molekulyarnaya_biologiya

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского
Биологический факультет
УТВЕРЖДАЮ
Проректор по учебно-методической работе
_________________ Е.Г. Елина
"____" ______________ 2012 г.
Рабочая программа дисциплины
Молекулярная биология
Специальность
020501 - Биоинженерия и биоинформатика
Квалификация выпускника
Специалист
Форма обучения
очная
Саратов
2012
1. Цели освоения дисциплины
Сформировать у студентов понимание основных закономерностей хранения, передачи
и реализации наследственной информации на молекулярном уровне в клетке и природе в
целом, передать знания о принципах устройства и работы биологических “молекулярных
машин” как основы функционирования генома и протеома. Осветить фундаментальные
принципы регуляции процессов репликации, транскрипции и трансляции, молекулярные
основы регуляции клеточного цикла, дифференцировки, развития, старения и
программируемой смерти клеток. Дать детальные представления о структуре и функциях
важнейших биополимеров – нуклеиновых кислот и белков, а также их надмолекулярных
комплексов.
2. Место дисциплины в структуре ООП специалитета:
Цикл C.3, базовая часть, дисциплина изучается в 4 семестре.
Для успешного освоения курса необходимы знания биохимии, биофизики, цитологии и
генетики. Молекулярная биология опирается на основные логические построения генетики,
поскольку изучает коренное отличие живого от неживого – способность к размножению
(самокопированию) и наследованию признаков, которое в свою очередь напрямую связано
нуклеиновыми кислотами. Нуклеиновые кислоты как нерегулярные биополимеры клетки уже
более сотни лет являются объектами изучения биологической химии. Знание цитологии
необходимо для логического перехода от изучения органоидов клетки на микроскопическом
уровне к молекулярному и атомному уровню, т.е. к основам физики, и биофизики, в
частности. Знания и умения, приобретенные при изучении указанных дисциплин, должны
полностью подготовить студента к восприятию курса молекулярной биологии.
Знания о биологической форме движения материи на молекулярном уровне является
хорошим предшественником для дисциплин «Теория эволюции», «Промышленная
биотехнология» и «Экологическая биотехнология».
3 Требования к результатам освоения дисциплины:
В результате освоения дисциплины формируются следующие компетенции ОК-11, ПК1, ПК-12, ПК-14, ПК-16, ПК-18, ПК-19, ПК-20, ПК-21.
- способностью самостоятельно или в составе группы вести научный поиск, реализуя
специальные средства и методы получения нового знания (ОК-11);
- способностью грамотно и самостоятельно проводить теоретическую и
экспериментальную научно-исследовательскую работу в области биоинженерии,
биоинформатики и смежных дисциплин, а также оформлять ее в письменной форме, излагать
в устной форме и участвовать в различных формах дискуссий (ПК-1);
- способностью к проведению лабораторных работ и знает требования техники
безопасности и приемов оказания первой помощи при несчастных случаях (ПК-12);
- владением основными средствами анализа геномной, структурной и другой
биологической информации (ПК-14);
- способностью проводить экспериментальные работы с клетками и культурами клеток
и владением методами исследования и анализа живых систем, а также математическими
методами обработки результатов биологических исследований (ПК-16);
- способностью ориентироваться в основных проблемах и задачах биологии, физикохимической биологии, биоинженерии и биоинформатики и использовать эти знания в
экспериментальной и теоретической деятельности (ПК-18);
- способностью получать и грамотно использовать информацию, накопленную в базах
данных по структуре геномов, белков и другой биологической информации (ПК-19);
- способностью проводить наблюдения, описания, идентификации, классификации,
культивирования биологических объектов, выделять и исследовать субмикроскопические
структуры, использовать методические приемы для целенаправленного изменения природных
генов и геномов (ПК-20);
2
- способностью владеть приемами экспериментальной работы с клетками и культурами
клеток, физико-химическими методами исследования макромолекул, методами исследования
и анализа живых систем, математическими методами обработки результатов биологических
исследований, опытом лабораторных работ, основами биоинженерии, необходимыми для
создания биоинженерных объектов (ПК-21);
В результате освоения дисциплины обучающийся должен:
Знать:
- механизмы сохранения информации живыми системами и реализации программ, заложенных
геномами$
- химию и физику нуклеиновых кислот и белков, молекулярные механизмы физиологических
процессов, матричные макромолекулярные синтезы$
- современные представления о структуре гена, принципах и методах генетического анализа,
мутагенезе;
Уметь:
- выделять и исследовать различные биомолекулы с помощь современных физико-химических
методов;
Владеть:
- физико-химическими методами исследования макромолекул, методами исследования и
анализа живых систем;
- современными базовыми возможностями анализа массовых данных современной
молекулярной биологии.
1
1
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
2
2.1
2.2
2.3
2.4
2
5
6
7
Самостоятельная
работа
Семинары
4
Практические
3
Виды учебной работы, включая
самостоятельную работу студентов
и трудоемкость (в часах)
Лекции
Раздел дисциплины
Неделя семестра
№
п/п
Семестр
4. Структура и содержание дисциплины
Общая трудоемкость дисциплины составляет 3 зачетные единицы 108 часов.
4.1 Структура дисциплины
8
Раздел 1. Структура и динамика биополимеров клетки
Основные молекулярно4
1
2
2
2
биологические процессы
2
2
Методы молекулярной и
4
2
2
2
клеточной биологии
3-4
4
Методы выделения и детекции 4
3
2
2
компонентов клетки
5-6
4
Методы генной инженерии
4
4
2
2
7-8
4
Методы определения
4
5
2
2
структуры макромолекул
9-10
4
Структура и биосинтез
4
6
2
2
нуклеиновых кислот
11-12
4
Раздел 2. Матричные синтезы ДНК, РНК и белков
Репликация ДНК у прокариот
4
7
2
2
13
2
Репликация ДНК у эукариот
4
8
2
2
Репарация и рекомбинация
4
9
2
2
14
2
Транскрипция у прокариот
4
10
2
2
Формы текущего
контроля
успеваемости (по
неделям семестра)
Формы
промежуточной
аттестации (по
семестрам)
9
отчет
отчет
отчет
отчет
отчет
отчет
опрос
тестирование
опрос
опрос
3
1
2.5
2
Транскрипция у эукариот
3
4
2.6
2.7
2.8
Транскрипция и хроматин
Процессинг мРНК
Трансляция: подготовительный этап и инициация
Трансляция: элонгация и
терминация
Промежуточный контроль
ИТОГО:
4
4
4
2.9
4
4
4
4
11
15
12
14
15
16
16
5
2
6
-
2
2
2
-
7
2
-
2
-
2
-
32
24
8
8
4
9
опрос
4
4
4
опрос
опрос
опрос
4
опрос
4
44
зачет
108 ч.
4.1. Содержание дисциплины
Раздел 1. Структура и динамика биополимеров клетки
1.1. Основные молекулярно-биологические процессы – матричные синтезы
полимерных молекул ДНК, РНК и белков. Регуляция этих процессов. Белок-опосредованный
синтез молекул липидов, аминокислот, нуклеотидов, поли- и моносахаридов, гормонов и
других биомолекул. Доказательства генетической функции ДНК. Центральная догма
молекулярной биологии. Этапы развития молекулярной биологии. “Модельные” организмы –
Escherichia coli, Bacillus subtilis, Saccharomyces cerevisiae, Caenorhabditis elegans, Drosophila
melanogaster, Mus musculus, Rattus norvegicus.
1.2. Методы молекулярной и клеточной биологии. Микроскопия видимого света,
флуоресцентная, конфокальная сканирующая. Методы окрашивания объектов: красители,
антитела, конъюгированные с флуоресцентными группами, рекомбинантные белки,
соединенные с флуоресцирующими белками, гибридизация с флуоресцентным зондом (FISH).
Электронная микроскопия – сканирующая, теневая, электронная томография, крио- электронная микроскопия. Методы определения структуры биополимеров.
1.3. Методы выделения и детекции компонентов клетки. Способы разрушения клеток.
Центрифугирование.
Ультрацентрифугирование.
Хроматография:
гель-фильтрация,
гидрофобная, катионо- и анионообменная, аффинная. Ультрафильтрация. Обработка
ферментами. Фенольная депротеинизация. Осаждение нуклеиновых кислот, белков. Гельэлектрофорез ДНК и РНК: агарозный и полиакриламидный. Детекция ДНК и РНК: красители,
радиоизотопы, флуоресцентные метки, блоттинг по Саузерну и Нозерн-блоттинг. Разделение
белков электрофорезом в ПААГ.
1.4. Методы генной инженерии. Вектор. Плазмидные и интегративные вектора.
Ферменты и реакции, применяемые в генной инженерии. Эндонуклеазы рестрикции,
ДНК-лигаза, полинуклеотид-киназа, щелочная фосфатаза. ДНК-полимеразы. Рестрикция и
модификация ДНК.Схема клонирования ДНК. Библиотеки генов. Обратная транскриптаза.
Полимеразная цепная реакция. Химический синтез ДНК. Транскрипция in vitro. Сайтнаправленный и случайный мутагенез. Рекомбинантные белки. Векторы для экспрессии.
1.5. Методы определения структуры макромолекул. Прямые методы: ядерный
магнитный резонанс и рентгеноструктурный анализ. Методы поиска взаимодействующих
молекул: аффинная хроматография, ко-иммунопреципитация, двухгибридная система. Методы
поиска взаимодействующих участков макромолекул: делеционный анализ, мутации мест
связывания, сшивки, химический и ферментативный пробинг, ограниченный протеолиз.
Определение первичной структуры ДНК, РНК и белков. Методы секвенирования ДНК.
Ферментативное секвенирование ДНК по Сэнгеру.
1.6. Структура и биосинтез нуклеиновых кислот. ДНК. Химическое строение. Принцип
комплементарности. Нуклеозид, нуклеотид, олигонуклеотид, полинуклеотид. А,В,С и Z-форма
двойной спирали. Неканонические формы ДНК. Пары Хугстина. Триплексы. Сверхспирализация ДНК. Топоизомеразы. РНК: типы и строение. Устройство бактериальной и
эукариотической хромосомы. Избыточность эукариотического генома. Компактизация ДНК
4
эукариот, уровни компактизации. Ядро и его области. Хроматин. Нуклеосомы, гистоны и их
модификации. Эу- и гетерохроматин. Домены хроматина, участки прикрепления к матриксу.
Центромеры и теломеры.
Раздел 2. Матричные синтезы ДНК, РНК и белков
2.1. Репликация ДНК у прокариот. ДНК-полимеразы. Полимеризующая и
экзонуклеазная активности. Роль димерной структуры в координации синтеза ДНК на
комплементарных нитях. Понятие о репликаторе. Репликативная вилка. Лидирующая и
отстающая цепи. Фрагменты Оказаки. Праймаза, хеликазы и их направленность, SSB-белок.
ДНК-лигазы, РНКаза Н, топоизомеразы I и II. Инициация репликации. Ориджин, DnaA-белок.
Регуляция репликации прокариот. Терминация репликации у бактерий. Особенности
регуляции репликации плазмид. Стратегии репликации бактериофагов и вирусов. Репликация
по типу "катящегося кольца" (фаговая ДНК). Механизм образования коротких повторов.
Микро- и минисателлиты.
2.2. Репликация ДНК у эукариот. Репликоны у эукариот, их изменчивость. Особенности
ДНК-полимераз эукариот. Клеточный цикл. Циклины и циклин-зависимые киназы.
Контрольные точки (checkpoint). Множественность ориджинов эукариот. Сборка комплекса
узнавания ориджина (ORC). Инициация репликации. Координация репликативных процессов.
Сборка хроматина на синтезируемой ДНК. Проблема репликации линейного незамкнутого
фрагмента ДНК. Теломера. Теломераза. Искусственная хромосома у эукариот. Репликативное
метилирование ДНК.
2.3. Репарация и рекомбинация. Репарация при помощи вырезания основания (BER).
ДНК-гликозидазы. Репарация при помощи удаления нуклеотидов (NER). Репарация
неспаренных нуклеотидов (Mismatch). SOS-ответ. Репарация двухцепочечных разрывов с
помощью соединения концов. Рекомбинация. Структуры Холлидея в модели рекомбинации.
Гомологичная рекоминация. Сайт-специфическая рекомбинация. Генная конверсия. Метод
"нокаута" генов. Мейоз и мейотическая рекомбинация. Сайт-специфическая рекомбинация.
VDJ-рекомбинация, создание разнообразия антител. Интеграция вирусной и фаговой ДНК в
геном. Подвижные элементы геномов про- и эукариот. Ретровирусы и ретротранспозоны.
2.4. Транскрипция у прокариот. РНК-полимераза, особенности строения и инициации
транскрипции. Отличие РНК- и ДНК-полимераз. Структура гена. Промотор у эукариот.
Закрытый и открытый комплекс. Сигма факторы. Регуляция транскрипции с помощью замены
сигма-фактора. Активаторы и репрессоры транскрипции. Негативная и позитивная регуляция
транскрипции. САР-белок. Белковые домены, узнающие специфические последовательности
ДНК. "Лейциновая молния","цинковые пальцы". Альфа субъединица РНК полимеразы, ее
взаимодействие с UP-элементами и белками-активаторами. Примеры регуляции транскрипции
– лактозный оперон, nir-оперон. Аттенюация. Механизмы аттенюации. Терминация и
антитерминация. Регуляция экспрессии генов бактериофага лямбда. Обратная транскрипция.
2.5. Транскрипция у эукариот. РНК-полимеразы и их специализация. Синтез рРНК и
регуляция РНК полимеразы I. Типы генов, транскрибируемых РНК-полимеразой
III. Стадии инициации транскрипции РНК-полимеразой III для различных типов
генов. Регуляция активности РНК-полимеразы III. РНК-полимераза II. Пре-мРНК.
Стадии инициации транскрипции РНК-полимеразой II. Базальные факторы транскрипции, Сконцевой домен РНК-полимеразы II и его фосфорилирование в процессе инициации
транскрипции. Белки, связанные с C-концевым доменом, медиатор и его функции. Элонгация
транскрипции РНК-полимеразой II.
2.6. Транскрипция и хроматин. Эухроматин и гетерохроматин. Структурная
организация нуклеосом. Модификации гистонов: ацетилирование, деацетилирование,
метилирование, другие модификации. Связь модификаций и степени компактизации
хроматина. Ферменты, модифицирующие хроматин. Гистоновый код. Модификация
(метилирование) ДНК, связь метилирования ДНК и транскрипции. Эпигенетика. Ферменты,
компактизирующие и декомпактизирующие хроматин. Связь модификаций гистонов, ATPаз,
изменяющих структуру хроматина и транскрипционных факторов.
5
2.7. Процессинг мРНК. Стадии созревания пре-мРНК. Кепирование. Сплайсинг и малые
ядерные РНК. Особенности строения мяРНП. Стадии сплайсинга. Неканонические AT-AC
интроны, транс-сплайсинг. Полиаденилирование. Взаимодействие процессов созревания и
транскрипции пре-мРНК. Созревание пре-тРНК. РНКаза Р. Сплайсинг пре-тРНК.
Модификации тРНК. Созревание рРНК. Малые ядрышковые (гетерогенные ядерные) sРНК.
Созревание рРНК прокариот – индивидуальная модификация нуклеотидов. Необычные формы
созревания РНК. Рибозимы, каталитический механизм и строение. Формирование 3’-конца
мРНК гистонов. Редактирование РНК. Связь созревания и транспорта РНК. Деградация мРНК.
2.8. Трансляция: подготовительный этап и инициация. Структура рибосомы и
матричный механизм биосинтеза белка. Инициация трансляции у прокариот. АминоацилтРНК синтетазы Генетический код. Принцип декодирования. Участок связывания рибосом на
мРНК – последовательность Шайн-Дальгарно, инициаторный кодон и другие особенности.
Факторы инициации – IF1, IF2 и IF3. Пути регуляции инициации трансляции. Регуляция
трансляции мРНК рибосомных белков по механизму отрицательной обратной связи (feedback).
Регуляция трансляции с помощью связывания белков с участком посадки рибосом.
Саморегуляция.
2.9. Трансляция: элонгация и терминация. Цикл элонгации. Связывание аминоацилтРНК (аа-тРНК) с А-участком рибосомы. EF-Tu – типичный G-белок. Механизм
декодирования. Антибиотики, влияющие на декодирование – стрептомицин и паромомицин.
Пептидилтрансферазная реакция. Пуромицин. Транслокация. Фактор транслокации EF-G.
Терминация трансляции. Стоп-кодоны. Фолдин белка. Факторы терминации. Сходство и
различие в узнавании стоп-кодонов и кодонов, кодирующих аминокислоты. Разборка
посттерминационного комплекса. Регуляция элонгации и терминации трансляции.
Темы практических работ
1.Выделение и очистка нуклеиновых кислот
2. Выделение плазмидной и фаговой ДНК
3. Хроматографическая очистка белков
4. Электрофоретический анализ нуклеиновых кислот
5. Рестрикционный анализ про- и эукариотической ДНК
6. Ферментативный синтез ДНК in vitro
7. Репликация ДНК у прокариот
8. Репарация и рекомбинация
9. Транскрипция у эукариот
10. Трансляция: подготовительный этап и инициация
5. Образовательные технологии
Образовательные технологии, способы и методы формирования компетенций:
проблемная лекция, лекция-дискуссия, написание докладов и рефератов, творческие задания,
просмотр, анализ и обсуждение видео- и мультимедийных материалов. При реализации
различных видов учебной работы используются активные и интерактивные образовательные
технологии. В частности, при изучении курса предусматривается активное использование
компьютерных расчетов. Располагая информацией о первичной структуре ДНК можно
получить достаточно много информации о кодируемом ею белке и наоборот. Методы
компьютерных расчетов и молекулярного моделирования подчас позволяют получить более
быстрый и точный результат, чем прямые эксперименты. Поэтому должно быть предусмотрено
первое знакомство с основными базами данных нуклеотидных и аминокислотных
последовательностей и привитие навыков работы с ними.
Предусматривается использование наиболее информативных и общедоступных
ресурсов Интернета. Одним из наиболее известных специальных сайтов в русскоязычном
сегмента Интернета является сайт MOLBIOL.RU – Классическая и молекулярная биология.
Сайт основан в 2000 году, стабильно функционирует и продолжает динамично развиваться.
Работая с программами необходимо следовать приведенным на сайте инструкциям, простым и
6
понятным. В частности, студенты должны научиться работать с программами для проведения
различных расчетов, связанных с белками. Для начала работы студентам можно предложить
транслировать ген НАДН-дегидрогеназы гадюки Никольского, секвенированный в
лаборатории молекулярной биологии СГУ, что должно стимулировать их интерес к
дальнейшей работе. Содержательная часть работ может меняться или вообще быть
произвольной, поскольку их главная цель – практический навык студентов в работе с
подобными программами. Поэтому, самостоятельность и инициатива со стороны студентов
приветствуется. Выложенная на сайте MOLBIOL.RU форма осуществляет трансляцию
нуклеотидной последовательности в выбранных рамках считывания. Можно выбирать
несколько рамок одновременно, также можно использовать одно- и трехбуквенный код для
обозначения аминокислот. Использование формы деловой игры с индивидуальными
заданиями разным группам призвано активизировать мыслительную деятельность студентов в
духе соревнования. При проведении семинарских занятий также предполагается
предоставлять студентам максимальную самостоятельность в их подготовке и проведении.
Необходимо привить у студентов навыки грамотного пользования этими программами.
В частности, уметь переводить не только нуклеотидные последовательности ДНК в
аминокислотные
последовательности
белка,
но
и
предсказать
нуклеотидную
последовательность по аминокислотной. При этом учитывается частота встречаемости
кодонов в исследуемом организме. Для обратной задачи можно использовать форму
"Трансляция нуклеотидной последовательности". Выложенная на сайте форма поможет
проанализировать последовательность белка, рассчитать длину, брутто-формулу, длину,
изоэлектрическую точку и другие параметры. Для расчета молекулярной массы меченого
белка необходимо отметить нужные изотопы.
В рамках внеаудиторной работы с целью формирования и развития профессиональных
навыков обучающихся предусмотрены встречи с представителями Института биохимии и
физиологии растений и микроорганизмов РАН, посещение научных лабораторий указанного
Института, в частности лабораторий биоинженерии, биохимии, иммунохимии.
6. Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов.
Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной аттестации
по итогам освоения дисциплины.
В рамках самостоятельной работы студенты готовят рефераты по молекулярной
биологии, а также доклады к семинарским занятиям. Примерный перечень тем для этих работ
приведен ниже. Подготовленный реферат по выбранной теме предоставляется преподавателю
на проверку. Рефераты, получившие высокую оценку, представляются другим студентам на
семинарском занятии. Контрольные вопросы и задания для проведения текущего контроля
проводятся преподавателем в форме устного и письменного опросов или тестирования. Ниже
приведены задания для тестов. Список вопросов к промежуточной аттестации также приведен далее.
6.1. Темы рефератов и курсовых работ
1. Белок-белковые взаимодействия. Молекулярный докинг.
2. Влияние суперспирализации на структуру двойной спирали ДНК.
3. Рибосома - нуклеопротеидный комплекс клетки.
4. Теломеры, теломераза: старение и рак.
5. Плазмиды. Использование в генетической инженерии.
6. Фолдинг белка.
7. Геном вирусов бактерий.
8. Биосинтез белка на рибосомах.
9. Посттрансляционный процессинг белка.
10. Топология и конформация ДНК.
11. Молекулярные механизмы рекомбинации.
12. Молекулярная биология вируса иммунодефицита человека.
13. Горизонтальный перенос генов и его роль в эволюции прокариот.
7
14.
15.
16.
17.
18.
19.
20.
21.
22.
23.
24.
25.
Системы рестрикции и модификации ДНК.
ДНК-диагностика наследственных и инфекционных заболеваний.
Методы выделения и очистки ДНК, РНК и белков.
Рак - болезнь генома.
Генная терапия: методы и перспективы.
Технология рекомбинантной ДНК. Векторы молекулярного клонирования.
Рестриктазы и их использование в генетической инженерии.
Гибридизация ДНК.
Синтетический геном. Проект “Жизнь, версия 2.0”.
Цепная полимеразная реакция.
Методы установления первичной структуры ДНК.
Ферменты и белковые факторы, участвующие в репликации ДНК.
6.2. Вопросы к семинарским занятиям
Семинар № 1 “Репликация ДНК у прокариот”
1. ДНК-полимеразы. Полимеризующая и экзонуклеазная активности.
2. Роль димерной структуры в координации синтеза ДНК на комплементарных цепях.
3. Понятие о репликаторе.
4. Репликативная вилка. Лидирующая и отстающая цепи.
5. Фрагменты Оказаки.
6. Праймаза. Хеликазы. SSB-белок. ДНК-лигазы, РНКаза Н, топоизомеразы I и II.
Инициация репликации. Ориджин, DnaA-белок.
7. Регуляция репликации прокариот. Терминация репликации у бактерий.
8. Особенности регуляции репликации плазмид.
9. Стратегии репликации бактериофагов и вирусов.
10. Репликация по типу "катящегося кольца" (фаговая ДНК).
11. Механизм образования коротких повторов. Микро- и минисателлиты.
Семинар № 2 “Репарация и рекомбинация”
1. Репарация при помощи вырезания основания (BER). ДНК-гликозидазы.
2. Репарация при помощи удаления нуклеотидов (NER).
3. Репарация неспаренных нуклеотидов (Mismatch). SOS-ответ.
4. Репарация двухцепочечных разрывов с помощью соединения концов. Рекомбинация.
Структуры Холлидея в модели рекомбинации.
5. Гомологичная рекоминация. Сайт-специфическая рекомбинация.
6. Генная конверсия. Метод "нокаута" генов.
7. Мейоз и мейотическая рекомбинация.
8. Сайт-специфическая рекомбинация. VDJ-рекомбинация, создание разнообразия антител.
9. Интеграция вирусной и фаговой ДНК в геном.
10. Подвижные элементы геномов про- и эукариот.
11. Ретровирусы и ретротранспозоны.
Семинар № 3 “Транскрипция у эукариот”
1. РНК-полимеразы и их специализация.
2. Синтез рРНК и регуляция РНК-полимеразы I.
3. Типы генов, транскрибируемых РНК-полимеразой III.
4. Стадии инициации транскрипции РНК-полимеразой III для различных типов генов.
5. Регуляция активности РНК-полимеразы III.
6. РНК-полимераза II. Пре-мРНК.
7. Стадии инициации транскрипции РНК-полимеразой II.
8. Базальные факторы транскрипции.
9. С-концевой домен РНК-полимеразы II и его фосфорилирование в процессе инициации
транскрипции.
10. Белки, связанные с C-концевым доменом, медиатор и его функции.
11. Элонгация транскрипции РНК-полимеразой II.
8
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Семинар № 4 “Трансляция: подготовительный этап и инициация”
Цикл элонгации. Связывание аминоацил-тРНК (аа-тРНК) с А-участком рибосомы.
Механизм декодирования. Антибиотики, влияющие на декодирование - стрептомицин и паромомицин.
Пептидилтрансферазная реакция. Пуромицин. Транслокация.
Фактор транслокации EF-G.
Терминация трансляции. Стоп-кодоны. Факторы терминации.
Фолдинг белка.
Сходство и различие в узнавании стоп-кодонов и кодонов, кодирующих аминокислоты.
Разборка посттерминационного комплекса.
Регуляция элонгации и терминации трансляции.
6.3. Тесты текущего контроля успеваемости
1. Линия УФ-поглощения белка:
а) 760 нм
б) 180 нм
в) 260 нм
г) 280 нм
2. Результат деятельности гираз:
а) увеличение числа супервитков двухцепочечной ДНК
б) снижение числа супервитков двухцепочечной ДНК
в) увеличение числа супервитков одноцепочечной ДНК
г) снижение числа супервитков одноцепочечной ДНК
3. Число интронов у E-coli:
а) 10000
б) 100
в) 1
г) 0
4. Оперон – это:
а) участок гена
б) участок фермента
в) функционально объединенный набор генов
г) синтетический аналог полипептида
5. Формы спирали ДНК:
а) A,B,D
б) C,D,E
в) A,B,Z
г) T,R,Y
6. sRНК это:
а) матричная РНК
б) информационная РНК
в) малая РНК
г) вирусная РНК
7. Экспрессия генетической информации идет в направлении:
а) РНК  ДНК  белок
б) ДНК  РНК  белок
в) полисахарид  белок  ДНК
г) ДНК  липид  белок
8. Основной постулат квантовой теории:
а) уравнение Шредингера
б) принцип Эренфеста
в) принцип квантования энергии
г) постулат Борна-Оппенгеймера
9
9. Гидрофобный эффект связан с перестройкой:
а) ковалентных связей
б) водородных связей
в) ионных связей
г) донорно-акцепторных связей
10. Какие ионы инициируют работу рестриктаз:
а) Na+
б) Mg2+
в) Zn2+
г) SO4211. Что означает 1 единица активности рестриктазы:
а) количество фермента, необходимого для рестрикции 1 мг ДНК
б) количество фермента, необходимого для рестрикции 1 мкг ДНК
в) количество фермента, необходимого для рестрикции 1 г ДНК
г) количество возможных конформаций фермента
12. В практике молекулярной биологии для мягкой денатурации белка не применяют:
а) повышение температуры
б) гуанидина хлорид
в) натрия хлорид
г) мочевину
13. Белки Альбертса:
а) снижают температуру плавления ДНК
б) не влияют на температуру плавления ДНК
в) увеличивают температуру плавления ДНК
г) стабилизируют температуру плавления ДНК
14. Изменение последовательности нуклеотидов в ДНК – это:
а) хромосомная мутация
б) генная мутация
в) геномная мутация
г) рекомбинация
15. Не является методом ДНК-секвенирования:
а) метод терминаторов по Сенгеру
б) плюс-минус метод по Сенгеру
в) метод ник-трансляции по Сенгеру
г) метод химической деградации по Максамуа)Гилберту
16. В современных ДНК-секвенаторах используют:
а) высокоэффективный капиллярный электрофорез
б) высокоэффективную жидкостную хроматографию
в) тонкослойную хроматографию
г) ЯМР-спектроскопию
17. Не является этапом ПЦР:
а) денатурация ДНК
б) отжиг
в) достраивание цепей ДНК
г) трансляция ДНК
18. Затравка, необходимая для инициации синтеза ДНК в методе ПЦР:
а) праймер
б) спейсер
в) оперон
г) промотор
19. Фермент, используемый при амплификации ДНК:
а) геликаза
10
б) АТФ-аза
в) каталаза
г) Taq-полимераза
20. Транспортная РНК:
а) транспортирует аминокислоту в ядро
б) транспортирует аминокислоту к рибосоме
в) транспортирует нуклеотид к рибосоме
г) транспортирует нуклеотид в ядро
21. Обратная транскрипция – это:
а) синтез ДНК по матрице РНК
б) синтез РНК по матрице ДНК
в) синтез ДНК по матрице ДНК
г) синтез РНК по матрице РНК
22. Последовательность организации хроматина в третичной структуре ДНК
следующая:
а) петли-нуклеосома-соленоид
б) нуклеосома-соленоид-петли
в) соленоид-петли-нуклеосома
г) нуклеосома-петли
23. РНК в ядре сосредоточена в:
а) ядерной оболочке
б) ядрышке
в) нуклеоплазме
г) хроматине
24. Информация о строении белка передается в цитоплазму:
а) матричной РНК
б) транспортной РНК
в) рибосомной РНК
г) малой интерферирующей РНК
25. Репликация – это:
а) копирование ДНК с образованием 2-х идентичных дочерних молекул
б) процесс переписывания информации с ДНК на РНК
в) процесс переписывания информации с РНК на ДНК
г) процесс синтеза белка
26. В репликации ДНК участвует совокупность ферментов и белков, которые образуют:
а) репликазу
б) рестриктазу
в) реплисому
г) релаксосому
27. Основной фермент репликации:
а) геликаза
б) ДНК-полимераза
в) лигаза
г) топоизомераза
28. За расплетение молекулы ДНК ответственен фермент:
а) ДНК – полимераза
б) лигаза
в) геликаза
г) праймаза
29. Механизм репликации ДНК является:
а) полуконсервативным
б) консервативным
11
в) неконсервативным
г) лабильным
30. Для осуществления процесса репликации в нуклеоплазме необходимо наличие:
а) нуклеозидмонофосфатов
б) нуклеозиддифосфатов
в) нуклеозидтрифосфатов
г) рибонуклеозидтрифосфатов
31. Синтез дочерних цепей ДНК осуществляется:
а) от 5’-конца к 3’-концу
б) от 3’-конца к 5’-концу
в) от 5’-конца к 5’-концу
г) на лидирующей и запаздывающей цепях направление синтеза противоположно
32. Фрагмент Оказаки – это:
а) длинный участок ведущей цепи ДНК
б) участок материнской цепи ДНК
в) участока)затравка
г) короткий участок отстающей цепи ДНК
33. Вырожденность генетического кода – это:
а) кодирование одним триплетом только одной аминокислоты
б) кодирование одним триплетом одной либо нескольких аминокислот
в) кодирование одной аминокислоты несколькими триплетами
г) кодирование одним триплетом разных аминокислот
34. Универсальность генетического кода – это:
а) кодирование одним триплетом одной либо нескольких аминокислот
б) кодирование одной аминокислоты несколькими триплетами
в) кодирование одной аминокислоты одним триплетом
г) наличие единого кода для всех существ на Земле
35. Число возможных триплетов:
а) 64
б) 16
в) 72
г) 4
36. К первичной структурной организации ДНК относится:
а) двойная спираль
б) две комплементарные друг другу антипараллельные полинуклеотидные цепи
в) полинуклеотидная цепь
г) олигонуклеотид
37. Вторичная структура ДНК была открыта:
а) Натансом и Смитом
б) Уотсоном и Криком
в) Эвери, Мак-Леодом и Мак-Карти
г) Жакобом и Моно
38. Транскрипция – это:
а) процесс самокопирования ДНК с образованием двух идентичных дочерних молекул
б) процесс переписывания информации, содержащейся в РНК, в форму ДНК
в) процесс переписывания информации, содержащейся в ДНК, в форму РНК
г) процесс переписывания информации, содержащейся в РНК, в форму белка
39. Основной фермент транскрипции:
а) ДНК-полимераза
б) РНК-полимераза
в) рестриктаза
г) геликаза
12
40. Отличие процессов репликации и транскрипции:
а) при репликации материнская молекула ДНК разрушается, а при транскрипции - сохраняется
б) при репликации материнская молекула ДНК сохраняется, а при транскрипции - разрушается
в) для функционирования основного фермента репликации необходимы ионы Mg2+, а
транскрипции – Fe2+
г) в активном центре полимеразы. осуществляющей транскрипцию, находятся ионы Zn +, а
репликацию – Li+
41. В процессе транскрипции участвует:
а) только одна из двух цепей материнской молекулы ДНК – антисмысловая
б) только одна из двух цепей материнской молекулы ДНК – смысловая
в) любая из двух цепей материнской молекулы ДНК.
г) обе цепи
42. Участок ДНК, с которым связывается РНКа)полимераза, называется:
а) транскриптон
б) репликон
в) промотор
г) терминатор
43. В закрытом комплексе РНК-полимеразы и материнской цепи ДНК:
а) цепь ДНК расплетена
б) цепь ДНК не расплетена
в) цепь ДНК разрушена
г) цепь ДНК заменена на цепь РНК
44. Кодон инициации – участок цепи, определяющий:
а) конец синтеза мРНК
б) начало транскрипции РНК
в) последовательность нуклеотидов в РНК
г) начало трансляции
45. В результате транскрипции образуется:
а) только матричная РНК
б) только транспортная РНК
в) только рибосомная РНК
г) все типы РНК клетки.
46. Основной фермент трансляции:
а) ДНК-полимераза
б) аминоацил-тРНК-синтетаза
в) лигаза
г) РНК-полимераза
47. Кодон инициации кодирует аминокислоту:
а) лизин
б) аспарагин
в) метионин
г) аланин
48. Участок на большой субчастице рибосомы, где локализуется строящийся пептид, называется:
а) аминоацильный
б) пептидильный
в) инициирующий
г) терминирующий
49. Процесс элонгации в трансляции – это:
а) начало синтеза белка
б) удлинение полипептидной цепи
в) окончание синтеза белка
г) сворачивание белка
13
50. Четвертичная структура белка характерна для:
а) олигомерных белков
б) фибриллярных белков
в) глобулярных белков
г) всех белков
6.4. Вопросы для промежуточной аттестации
1. Предмет и методы молекулярной биологии. Доказательства генетической роли ДНК.
Центральная догма молекулярной биологии.
2. Основные молекулярно-биологические процессы. Матричные синтезы полимерных
молекул ДНК, РНК и белков. Белок-опосредованный синтез других биомолекул.
3. Методы молекулярной и клеточной биологии. Микроскопия видимого света,
флуоресцентная, конфокальная сканирующая. Электронная микроскопия. Методы
определения структуры макромолекул.
4. Методы выделения и детекции компонентов клетки. Способы разрушения клеток.
Центрифугирование. Хроматография. Гель-электрофорез. Детекция ДНК и РНК. Блоттинг.
Гибридизация ДНК.
5. Методы генной инженерии. Вектор. Ферменты генной инженерии. Рестриктазы. ДНКлигазы. ДНК-полимеразы. Схема клонирования ДНК. Библиотеки генов.
6. Методы определения структуры макромолекул. Ядерный магнитный резонанс (ЯМР).
Рентгеноструктурный анализ (РСА). Аффинная хроматография. Определение первичной
структуры ДНК, РНК и белков.
7. Структура и биосинтез нуклеиновых кислот. Структура ДНК. Нуклеозид, нуклеотид,
олигонуклеотид, полинуклеотид. Принципы строения двойной спирали ДНК. Параметры В,
А- и Z-форм ДНК. Нуклеопротеидные комплексы.
8. РНК: типы и строение. Роль различных РНК в клетке. РНК-протеидные комплексы. Малые
РНК. РНК-интерференция. "Мир РНК", гипотеза о роли РНК в происхождении жизни.
9. Функции ДНК. Информационная емкость ДНК. Генетический код. Расшифровка кода.
Основные свойства генетического кода. Квазидублетный код. Универсальный
генетический код.
10. Реликация ДНК у прокариот. Принципы репликации. Доказательство полуконсервативного
характера репликации. Понятие о матрице и затравке. Ферментативная система синтеза
ДНК in vitro. Репликативная рекомбинация ДНК.
11. Строение и функции ДНК-полимеразы I из E.coli. Значение 3'>5' и 5'>3' гидролитических
активностей. Схема репликации Корнберга. Схема репликации Кэрнса. Схема
прерывистой антипараллельной репликации Оказаки.
12. Сравнительная характеристика ДНК-полимераз I, II и III из E.coli. ДНК-полимераза III,
holo-фермент. Репарация ДНК. Основные репарабельные повреждения в ДНК и принципы
их исправления.
13. Современная схема репликации ДНК E.coli (модель "тромбона"). Проблема денатурации
матрицы при репликации. Белки SSB. Геликазы. Топоизомеразы.
14. Репликация ДНК у эукариот. Репликоны у эукариот, их изменчивость. ДНК-полимеразы
эукариот. Клеточный цикл. Циклины и циклин-зависимые киназы. Контрольные точки
(checkpoint). Инициация репликации.
15. Репликация ДНК у эукариот. Сборка хроматина на синтезируемой ДНК. Проблема
репликации линейного незамкнутого фрагмента ДНК. Теломера. Теломераза.
Искусственная хромосома у эукариот. Репликативное метилирование ДНК.
16. Полимеразная цепная реакция. Основы метода и применение. Подбор праймеров для ПЦР.
Разновидности ПЦР. ПЦР в реальном времени (Real-time PCR).
17. Секвенирование ДНК. Принцип секвенирования ДНК по Сенгеру. Терминирующие
нуклеотиды. Проведение секвенирующих реакций и интерпретация результатов.
Автоматические ДНК-секвенаторы. Электронные базы данных.
14
18. Белки как нерегулярные биополимеры. Пептид и полипептид, протеин и протеид. Уровни
структурной организации белков. Надмолекулярные структуры. Глобулярные и
фибриллярные белки. Функции белков. Процессинг и фолдинг белка.
19. Транскрипция у прокариот. Понятие об опероне. Субъединичный состав РНК-полимеразы
E.coli. принципы работы РНК-полимераз. Особенности структуры промоторов. Этапы
транскрипции у прокариот.
20. Регуляция экспрессии генов на уровне транскрипции. Негативная индукция. Позитивная
индукция. Негативная репрессия. Позитивная репрессия. Аттенуация в регуляции
экспрессии триптофанового оперона E.coli.
21. Транскрипция у эукариот. Множественность и специфичность РНК-полимераз эукариот.
Базальные факторы транскрипции. Образование инициаторных комплексов с участием
РНК-полимеразы II. Понятие об энхансерах и сайленсерах.
22. Транскрипция и хроматин. Нуклеосомы и транскрипция. Модификация гистонов и
динамическая структура хроматина. Роль нуклеосомных структур в активации экспрессии
гена. Ядерный матрикс.
23. Процессинг m-РНК эукариот: кепирование, полиаденилирование, сплайсинг, редактирование. Различные механизмы сплайсинга. Trans-сплайсинг. Альтернативный сплайсинг.
24. Трансляция: подготовительный этап и инициация. Структура t-РНК. Рекогниция.
Аминоацилирование t-РНК. Структура рибосом про- и эукариот. Центры рибосом E.coli.
Этапы трансляции у прокариот. Белковые факторы трансляции.
25. Трансляция: элонгация и терминация. Цикл элонгации. Связывание аминоацил-тРНК (аатРНК) с А-участком рибосомы. Механизм декодирования. Пептидилтрансферазная
реакция. Транслокация. Терминация трансляции.
26. Геном эукариот. "Избыточность", наличие повторов, некодирующих последовательностей,
компактность, нестабильность. Основы метода ренатурации ДНК. Фракции
ренатурирующей ДНК.
27. Сателлитная ДНК. Особенности состава. Локализация в геноме. Возможная роль.
Палиндромы. Роль обращенных повторов в геноме. Умеренные повторы в ДНК.
28. Структура про- и эукариотических генов. Типы структурно-функциональной организации
эукариотических генов. Гены "домашнего хозяйства" и гены "роскоши".
29. Компактизация ДНК эукариот. Нуклеосомный, супербидный, петлевой уровни
компактизации. Общая характеристика гистонов. Метафазная хромосома.
30. Нестабильность генома. Мобильные элементы про- и эукариот; эффекты их внедрения.
Ретровирусы. Обратная транскрипция. Ревертаза, ее использование в генной инженерии.
31. Молекулярные основы канцерогенеза. Генетическая, канцерогенная и вирусная теории
рака. Ретровирусы. Онкогены и онкобелки. Гены-супрессоры опухолей.
32. Молекулярно-биологические основы возникновения жизни на Земле. Образование
биополимеров. Молекулярная эволюция. Образование мембранных структур и
пробионтов. Эволюция первоклеток.
33. Синтетическая биология. Методы создания искусственных биоинженерных систем.
“Синтетический геном” и проблемы “искусственной жизни”.
7. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
а) основная литература:
1. Коничев А.С., Севастьянова Г.А. Молекулярная биология. – М.: Академия, 2005.
2. Белясова Н. Биохимия и молекулярная биология. М.: Книжный дом, 2004.
3. Великов В.А. Молекулярная биология. Практическое руководство [Электронный ресурс] :
учеб.-метод. пособие. Сарат. гос. ун-т им. Н. Г. Чернышевского. - Саратов : Сарат. гос. ун-т,
2012. - 79 с. : ил., табл. - Библиогр.: с. 70. - Б. ц.
б) дополнительная литература:
15
Альбертс Б., Брей Д., Льюис Дж., Рэфф М., Робертс К., Уотсон Дж. Молекулярная
биология клетки. Т. 1–3. – М.: Мир, – 1994.
2. Великов В.А, Кузнецов П.Е. Практикум по молекулярной биологии: Методы
биоинженерии / Под ред. проф. В.В. Игнатова. 2006. – Саратов: Издательство СГУ, 2006.
3. Великов В.А, Игнатов В.В. Практикум по молекулярной биологии. Методы исследования
белков. – Саратов: Издат. Центр “Наука”, 2007. – 60 с.
4. Глик Б., Пастернак Дж. Молекулярная биотехнология. Принципы и применение. М.: Мир, 2002.
5. Коничев А.С., Севастьянова Г.А Основные термины молекулярной биологии. Учебное
пособие. М.: Колос, 2006.
6. Коничев А.С. Биохимия и молекулярная биология. Словарь терминов. М.: Дрофа, 2008.
7. Мушкамбаров Н.Н., Кузнецов С.Л. Молекулярная биология. Учебное пособие для вузов 2 изд. М.: МИА, 2007.
8. Степанов В.М. Молекулярная биология. Структуры и функции белков. - 3 изд. М.:
Издательство МГУ, 2005.
9. Щелкунов С.Н. Генетическая инженерия: учебно-справочное пособие. Новосиб.: Наука. 2004.
10. Эллиот, Д. Эллиот. Биохимия и молекулярная биология. М.: МАИК «Наука/
Интерпериодика», 2002. – 446 c.
в) программное обеспечение и интернет-ресурсы
1. Компьютерные программы «Primer 3», «Vector NT1», «RestrictionMapper».
2. MOLBIOL.RU – Методы, информация и программы для молекулярных биологов //
www.molbiol.ru.
3. Практическая молекулярная биология // www.molbiol.edu.ru.
4. Fermentas Life Sciences // www.fermentas.com.\
5. National Center for Biotechnology Information // www.pubmed.com.
1.
8. Материально-техническое обеспечение дисциплины (модуля)
1. Обрудование учебно-научной лаборатории молекулярной биологии СГУ, в том
числе: миницентрифуги на 10 тыс. об/мин и 13,4 тыс. об/мин, ПЦР-амплификатор, шейкертермостат, аналитические весы, СВЧ-печь, аквадистиллятор, холодильник и морозильник,
система очистки воды, микробиологический бокс, вытяжной шкаф, встряхиватель, комплект
электрофоретического оборудования, трансиллюминатор, стеклянная и пластиковая
лабораторная посуда и расходные материалы.
2. Материально-техническая база кафедры биохимии и биофизики, учебно-научного
центра физико-химической биологии СГУ и ИБФРМ РАН.
3. Мильтимедийное оборудование для лекционного сопровождения и другая оргтехника.
Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО № 66 от 17.03.2011
г. с учетом рекомендаций и Примерной ООП ВПО по специальности 020501 Биоинженерия и
биоинформатика.
Автор:
доцент каф. биохимии и биофизики,
к.б.н., доцент
_______________________ В.А. Великов
Программа одобрена на заседании кафедры биохимии и биофизики от «____»
_____________ 2012 года, протокол №____.
Подписи:
Зав. кафедрой биохимии и биофизики,
16
д.б.н., профессор
_______________________ С.А. Коннова
Декан биологического факультета
д.б.н., профессор
_______________________ Г.В. Шляхтин
17