понятие о ядрышке.
Принципы репликации ДНК.
Доказательство полуконсервативного характера репликации.
Ферментативная система синтеза ДНК in vitro. Активирование ДНК.
Понятие о матрице и затравке при репликации ДНК.
Строение и функции ДНК-полимеразы I из E.coli. Значение 3'→5' и 5'→3'
гидролитических активностей.
Схема непрерывной антипараллельной репликации Корнберга.
Схема непрерывной параллельной репликации Кэрнса.
Схема прерывистой антипараллельной репликации Оказаки.
Сравнительная характеристика ДНК-полимераз, I, II и III из E.coli.
ДНК-полимераза III, holo-фермент.
Схема размножения фага М13 и доказательство наличия РНК-затравки при
репликации ДНК.
Праймаза и праймосома.
Проблема денатурации матрицы при репликации. SSB. Геликазы.
Принципы работы и биологические функции топоизомераз.
Современная схема репликации ДНК E.coli (модель «тромбона»).
Особенности репликации ДНК эукариот.
Репликация митохондриальной ДНК позвоночных животных.
Теломеры, теломераза и старение.
Основные репарабельные повреждения в ДНК и принципы их исправления.
Геном эукариот. «Избыточность», наличие повторов, некодирующих
последовательностей, компактность, нестабильность.
Основы метода ренатурации ДНК.
Сателлитная ДНК. Особенности состава. Локализация в геноме. Возможная
роль.
Палиндромы. Роль обращенных повторов в геноме.
Умеренные повторы в ДНК.
Типы структурно-функциональной организации эукариотических генов.
Гены «домашнего хозяйства» и гены «роскоши».
Общая характеристика гистонов.
Компактизация ДНК эукариот. Нуклеосомный, супербидный, петлевой
уровни компактизации. Метафазная хромосома.
Нестабильность генома. Мобильные элементы про- и эукариот; эффекты их
внедрения.
Ретровирусы. Обратная транскрипция.
Молекулярные основы канцерогенеза. Онкогены и ГСО.
Молекулярно-биологические основы возникновения жизни на Земле.
Образование биополимеров. Образование мембранных структур и
пробионтов.
Эволюция
первоклеток.
Симбиотическая
теория
образования
эукариотических клеток.
Программу составил д.б.н., профессор Дымшиц Г.М.
Программа
вступительного экзамена в аспирантуру ИЦиГ по специальности
Клеточная биология, цитология, гистология - 03.03.04
1. Клеточная теория. Особенности организации клеток прокариот,
эукариот, архебактерий.
2. Репликация ДНК и хромосом. Закономерности распределения
хромосом при митозе и мейозе. Центромера и кинетохор.
3. Центриоль. Ультраструктура, репликация, участие в делении клеток.
4. Клеточный цикл. Фазы клеточного цикла. Экзогенные и эндогенные
механизмы регуляции клеточного цикла. Нарушения регуляции
клеточного цикла при злокачественной трансформации.
5. Межклеточные взаимодействия. Плазматическая мембрана. Рецепторы.
Типы химических сигналов. Роль химических факторов
при
межклеточных взаимодействиях.
6. Понятие о гетерохроматине.
7. Деление клеток. Тип деления. Реорганизация ядра и цитоплазмы при
митозе. Полиплоидия клеток и механизмы ее возникновения.
8. Пространственная организация синтеза белка в клетках. Клеточные
органеллы, участвующие в синтезе белка, их структура, принципы
функционирования.
9. Повторяющиеся последовательности ДНК, их роль и локализация в
хромосоме.
10.Мейоз. Фазы мейоза. Синапсис и синаптонемальный комплекс.
Кроссинговер и образования хиазм. Мейоз как клеточная основа
менделеевских законов.
11.Клеточные органеллы – трансформаторы энергии в клетке, их
структура, принципы функционирования. Геном хлоропластов и
митохондрий, взаимодействие с геномом ядра.
12.Особенности строения растительных клеток. Центральная роль
клеточной стенки в функционировании клетки растений. Пластиды,
вакуоли, центральная вакуоль. Экзоцитоз.
13.Хромосомная теория наследственности. Основные положения, краткий
исторический обзор, современное состояние.
14.Клеточные культуры животных. Основные принципы получения
культур, особенности строения и поведения клеток в культуре.
Использование клеточных культур в клеточной инженерии животных.
15.Пространственная организация синтеза РНК и белка в клетке.
Механизмы переноса РНК из ядра в цитоплазму. Ядерная оболочка.
Модели пор. Рибосомы. Эндоплазматический ретикулум.
16.Хромосома. Характеристика хромосомной ДНК и белков. Основные
уровни упаковки ДНП в хромосоме. Дифференциальная окраска
хромосом. Центромера, теломера, ядрышковый организатор.
17.Клеточные культуры растений. Основные принципы получения
культур, особенности строения и поведения клеток в культуре.
Использование клеточных культур в клеточной инженерии растений.
18.Гаметогенез (овогенез и сперматогенез). Особенности строения
половых клеток.
19.Понятие о кариотипе. Число, размер, морфология хромосом. Основные
положения эволюции кариотипа у животных и растений. Хромосомные
перестройки. Полиплоидия.
20.Механизмы мембранного транспорта молекул в клетке.
21.Мобильность генома и генетическая рекомбинация. Общая и сайтспецифическая рекомбинация.
22.Интерфазное ядро. Молекулярная характеристика, структурная
организация, функционирование (транскрипция, репликация ДНК).
Пространственная организация интерфазного ядра.
23.Органы и клетки иммунной системы. Иммунный ответ клеток.
Клеточные взаимодействия при иммунном ответе. Механизмы
естественного иммунитета. Натуральные киллеры.
24.Мобильные генетические элементы.
25.Клеточные мембраны. Строение и функциональная дивергенция в
разных клеточных органоидах. Роль клеточных мембран в
компартментализации клеток и регуляция метаболических процессов.
26.Злокачественная трансформация клеток. Онкогены, протоонкогены.
Хромосомные перестройки в трансформированных клетках.
27.Строение политенных хромосом, их использование как модели
интерфазных хромосом. Построение цитологических и генетических
карт.
28.Общие принципы организации цитоскелета в клетке. Роль цитоскелета
в пространственной организации клеток и их функционировании.
29.Цитодифференцировка как отражение дифференциальной активности
генов. Понятие о стволовых клетках. Синтез специфических белков –
функциональное проявление цитодифференцировки.
30.Хромосомный механизм определения пола. Половые хромосомы.
Программа
вступительного экзамена в аспирантуру ИЦиГ по специальности
Физиология - 03.03.01
Разработана Институтом цитологии и генетики СО РАН при участии
кафедры физиологии Новосибирского государственного университета
Общие принципы регуляции функции. Эволюция механизмов
регуляции функций. Гуморальная и нервно-рефлекторная регуляция.
Рефлекторная теория И.М.Сеченова и И.П.Павлова. Рефлекс и его
структурно-функциональная основа. Основные принципы рефлекторной
деятельности. Гуморальные механизмы в системе регуляции функций.
Обратная связь как непременный элемент управляющей системы. Понятие о
функциональной системе.
Физиология возбудимых тканей. Ткани реактивные и возбудимые.
Возбудимость, соотношение силы и длительности действия раздражителя,
хронаксия.
Мембранная теория возбуждения. Потенциал покоя. Природа потенциала
покоя. Потенциал действия. Ионный механизм возникновения потенциала
действия. Механизмы изменения ионной проводимости во время генерации
потенциала действия. Изменение возбудимости при возбуждении.
Проведение нервного импульса. Структура нервных волокон. Законы
проведения возбуждения в нервах. Проведение возбуждения в
немиелинизированных и миелинизированных нервных волокнах. Составной
характер потенциала действия нервного ствола и классификация нервных
волокон.
Синаптическая
передача.
Функциональная
морфология
синапсов.
Классификация синапсов. Характеристика синаптических медиаторов.
Механизм выделения медиатора. Особенности синаптической передачи.
Молекулярные мишени медиаторов.
Торможение. Первичное торможение. Медиаторы тормозных синапсов.
Постсинаптический
тормозной
потенциал,
его
характеристика.
Пресинаптическое торможение. Вторичное торможение. Парабиоз
Введенского, торможение вслед за возбуждением.
Физиология системы крови. Состав, количество и физико-химические
свойства крови. Форменные элементы крови, их функции. Регуляция
кроветворения. Свертывание крови. Плазменные факторы системы
гемокоагуляции. Сосудисто-тромбоцитарный гемостаз. Коагуляционный
гемостаз. Фибринолиз, его значение. Противосвертывающие механизмы.
Регуляция свертывания крови.
Физиология
системы
кровообращения.
Деятельность
сердца.
Кардиодинамика: временная организация сердечного цикла. Свойства
сердечной мышцы. Автоматия. Проводящая система и особенности
распространения возбуждения по различным структурам сердца.
Сократительный процесс в мускулатуре сердца, изменение возбудимости во
время сокращения, экстрасистола.
Регуляция деятельности сердца. Гетерометрическая ауторегуляция при
изменении
притока
крови
и
периферического
сопротивления.
Гомеометрическая регуляция. Нервная регуляция сердечной деятельности.
Взаимодействие экстракардиальных и интракардиальных нервных
регуляторных механизмов. Гуморальная регуляция работы сердца.
Сосудистая система. Общий план сосудистой системы. Основные принципы
гемодинамики. Взаимодействие гемодинамических параметров. Роль
гравитационного фактора. Артериальное давление крови. Механизм
возникновения волн 1-3 порядка. Регуляция системы кровообращения. Тонус
сосудов и нейро-гормональные механизмы его регуляции. Кровообращение в
капиллярах. Микроциркуляторная единица. Транспорт веществ. Регуляция
капиллярного кровообращения. Лимфообразование.
Физиология дыхания. Внешнее дыхание, биомеханика дыхания. Легочные
объемы. Вентиляция легких. Обмен газов в легких. Диффузия газов.
Взаимоотношение между вентиляцией и кровообращением. Транспорт
кислорода кровью. Транспорт углекислого газа кровью. Регуляция дыхания.
Дыхательный центр, его организация. Функциональные свойства
дыхательных нейронов продолговатого мозга. Рефлексы с рецепторов
растяжения легких и дыхательных мышц. Роль хеморецепторов в регуляции
дыхания. Взаимодействие различных отделов ЦНС в регуляции дыхания.
Особенности дыхания в разных условиях. Дыхание и речь.
Физиология пищеварения. Пищеварение в полости рта. Регуляция
слюноотделения. Пищеварение в желудке. Секреторная деятельность
желудка. Регуляция желудочной секреции. Пищеварение в тонком
кишечнике. Состав и свойства сока поджелудочной железы. Рефлекторная и
гуморальная регуляция панкреатической секреции. Роль печени в
пищеварении. Состав желчи. Желчевыделение. Кишечная секреция. Состав
сока кишечных желёз. Регуляция сокоотделения. Полостной и мембранный
гидролиз питательных веществ в тонком кишечнике.
Пищеварение в толстом кишечнике. Значение микрофлоры толстого
кишечника. Двигательная функция желудочно-кишечного тракта. Регуляция
моторной функции. Всасывание продуктов гидролиза в различных отделах
пищеварительного тракта.
Обмен веществ и энергии. Общее понятие об обмене веществ. Формы
энергии и их превращения в организме. Принципы изучения энергетического
обмена в организме. Понятие о дыхательном коэффициенте. Основной обмен
и методы его определения. Обмен энергии у человека при физическом и
умственном труде. Специфически-динамическое действие пищи. Регуляция
обмена энергии.
Терморегуляция. Температура тела и изотермия. Методы измерения
температуры тела, колебания температуры. Химическая терморегуляция.
(несократительный
и
сократительный
термогенез).
Физическая
терморегуляция. Регуляция изотермии (нервный и гуморальный механизмы).
Роль различных отделов ЦНС в терморегуляции. Гипотермия и гипертермия.
Физиология водно-солевого обмена и функции почек. Жидкостные секторы
организма, их состав, физико-химические компоненты. Роль системы
выделения в поддержании физико-химического гомеостаза внутренней
среды. Функциональная единица почки – нефрон, его части. Клубочковая
ультрафильтрация – начальный процесс мочеобразования. Ауторегуляция
почечного кровотока и фильтрации. Канальцевые процессы. Транспорт
активный и пассивный. Транспорт органических веществ (белок,
аминокислоты, сахара и др.). Проксимальный и дистальный транспорт
натрия, калия и других ионов. Процесс секреции низкомолекулярных
веществ. Субстратная индукция как основной механизм регуляции секреции.
Система осмотического концентрирования. Нейро-гормональные механизмы
регуляции объема циркулирующей жидкости. Осморегуляция. Рецепторные
зоны,
гипоталамо-гипофизарная
нейросекреторная
система,
антидиуретический
гормон.
Взаимодействие
между
волюмои
осморегуляцией. Регуляция ионного баланса. Гормоны и кальциевый обмен.
Регуляция кислотно-основного баланса (внепочечные и почечные
механизмы).
Физиология эндокринной системы. Общие представления о структурнофункциональной организации эндокринной системы у позвоночных.
Основные типы физиологических эффектов гормонов в регуляции функций.
Химическая структура гормонов и её связь с биологической активностью.
Типы, классы и семейства химических соединений, обладающих
гормональными свойствами. Функциональные единицы гормона. Основные
закономерности секреции гормонов. Физиологические механизмы регуляции
функций эндокринных желёз. Циркуляторный транспорт и разрушение
гормонов во внутренней среде организма, выведение метаболитов. Типы и
основные механизмы рецепции гормонов в тканях. Генерация вторичного
сигнала и её регуляция.
Гормональная регуляция процессов роста в организме. Гипоталамическая
регуляция секреции СТГ, пролактина и ТТГ. Влияние СТГ, инсулина,
кортикостероидов и половых гормонов на ростовые процессы. Роль гормонов
щитовидной железы в процессах роста и дифференцировки.
Эндокринная регуляция функции воспроизведения. Становление пола у
позвоночных. Половая дифференцировка гипоталамуса. Регуляция
биосинтеза андрогенов семенниками и надпочечниками. Механизмы
действия на половые органы и анаболические эффекты андрогенов.
Биосинтез и регуляция секреции эстрогенов и прогестерона. Половые циклы
млекопитающих и человека. Беременность и лактация. Гонадные и
внегонадные эффекты женских половых гормонов.
Эндокринная регуляция межуточного обмена. Биосинтез и регуляция
секреции инсулина, глюкагона, адреналина и их взаимоотношения в
регуляции уровня сахара в крови. Влияние инсулина и глюкокортикоидов на
динамику белкового и жирового обменов и их роль в обеспечении
адаптивной деятельности организма. Стресс, роль гипоталамо-гипофизарнонадпочечниковой системы в реализации общего адаптационного синдрома.
Симпато-адреналовая система в регуляции адаптивных реакций организма.
Физиология центральной нервной системы. Структурно-функциональная
организация центральной и периферической нервной системы. Нейроны и
глиальные клетки, их классификация и функции. Межклеточные
пространства в нервной системе. Понятие о гематоэнцефалическом барьере.
Особенности организации соматической и вегетативной нервной системы.
Нейрофизиологические корреляты активности головного мозга. Виды
биоэлектрической
активности.
ЭЭГ,
ритмы,
происхождение,
физиологическое значение, коротколатентные и длиннолатентные
компоненты, способы регистрации. Медленные колебания электрической
активности мозга. Импульсная активность нейронов. Зависимость
метаболизма и кровоснабжения мозга от его активности. Исследование
функций мозга с помощью методов компьютерной томографии.
Простые нервные цепи. Конвергенция и дивергенция. Виды тормозного
взаимодействия нейронов. Усиливающие цепи и механизмы усиления.
Рефлекторная деятельность в ЦНС. Виды и свойства рефлексов. Учение
И.П.Павлова об анализаторах. Структура анализатора. Периферический и
центральный анализ и синтез сигналов внешнего мира. Учение И.П.Павлова
о первой и второй сигнальных системах. Речевая функция, новый принцип
деятельности больших полушарий головного мозга.
Сенсорные проекции в ЦНС. Лемнисковая и экстралемнисковая системы, их
физиологическая роль. Пути поступления в кору информации различной
сенсорной модальности. Корковый конец анализатора. Первичные,
вторичные сенсорные зоны, ассоциативная кора. Колоночный принцип
строения коры.
Сенсорные системы. Понятие рецептора. Рецепторный потенциал. Закон
специфической нервной энергии. Функции рецепторов. Факторы, влияющие
на чувствительность рецепторов. Анализ физических характеристик
стимулов (психофизические законы).
Физиология движения. Двигательные системы спинного мозга. Двигательные
функции ствола. Функции мозжечка. Базальные ганглии в организации
двигательных актов. Произвольные движения.
Сон и бодрствование. Понятие о циркадных ритмах. Ретикулярная формация
в регуляции сна. Биоэлектрическая характеристика сна. Фазы сна.
Внеретикулярные механизмы регуляции цикла сон-бодрствование.
Нейрохимия сна.
Мотивации и эмоции. Общие понятия. Основные характеристики
эмоциональных реакций. Информационная теория эмоций. Лимбическая
система – нервный субстрат эмоционального поведения. Функция эмоций.
Типы высшей нервной деятельности человека и животных, их
физиологическая характеристика.
Память. Виды памяти. Этапы запоминания. Понятие о консолидации и
воспроизведении. Теории памяти. Нейрохимия памяти. Роль отдельных
структур мозга в процессах памяти.
Функциональная
асимметрия
мозга.
Специализация
полушарий.
Межполушарные функциональные взаимодействия. Половые особенности
межполушарной функциональной асимметрии. Патологические паттерны
функциональной асимметрии мозга.
Программа
вступительных экзаменов в аспирантуру при ИЦиГ
по специальности Биохимия - 03.01.04
1. Введение
Основные понятия и методы химии полимеров.
Предмет биологической химии - изучение веществ, из которых состоят
живые организмы, и химических прцессов, происходящих в живых
организмах. Биополимеры - как пограничная жизни форма организации
материи. Биокатализаторы - ферменты (энзимы) - необходимые компоненты
всех биохимических процессов. Универсальность низкомолекулярных
компонентов и специфичность белков и нуклеиновых кислот.
Полимеры. Мономерные компоненты полимеров. Бифункциональность
мономеров. Линейные полимеры. Разветвленные полимеры. Сшитые
полимеры. Набухаемость сшитых полимеров. Регулярные полимеры.
Полиаминокислоты и гомополинуклеотиды, как примеры регулярных
полимеров. Статистические сополимеры. Нерегулярные полимеры.
Многообразие возможных последовательностей мономерных звеньев в
нерегулярных полимерах. Многообразие белков и нуклеиновых кислот как
основа многообразия форм жизни. Особые точки на концах линейной
полимерной цепи. Направление полимерной цепи.
Молекулярные характеристики биополимеров. Молекулярный вес.
Физические и физико-химические методы изучения биополимеров. Метод
седиментационного равновесия. Константы седиментации. Единицы
измерения констант седиментации.
Часть 1. БИОПОЛИМЕРЫ.
Белки и нуклеиновые кислоты, как нерегулярные линейные полимеры.
Многообразие биополимеров.
Аминокислотный состав белков. Алифатические аминокислоты - глицин,
аланин, валин, лейцин, изолейцин. Аминокислота - пролин. Ароматические
аминокислоты - фенилаланин, триптофан, тирозин. Оксиаминокислоты серин и треонин. Дикарбоновые аминокислоты и их амиды - глутаминовая и
аспарагиновая аминокислоты, глутамин и аспарагин. Основные
аминокислоты - лизин, аргинин и гистидин. Серосодержащие аминокислоты
- цистеин и метионин. Цистин, оксилизин и оксипролин - продукты
превращения аминокислотных остатков в составе белковых молекул.
Пептидная связь. Электрохимические и спектральные характеристики
пептидной связи, боковых и концевых групп белков и пептидов.
Нуклеозиды и нуклеотиды - низкомолекулярные компоненты
нуклеиновых кислот. Рибоза и дезоксирибоза. Главные гетероциклы аденин, гуанин, цитозин и тимин или уроцил. Рибонуклеозиды - аденозин,
гуанозин, цитидин, уридин. Дезоксирибонуклеозиды - дезоксиаденозин,
дезоксиаденозин, дезоксицитидин, тимидин. Минорные компоненты, как
продукты превращения мономеров
в составе нуклеиновых кислот.
Метелирование
гетероциклических
оснований.
Дигидроуридин.
Псевдоуридин. Нуклеотиды - фосфаты нуклеозидов. Моно-, ди- и
тринуклеотиды. Межнуклеотидная связь. Рибонуклеиновые кислоты (РНК).
Дезоксирибонуклеиновые
кислоты
(ДНК).
Электрохимические
и
спектральные характеристики нуклеозидов и нуклеотидов.
Нековалентные взаимодействия в биополимерах. Электростатические
взаимодействия. Водородные связи. Ван-дер ваальсовы взаимодействия.
Гидрофобные и гидрофильные группы в биополимерах. Специфические
взаимодействия между гидрофобными участками в водных растворах
(гидрофобные
взаимодействия).
Межплоскостные
взаимодействия
ароматических и сопряженных гетероциклических систем (стекинг взаимодействия). Понятие о вторичной структуре белков. Альфа-спиральная
конформация полипептидных цепей. Бета-конформация пептидной цепи.
Образование спиральных структур в полинуклеотидах за счет стекингвзаимодействия.
Специфические взаимодействия в биополимерах. Многоточечность и
кооперативность
специфических
взаимодействий.
Понятие
о
комплементарных гетероциклах в нуклеиновых кислотах. Комплементарные
последовательности нуклеотидов. Специфические взаимодействия между
комплементарными
полинуклеотидными
цепями,
как
пример
специфического взаимодействия. Пространственная структура нативной
ДНК (модель Уотсона и Крика). Правило Чаргаффа. Возможность
комплементарных
взаимодействий
между
участками
одной
полинуклеотидной цепи. Третичная структура биополимеров, как итог
специфических внутримолекулярных взаимодействий. Роль дисульфидных
связей в образовании третичной структуры белков. Рентгеноструктурный
анализ пространственной структуры кристаллических белков и нуклеиновых
кислот.
Специфические межмолекулярные взаимодействия биополимеров
между собой и с низкомолекулярными компонентами. Четвертичная
структура белков. Субъединицы белков. Комплексы белков с нуклеиновыми
кислотами - нуклеопротеиды. Основные классы нуклеопротеидов - хроматин,
рибосомы, вирусы, бактериофаги. Биологические мембраны. Фосфолипиды.
Липопротеидные комплексы в биологических мембранах. Значение
специфических межмолекулярных взаимодействий. Специфическая сорбция
малых молекул. Гемоглобин и его взаимодействие с кислородом. Сорбция
субстратов ферментами. Сорбция низкомолекулярных соединений
транспортными белками мембран. Белковые рецепторы в мембранах и их
взаимодействия с эффекторами. Взаимодействия между белками.
Взаимодействие антиген - антитело. Самосборка белков из субъединиц.
Самосборка вирусов и рибосом. Способность биополимеров к узнаванию и
самоорганизации - результат специфической пространственной структуры с
организацией области узнавания.
Конформационная
лабильность
биополимеров.
Нативное
и
денатурированное состояние. Потеря способности к специфическим
взаимодействиям при денатурации. Обратимость переходов между нативным
и
денатурированным
состоянием.
Множиство
фиксированных
(функционально значимых) конформаций биополимеров. Направленные
конформационные переходы под действием низкомолекулярных соединений.
Конформационные переходы и мышечное сокращение. Транспорт веществ
через фосфолипидные меамбраны. Передача сигнала внутрб клетки путем
взаимодействия специальных белков-рецепторов со специфическими к ним
низкомолекулярными соединениями. Взаимодействие репрессора с
оператором. Значение направленных конформационных переходов для
регуляции ферментативной активности. Направленные перемещения
молекул, как результат направленных конформационных переходов.
Первичная структура биополимеров. Направление полимерной цепи в
белке от N-конца к С-концу и от5’-конца к 3’-концу в нуклеиновой кислоте.
Определение мономерного состава биополимеров. Расщепление белков до
аминокислот и гидролиз нуклеиновых кислот до свободных гетероциклов.
Ферментативные методы расщепления. Методы разделения и анализа смесей
мономеров.
Фенилтиогидантоиновый метод ступенчатого расщепления полипептидов
с N-конца (метод Эдмана). Автоматические секвенаторы полипептидов.
Специфические методы расщепления полимеров на крупные блоки.
Ферментативное расщепление белков специфическими протеазами трипсином, химотрипсином, пепсином и др. Химические методы
расщепления полипептидных цепей. Бромциановый метод. Расщепление
дисульфидных связей. Метод перекрывающихся блоков для установления
порядка полученных фрагментов в исходной полипептидной цепи.
Специфические рибонуклеазы. Расщепление ДНК ферментами рестрикции.
Физические карты ДНК. Методы специфической химической модификации
ДНК. Специфическое расщепление ДНК. Метод Максама-Гильберта и метод
Сенгера.
Часть II. ФЕРМЕНТЫ.
Ферментативный катализ. Строение ферментов. Участие ионов
металлов и специальных органических молекул (простетических групп) в
каталитическом действии ряда ферментов. Механизм действия ферментов.
Сорбция субстратов на специализированных (адсорбционных) центров
ферментов, как первая стадия всех ферментативных процессов. Химическое
взаимодействие субстратов с ферментами, как промежуточная стадия
некоторых ферментативных процессов. Каталитический центр ферментов.
Кинетическое уравнение для односубстратной ферментативной реакции
(уравнение
Михаэлиса).
Квазиравновесное
и
квазистационарное
приближение для кинетического уравнения. Максимальная скорость и
константа Михаэлиса. Зависимость кинетических параметров уравнения
Михаэлиса от рН. Единицы активности фермента. Конкурентное
ингибирование ферментов. Аллостерические эффекторы (активаторы и
ингибиторы). Субъединичные ферменты.
Классы ферментативных реакций. Первый класс - оксидоредуктазы.
Рациональная номенклатура оксидоредуктаз. Окисление молекулярным
кислородом. Существование специфических переносчиков электронов в
биологических системах. Гемопротеиды - комплексы белков с
железопорфиринами. Цитохромы - гемопротеидные переносчики электронов.
Цитохром С - основной донор электронов для кислорода. Цитохромоксидаза.
Участие ионов меди в реакциях окисления молекулярным кислородом.
Оксигеназы - ферменты, катализирующие присоединение обоих атомов
молекулярного кислорода к субстрату. Триптофаноксигеназа. Образование
формилкинуренина. Гидроксилазы - ферменты, катализирующие образование
оксигруппза счет одного из атомов молекулярного кислорода. Фенолазный
комплекс (система, катализирующая сопряжение окисления фенолов в одифенолы и о-дифенолов в хиноны, как пример гидроксилаз. Флавиновые
ферменты. Рибофлавин. Флавиновые нуклеотиды (FMN и FAD). Флавиновые
оксидазы. Оксидазы L- и D-аминокислот, как пример флавиновых оксидаз.
Образование перекиси водорода при окислении, катализируемом
флавиновыми оксидазами. Разложение перекиси водорода каталазой.
Образование перекисных радикалов. Супероксиддисмутаза. Никотиновые
коферменты. Никотинамидадениндинуклеотид и его фосфат (NAD+ и
NADF+) и их восстановленные формы (NAD.H. и NADF.H).
Взаимопревращения окси и карбонильных групп - основной тип реакций с
никотинамидными коферментами. Дегидрогеназы. Примеры дегидрогеназ лактатдегидрогеназа и алкогольдегидрогеназа. Типы окислительновосстановительных реакций с участием флавиновых ферментов. Окисление
восстановленных форм NAD.H и NADF.H. Дегидрирование СН2-СН2 групп.
Окисление сульфгидрильных групп липоата. Липоат - акцептор альдегидных
групп при окислительном декарбоксилировании альфа-кетокислот. Участие
тиаминпирофосфата в окислительном декарбоксилировании кетокислот.
Второй класс - трансферазы. Рациональная номенклатура. Перенос
одноуглеродных остатков. Птероилглутаминовые коферменты. Фолиевая
кислота.
Тетрагидрофолат.
Перенос
формильных,
метильных,
оксиметильных. метенильных, формимино и метиленовых остатков. Sаденозилметионин, как промежуточный переносчик метильных групп.
Метилазы нуклеиновых кислот. Примеры реакций с участием различных
форм птероилглутаминовых коферментов. Использование формилирования
при синтезе промежуточных фрагментов для замыкания имидазольных и
пиримидиновых циклов. Синтез серина из глицина. Превращение
гомоцистеина в метионин. Перенос альдегидных групп. Участие
тиаминпирофосфата. Транскетолаза. Перенос оксиацильных и ацильных
остатков. Кофермент А (CoA-SH). Примеры трансферазных реакций с
участием кофермента А. Образование ацетил-СоА и ацетилдигидролипоата.
Трансаминазы. Перенос ацильного остатка от 3-кетоацил СоА на СоА.
Реакции переаминирования между -кето и -аминокислотами.
Пиридоксальфосфат и пиридоксалевые ферменты. Роль глутаминовой
кислоты в реакциях переаминирования. Перенос фосфоросодержащих
остатков. Киназы. Аденозинтрифосфат - основной донор фосфорильных
остатков.
Перенос
нуклеотидных
остатков.
Образование
цитидиндифосфаэтаноламина и цитидиндифосфатхолина, их роль в
биосинтезе фосфолипидов. Синтез олигомеров и полимеров с помощью
трансфераз. Уридиндифосфатглюкоза. Синтез сахарозы и гликогена.
Расщепление полимеров по трансферазному механизму. Фосфоролиз
гликогена с образованием глюкозо-1-фосфат. Фосфорилаза. Фосфоролиз РНК
полинуклертидфосфорилазой. Обратимость реакции и использование
полинуклеотидфосфорилазы
для
получения
гомополинуклеотидов.
Трансферазный механизм действия панкреатической РНКазы и гуанилРНКазы. Изомеризация по трансферазному механизму. Превращение
глюкозо-1-фосфат в глюкозо-6-фосфат.
Гидролазы. Пищеварительные гидролазы. Протеазы. Гидролиз углеводов.
Амилазы. Гидролиз жиров и фосфолипидов. Липазы. Фосфатидазы. Гидролиз
нуклеиновых кислот. Внутриклеточные нуклеазы и протеазы и их
регуляторная роль. Ацетилхолинэстераза. Участие гидролаз в замыкании
имидазольных и пиримидиновых циклов.
Лиазы.
Рациональная
номенклатура.
Углерод-углерод
лиазы.
Декарбоксилирование. Участие пиридоксальфосфата в декарбоксилировании
аминокислот. Альдегидлиазы. Альдолазы. Лиазы кетокислот. Синтез
лимонной кослоты из ацетил-СоА и оксалоацетата. Гидролиазы.
Фумаратгидратаза. Углерод-азот лиаза. Аспартат-аммиак лиаза.
Изомеразы. Классификация. Рацемазы и эпимеразы. Рибулозо-5-фосфат-3эпимераза. Уридиндифосфатглюкоза-4-эпимераза. Внутримолекулярные
оксидоредуктазы. Глюкозо-6-фосфатизомераза.
Лигазы (синтетазы). Синтез, сопряженный с гидролизом пирофосфатных
связей в АТР и GTP. Номенклатура лигаз. Аминокислота- тРНК-лигазы.
Механизм действия. Промежуточное образование смешанных ангидридов
аминокислот и аденозинмонофосфата - аминоациладенилатов. СоА-лигазы
жирных кислот. Глутаматсинтетаза. Синтез глутатиона (-глутамилцистеинил-глицина). Карбоксилирование с помощью лигаз. Участие биотина
в зависимом от АТР карбоксилировании. Синтез малонил-СоА.
Часть III. БИОХИМИЧЕСКИЕ ЦЕПИ И ЦИКЛЫ.
Катаболические и анаболические процессы. Значение катаболических
процессов для биоэнергетики клетки. АТР - основной аккумулятор энергии в
клетке. Макроэргические связи.
Окисление NAD.H кислородом - основной процесс, приводящий к
образованию макроэргических связей. Цикл трикарбоновых кислот основной источник образования NAD.H из NAD+. Основные реакции цикла
трикарбоновых кислот. Синтез цитратаи изомеризация его в изотитрат.
Аконитаза. Окислительное декарбоксилирование изоцитрата. Зависимое от
тиаминпирофосфата
декарбоксилирование
-кетоглутарата.
Перенос
сукцинильного остатка на липоат. Образование сукцинил-СоА и его
превращение в сукцинат, сопряженное с фосфорилированием GDP.
Окисление янтарной кислоты до фумаровой. Образование малата иего
окисление до оксалоацетата. Необходимость анаплеротических путей ( путей
пополняющих запас компонентов, участвующих в цикле). Зависимое от АТР
и биотина карбоксилирование пирувата - анаплеротический путь синтеза
оксалоацетата.
Цепь переноса электронов. Локализация процесса в митохондриях.
Разделение субмитохондриальных частиц, осуществляющих перенос
электронов на четыре комплекса.
Окисление NAD.H убихиноном,
катализируемое комплексом I. Окисление сукцината убихиноном,
катализируемое комплексом II. Окисление восстановленного убихинона
окисленным цитохромом с, катализируемое комплексом III. Окисление
восстановленного цитохрома с молекулярным кислородом , катализируемое
комплексом IV. Фосфорилирование ADP до ATP, сопряженное с
переносомпары электронов в комплексах I, III и IV. Полный
биоэнергетический эффект цикла трикарбоновых кислот.
Окисление углеводов. Гликолиз и его основные этапы. Образование
глюкозо-6-фосфата из глюкозы и гликогена. Изомеризация глюкозо-6-фосфат
во фруктозо-6-фосфат. Получение фруктозо-1,6-дифосфата. Расщепление
фруктозо-1,6-дифосфата
до
глицеральдегид-3-фосфата
и
дигидроксиацетонфосфата. Взаимопревращение триозофосфатов. Окисление
глицеральдегид-3-фосфата
до
3-фосфоглицерат,
сопряженное
с
фосфорилированием карбоксильной группы. Механизм сопряжения.
Образование макроэргической связи. Перенос фосфорильного остатка на
ADP. Изомеризация 3-фосфоглицерата в 2- фосфоглицерат. Участие 1,3дифосфоглицерата в реакции изомеризации. Дегидратация 2- фосфоглицерата
и образование макроэргического соединения - фосфоенолпирувата.
Пируваткиназа и образование ATP из ADP. Пируват, как конечный продукт
гликолиза. Превращение пирувата в анаэробных условиях. Молочно-кислое и
спиртовое брожение. Биоэнергетический баланс анаэробного гликолиза.
Превращение пирувата в аэробных условиях.
Пируватдегидрогеназный комплекс. Окислительное тиаминпирофосфат
зависимое декарбоксилирование пирувата, сопровождающееся переносом
остатка ацетальдегида на липоат. Образование ацетилкофермента А.
Регенерация окисленного липоата. Энергетический баланс превращения
глюкозы в ацетил-CoA.
Окисление жирных кислот. Номенклатура жирных кислот. Гидролиз
триацилглицеролов. Активация жирных кислот путем зависимого от
гидролиза АТР присоединения к СоА. Карнитин - переносчик
активированных жирных кислот с длинной цепью через внутреннюю
митохондриальную мембрану. Дегидрирование СН2-СН2-группы ацил-СоА.
Гидратация двойной связи и образование -гидроксиацил-СоА. Окисление
оксигруппы до оксогруппы. Перенос -ацильного остатка на СоА.
Биоэнергетический баланс окисления жирных кислот до ацетил-СоА.
Катаболизм аминокислот. Окислительное дезаминирование аминокислот
оксидазами. Реакции переаминирования между аминокислотами и кетоглутаратом. Глутамат- и аланин-аминотрансферазы. Дегидрогеназа
глутаминовой кислоты. Превращение аспарагиновой кислоты в фумарат при
действии аспартазы. Образование из аминокислот пирувата и компонентов
цикла трикарбоновых кислот. Катаболизм валина, как пример деградации
разветвленной углеродной цепи. Переаминирование и образование кетоизовалерата.
Окислительное
декарбоксилирование
альфакетоизовалерата и образование изобутирил-СоА. Дегидрирование до
метакрил-СоА. Гидротация и окисление до семиальдегида метилмалоновой
кислоты. Повторное окисление и изомеризация с образованием сукцинилСоА. Участие итамина В12 в реакции изомеризации.
Цикл мочевины как путь вывода аммиака из организма млекопитающих.
Превращение
аммиака
в
мочевину.
Синтез
карбамоилфосфата.
Присоединение карбамоильного остатка к орнитину и образование
цитруллина. Взаимодействие цитруллина с аспартатом с образованием
аргининосукцината. Отщепление фумарата и образование аргинина.
Замыкание цикла при гидролитическом отщеплении мочевины от аргинина.
Синтез фумарата - связующее звено цикла мочевины и ЦТК.
Альтернативный
путь
окисления
глюкозо-6-фосфата
(гексозомонофосфатныйшунт). Окисление глюкозо-6-фосфата
через
глюконо--лактон-6-фосфат
до
6-фосфоглюконата.
Окислительное
декарбоксилирование
6-фосфоглюконата
до
рибулозо-5-фосфата.
Изомеризация рибулозо-5-фосфата в ксилулозо-5-фосфат и в рибозо-5фосфат. Взаимопревращение пентоз и гексоз. Тиаминпирофосфат-зависимый
перенос остатка гликолевого альдегида с ксилулозо-5-фосфата на рибозо-5-
фосфат. Образование седогептулозо-7-фосфата и глицеральдегид-3-фосфата.
Перенос остатка дигидроксиацетона с седогептулозо-7-фосфата на
глицеральдегид-3-фосфата и образование фруктозо-6-фосфата и эритрозо-4фосфата. Перенос остатка гликолевого альдегида с ксилулозо-5-фосфата на
эритрозо-4-фосфат с образованием фруктозо-6-фосфата и глицеральдегид-3фосфата. Полный итог взаимопревращения альдоз и кетоз - образование пяти
молекул гексоз из шести молекул пентоз. Биоэнергетический баланс гексозомонофосфатного шунта.
Глюконеогенез. Синтез глюкозы из неуглеводных предшественников:
лактата, аминокислот и глицерола.. Общие реакции для глюконеогенеза и
гликолиза. Образование фосфоенолпирувата через промежуточное
образование
оксалоацетата.
Превращение
фосфоенолпирувата
в
гексозофосфат путем обращенной цепи гликолиза. Изменение энергетики при
обращении стадий, идущих с существенным падением энергии Гиббса.
Фотосинтез. Его значение в биосфере. Локализация фотосинтеза в
хлоропластах. Световые и темновые реакции фотосинтеза.
Световая стадия фотосинтеза как индуцированный светом перенос
электронов от воды к NADP+. Хлорофиллы и концепция фотосинтетической
единицы, реакционный центр. Две фотосистемы I и II. Фотосистема I.
Восстановленный ферредоксин, и перенос электрона с него на NADP + с
образованием NADPH. Фотосистема II. Образование сильного окислителя.
Окисление воды до молекулярного кислорода. Перенос электронов от
системы II к системе I. Пластохинон, цитохромы b559, c552 (цитохром f) и
пластоцианин - промежуточные переносчики электронов. Создание в
процессе переноса электронов протонного градиента и запуск синтеза АТP.
Циклическое фотосинтетическое фосфорилирование. Общий энергетический
баланс световой стадии фотосинтеза.
Темновая стадия фотосинтеза. Взаимодействие СО2 с 1,5рибулозодифосфатом с образованием двух молекул 3-фосфоглицерата.
Рибулозодифосфат карбоксилаза. Фосфорилирование 3-фосфоглицерата с
образованием 1,3-дифосфоглицерата и воостановление последнего с
помощью NADPH до 3-фосфоглицеринового альдегида. Синтез гексозы из
двух молекул триозофосфата. Цепь превращений альдозо- и кетозо-фосфатов
при фотосинтезе с регенерацией в конце рибулозо-1,5-дифосфата.. Перенос
двууглеродного остатка от фруктозо-6-фосфата на 3-фосфоглицериновый
альдегид с образованием эритрозо-4-фосфата и ксилулозо-5-фосфата. Синтез
седогептулозо-1.7-дифосфата
из
эритрозо-4-фосфата
и
дигидроксиацетонфосфата. Перенос двууглеродного остатка с седогептулозо1.7-дифосфата на 3-фосфоглицериновый альдегид с образованием рибозо-5фосфата и ксилулозо-5-фосфата. Изомеризация рибозо-5-фосфата и
ксилулозо-5-фосфата в рибулозо-5-фосфат. Фосфорилирование рибулозо-5фосфат и регенерация рибулозо-1,5-дифосфата. Биоэнергетический баланс
синтеза одной молекулы гексозы из СО2. Регуляция цикла Кальвина.
Биосинтез предшественников макромолекул.
Биосинтез олиго- и полисахаридов. Cинтез сахарозы и лактозы. Роль
UDP-глюкозы и
UDP-галактозы и их взаимопревращение. Биосинтез
амилозы и гликогена.
Биосинтез липидов. Биосинтез жирных кислот. Ацетил-СоА - исходное
соединение при биосинтезе. Ацил-переносящий белок (ACP). Образование
ацетил-ACP и малонил- ACP из ацетил-СоА и малонил-СоА. Перенос
ацетильного остатка от ацетил- ACP на малонил- ACP с отщеплением СО2.
Восстановление 3-кетогруппы до оксигруппы в 3-кетоацил- ACP с помощью
NADPH. Дегидратация 3-оксиацил-ACP. Восстановление двойной связи с
помощью NADPH. Регуляция синтеза жирных кислот. Биоэнергетический
баланс синтеза жирных кислот. Отличия путей синтеза и расщепления
жирных кислот. Взаимодействие глицерол-3-фосфата с ацил-СоА и
образование фосфатидной кислоты. Гидролиз ее до диацилглицерола,
образование жиров. Два пути синтеза фосфолипидов. Стероиды.
Пергидроциклопентанофенантрен как основа стероидов. Принципиальная
схема синтеза холестерина через мевалоновую кислоту.
Биосинтез аминокислот. Превращение N2 в NH4 микроорганизмами.
Включение NH4 в аминокислоты через глутамат и глутамин. Заменимые и
незаменимые
аминокислоты.
Шесть
биосинтетических
семейств.
Переаминирование оксалоацетата с образованием аспарагиновой кислоты и
пирувата с образованием аланина. Образование амидов аминодикарбоновых
кислот. Аспарагин- и глутамин синтетазы. Биосинтез аргинина из глутамата
через орнитин. Восстановительная циклизация полуальдегида глутаминовой
кислоты с образованием пролина. Фосфорилирование аспартата и его
восстановление до полуальдегида аспарагиновой кислоты.Восстановление
полуальдегида до гомосерина и изомеризация гомосерина в треонин.
Биосинтез изолейцина, как пример синтеза аминокислот с разветвленной
алифатической цепью. Превращение треонина в альфа-кетомасляную
кислоту. Тиаминпирофосфат зависимое присоединение остатка ацетальдегида
к альфа-изомасляной кислоте и образование -ацето,-оксимасляной кислоты
и последующее восстановление ее до ,-- диокси -метилвалерата,
дальнейшая дегидротация и переаминирование с образованием изолейцина.
Биосинтез фосфосерина и серина. Взаимодействие серина TGF
(тетрагидрофолатом) с образованием глицина. Возможность замены тирозина
фенилаланином. Замена цистеина метионином. Превращение метионина в
гомоцистеин через S-аденозилметионин. Образование цистатиона из серина и
гомоцистеина и его превращение в цистеин и гомосерин.
Биосинтез нуклеотидов. Синтез пуриновых нуклеотидов. Образование
PRibPP из рибозо-5-фосфата и АТР. Взаимодействие PRibPP с глутамином и
образование 5-фосфорибозил-1-амина. Присоединение остатка глицина и
образование глицинамидрибонуклеотида. Формилирование с образованием
формилглицинамидрибонуклеотида
и
его
превращение
в
формилглицинамидинрибонуклеотид. Дальнейшее замыкание пятичленного
цикла с образованием 5-аминоимидазолрибонуклеотида. Карбоксилирование
с СО2 с образованием 5-амино,-4-карбоксамидрибонуклеотида и дальнейшее
взаимодействие с аспарагиновой кислотой, отщеплением фумарата и
образование
5-формамидоимидазол-4-карбоксамидрибонуклеотид.
Циклизация с образованием инозин-5‘-монофосфата. Происхождение атомов
пуринового кольца: аминокислоты и производные тетрагидрофолата,
участвующие в синтезе. Пути превращения 5'-IMP в 5'-AMP и 5'-GMP.
Синтез пиримидиновых нуклеотидов. Схема синтеза пиримидиновых
нуклеотидов: синтез карбомоиласпартата, образование дигидрооротата и его
превращение в оротат - порядок образования пиримидинового кольца и
присоединение рибозы с участием фосфорибозилпирофосфата и образование
оротидин-5’-фосфата, дальнейшее образование UMP. Превращение 5'-NMP в
5'-NDP и 5'-NTP. Синтез CTP из UTP. Восстановление рибонуклеотидов до
дезоксирибонуклеотидов. Восстановительное метилирование dUMP с
образованием TМP с помощью N5,N10-метилен- тетрагидрофолата (TGF).
Интеграция и принципы контроля метаболизма. Биохимические цепи
и циклы как общий принцип организации систем биохимических
превращений в живой природе. Гликолиз как пример биохимической цепи.
Необратимая
последовательность
превращений
веществ
через
биохимическую
цепь.
Необратимые
стадии
гликолиза.
Участие
вспомогательных компонентов и их регенерация. Точки разветвления цепи.
Использование промежуточных продуктов гликолиза в биосинтезе липидов,
некоторых аминокислот, создание одноуглеродных фрагментов.
Цикл трикарбоновых кислот как пример биохимического цикла.
Расходование компонентов цикла в реакциях синтеза аминокислот.
Поддержание уровня компонентов цикла путем анаплеротических реакций
(реакций, пополняющих запас компонентов, участвующих в цикле).
Зависимое от АТР и биотина карбоксилирование пирувата анаплеротический путь синтеза оксалоацетата.
Пространственная организация систем биохимических процессов.
Пространственное разобщение - компартментация, биохимических
процессов. Разобщение синтеза и катаболизма жирных кислот. Разобщение
синтеза карбамоилфосфата в цикле мочевины и при синтезе пиримидиновых
нуклеотидов. Мультиферментные комплексы как способ более совершенной
организации систем биохимических реакций. Пируватдегидрогеназный
комплекс.
Регуляция систем биохимических процессов. Стехиометрическая
регуляция в точках разветвления. Регуляция взаимопревращения
глицеральдегид-3-фосфата и дигидроксиацетонфосфата. Регуляция за счет
накопления продукта реакции по принципу обратной связи. Ингибирование
ацетил-СоА карбоксилазы образовавшимся при синтезе пальмитил-СоА.
Регуляция энергетическим зарядом. Регуляция скорости окислительного
фосфорилирования. Воздействие АТР на цепь переноса электронов
(дыхательный контроль).
Аллостерическая регуляция. Активация ключевой реакции гликолиза фосфорилирования фруктозо-6-фосфата с помощью AMP и ADP.
Ингибирование
синтеза
фруктозо-1,6-дифосфата
избытком
АТР.
Ингибирующее действие АМР на конечную стадию глюконеогенеза гидролиз фосфоэфирной связи в фруктозо-1.6-дифосфате. Изменение
соотношения между процессами гликолиза и глюконеогенеза в зависимости
от концентрации АТР, АМР и цитрата - реципрокная регуляция.
Регуляция активности ферментов путем их модификации. Регуляция
фосфоролиза гликогена модификацией фосфорилазы.
Циклический аденозин-3’,5’-монофосфат (сАМР) как универсальный
промежуточный регулятор ряда биохимических процессов. Понятие об
уровнях контроля процессов метаболизма в организме (нервная и
гормональная регуляции).
Литература
Кнорре Д.Г., Мызина С.Д. Биологическая химия. М.: Высшая школа, 2002.
Страйер Л. Биохимия. Т.1-3 М.: Мир, 1984.
Албертс Б. и др. Молекулярная биология клетки. Т.1-3. М.: Мир, 1994.
Ленинджер А. Основы биохимии. Т.1-3 М.: Мир, 1985.
Уайт А. и др. Основы биохимии. Т.1-3 М.: Мир, 1981.