Молекулярная биология и молекулярная генетика

РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
«УТВЕРЖДАЮ»:
Проректор по учебной работе
_______________________ /Волосникова Л.М./
__________ _____________ 2013 г.
МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ И МОЛЕКУЛЯРНАЯ ГЕНЕТИКА
Учебно-методический комплекс. Рабочая программа
для студентов специальности 020501 – Биоинженерия и биоинформатика,
очной формы обучения
«ПОДГОТОВЛЕНО К ИЗДАНИЮ»:
Автор работы _____________________________/Трофимов О.В./
« 20 » февраля
2013 г.
Рассмотрено на заседании кафедры экологии и генетики 27 февраля 2013 г., протокол
№13. Соответствует требованиям к содержанию, структуре и оформлению.
«РЕКОМЕНДОВАНО К ЭЛЕКТРОННОМУ ИЗДАНИЮ»:
Объем 18 стр.
Зав. кафедрой ______________________________/Пак И.В./
Рассмотрено на заседании УМК департамента биологии ИМЕНИТ 12 апреля 2013 г.,
протокол №6.
Соответствует ФГОС ВПО и учебному плану образовательной программы.
«СОГЛАСОВАНО»:
Председатель УМК ________________________/Фролова О.В./
«СОГЛАСОВАНО»:
Директор ИБЦ_____________/Еманов А.Г./
«______»_____________2013 г.
«СОГЛАСОВАНО»:
И.о. зав. методическим отделом УМУ_____________/Поротова С.С./
«______»_____________2013 г.
РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Институт биологии
Кафедра экологии и генетики
О.В. Трофимов
МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ И МОЛЕКУЛЯРНАЯ ГЕНЕТИКА
Учебно-методический комплекс. Рабочая программа
для студентов специальности 020501 – Биоинженерия и биоинформатика,
очной формы обучения
Тюменский государственный университет
2013
Трофимов О.В. Молекулярная биология и молекулярная генетика:
Учебно-методический комплекс. Рабочая программа для студентов
специальности 020501 – Биоинженерия и биоинформатика, очной формы
обучения. Тюмень, 2013, 18 стр.
Рабочая программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС
ВПО с учетом рекомендаций и ПрООП ВПО по направлению и профилю
подготовки.
Рабочая программа дисциплины опубликована на сайте ТюмГУ:
Молекулярная биология и молекулярная генетика [электронный ресурс] /
Режим доступа: http://www.umk3.utmn.ru., свободный.
Рекомендовано к изданию кафедрой экологии и генетики. Утверждено
проректором по учебной работе Тюменского государственного университета.
ОТВЕТСТВЕННЫЙ РЕДАКТОР: заведующий кафедрой экологии и
генетики Тюменского государственного
университета, д.б.н., профессор Пак
Ирина Владимировна
© Тюменский государственный университет, 2013.
© Трофимов О.В., 2013.
1. Пояснительная записка
1.1. Цели и задачи дисциплины
Целью дисциплины «Молекулярная биология и молекулярная
генетика» является получение базовых знаний о механизмах хранения,
передачи и реализации наследственной информации на молекулярном
уровне, а также основных молекулярно-биологических процессах.
В процессе изучения дисциплины бакалавры решают следующие
задачи: в систематизированной форме усваивают знания о принципах
структурной организации нуклеиновых кислот (ДНК и РНК),
закономерностях протекания основных молекулярно-генетических процессов
у вирусов, про- и эукариот: репликации, рекомбинации, мутации, репарации,
транскрипции, сплайсинга и процессинга РНК, биосинтезе белка, а также
механизмах их регуляции; изучают прикладные аспекты использования
достижений молекулярной генетики.
Учебно-методический
комплекс
«Молекулярная
биология
и
молекулярная генетика» соответствует требованиям федерального
государственного образовательного стандарта высшего профессионального
образования.
1.2. Место дисциплины в структуре ООП
Дисциплина «Молекулярная биология и молекулярная генетика»
относится к циклу С.3. Профессиональный цикл: базовая часть. Она
логически и содержательно-методически взаимосвязана с дисциплинами С.3.
Профессионального цикла: базовой частью: методами исследования
биологических макромолекул, биоинженерией, генетической инженерией,
инженерной энзимологией, а также вариативной частью: генетической
рекомбинацией, основами мутагенеза и генетической токсикологии,
генетическим полиморфизмом белков и ДНК. Для успешного освоения
дисциплины необходимы базовые знания по химии, физике, клеточной
биологии, эмбриологии, энзимологии, общей генетике, микробиологии и
вирусологии, биохимии, владение компьютерными программами. Для
успешного освоения данной дисциплины необходимо предшествующее
изучение следующих модулей: физики, химии; эмбриологии, генетики,
клеточной биологии, микробиологии, вирусологии, биохимии, энзимологии.
1.3. Требования к результатам освоения дисциплины
Процесс изучения дисциплины направлен на формирование
следующих компетенций:
- способностью заниматься преподавательской деятельностью в области
биоинженерии и биоинформатики и смежных дисциплинах на основе знаний
принципов педагогической деятельности и умения формировать и излагать
учебный материал – ПК 4;
- способностью порождать новые идеи, выявлять фундаментальные
проблемы, формулировать задачи, связанные с реализацией профессиональных
функций, использовать для их решения методы изученных им наук – ПК 7;
- способностью использовать основные биологические базы данных, в
том числе содержащие геномную, структурную и другую информацию, в
научно-исследовательской работе – ПК 13;
- владением основными средствами анализа геномной, структурной и
другой биологической информацией – ПК 14.
В результате освоения дисциплины обучающийся должен:
 Знать: основы молекулярной биологии и генетики.
 Уметь: демонстрировать базовые представления о молекулярнобиологических процессах, применять их на практике, критически
анализировать полученную информацию и представлять результаты
исследований.
 Владеть: навыками к научно-исследовательской работе, ведению
дискуссии.
Компетенции
Карта компетенций дисциплины
Формулировка
компетенции
ПК-4 способностью заниматься
преподавательской
деятельностью в области
биоинженерии,
биоинформатики и
смежных дисциплинах на
основе знаний принципов
педагогической
деятельности и умения
формировать и излагать
учебный материал
Результаты обучения
в целом
Знает:
принципы изложения
учебного материала по
молекулярной биологии
и генетике
Умеет:
демонстрировать
представления о
принципах изложения
учебного материала по
молекулярной биологии
и генетике
Владеет:
способностью
применять принципы
педагогической
деятельности на
практике
ПК-7 способностью порождать Знает:
новые идеи, выявлять
сущность
фундаментальные
фундаментальных
проблемы, формулировать проблем в области
задачи, связанные с
молекулярной
реализацией
биологии и генетики
профессиональных
Умеет:
функций, использовать
Демонстрировать
для их решения методы
представления о
изученных им наук
сущности
фундаментальных
проблем в области
молекулярной
Результаты обучения по уровням освоения материала
минимальный
базовый
повышенный
Особенности
педагогической
деятельности в области
молекулярной
биологии и генетики
Демонстрировать
представления об
особенностях
педагогической
деятельности в области
молекулярной
биологии и генетики
Способностью
применять принципы
педагогической
деятельности на
практике
Принципы изложения
учебного материала по
молекулярной
биологии и генетике
Лекции
Оценочные
средства
(тесты,
творческие
работы,
проекты и
др.)
Экзамен
Демонстрировать
представления о
принципах изложения
учебного материала по
молекулярной
биологии и генетике
Семинарские
занятия
Ответ на
семинаре
Навыками изложения
учебного материала по
молекулярной
биологии и генетике
Практические
занятия
Творческое
задание
Сущность
фундаментальных
проблем в области
молекулярной
биологии и генетики
О путях решения
фундаментальных
проблем в области
молекулярной
биологии и генетики
Принципы постановки
исследовательских
задач в области
молекулярной
биологии и генетики
Лекции
Экзамен
Демонстрировать
представления о
сущности
фундаментальных
проблем в области
молекулярной
биологии и генетики
Демонстрировать
представления о путях
решения
фундаментальных
проблем в области
молекулярной
биологии и генетики
Демонстрировать
представления о
принципах постановки
исследовательских
задач в области
молекулярной
биологии и генетики
Семинарские
занятия
Ответ на
семинаре
Основные принципы
педагогической
деятельности
Демонстрировать
представления об
основных принципах
педагогической
деятельности
Мотивацией к
ведению
педагогической
деятельности
Виды занятий
(лекции,
практические,
семинарские,
лабораторные)
биологии и генетики
Владеет:
способностью
порождать новые идеи в
области молекулярной
биологии и генетики
ПК-13 способностью
использовать основные
биологические базы
данных, в том числе
содержащие геномную,
структурную и другую
информацию, в научноисследовательской работе
ПК-14 владением основными
средствами анализа
геномной, структурной и
другой биологической
информацией
Знает:
принципы работы с
базами данных по
белкам и
нуклеотидным
последовательностям
Умеет:
демонстрировать
представления о
принципах работы с
базами данных по
белкам и
нуклеотидным
последовательностям
Владеет:
способностью
получать,
анализировать и
обрабатывать
информацию,
накопленную в базах
данных по белкам и
нуклеотидным
последовательностям
Знает:
особенности
использования
компьютерных
программ для анализа
биологической
информации
Умеет:
демонстрировать
Способностью
формулировать задачи
в области
молекулярной
биологии и генетики
Способностью
побуждать других
порождать новые идеи
в области
молекулярной
биологии и генетики
Особенности
Принципы работы с
отдельных баз данных базами данных по
по белкам и
белкам и
нуклеотидным
нуклеотидным
последовательностям последовательностям
Практические
занятия
Творческое
задание
Лекции
Экзамен
Демонстрировать
знания об основных
базах данных по
белкам и
нуклеотидным
последовательностям
Демонстрировать
знание особенностей
отдельных баз данных
по белкам и
нуклеотидным
последовательностям
Демонстрировать
представления о
принципах работы с
базами данных по
белкам и
нуклеотидным
последовательностям
Семинарские
занятия
Ответ на
семинаре
Способностью
получать
информацию,
накопленную в базах
данных по белкам и
нуклеотидным
последовательностям
Способностью
анализировать и
обрабатывать
информацию,
накопленную в базах
данных по белкам и
нуклеотидным
последовательностям
Способностью к
планированию
экспериментальных
работ на основе
информации,
накопленной в базах
данных по белкам и
нуклеотидным
последовательностям
Практические
занятия
Контрольная
работа
О современных
компьютерных
программах для
анализа
биологической
информации
Интерфейс
компьютерных
программ для анализа
биологической
информации
Лекции
Экзамен
Демонстрировать
представления о
Демонстрировать
знание нтерфейса
Конкретные
особенности
использования
компьютерных
программ для анализа
биологической
информации
Демонстрировать
представления о
Семинарские
занятия
Тест
Перечень основных
баз данных по белкам
и нуклеотидным
последовательностям
Способностью
порождать новые идеи
в области
молекулярной
биологии и генетики
представления об
использовании
компьютерных
программ для анализа
биологической
информации
современных
компьютерных
программах для
анализа
биологической
информации
компьютерных
программ для анализа
биологической
информации
Владеет:
навыками
использования
компьютерных
программ для анализа
биологической
информации
Навыками
использования
компьютерных
программ для
попарного
выравнивания
биологических
последовательностей
Навыками
использования
компьютерных
программ для
множественного
выравнивания
биологических
последовательностей
конкретных
особенностях
использования
компьютерных
программ для анализа
биологической
информации
Навыками
использования
компьютерных
программ для
молекулярного
моделирования и
анализа
пространственной
структуры белков
Практические
занятия
Творческое
задание
2. Структура и трудоемкость дисциплины
Семестр 7. Форма промежуточной аттестации – экзамен. Общая
трудоемкость дисциплины составляет 4 зачетные единицы, 144 часа.
3. Тематический план
Таблица 1.
Тематический план
3
4
5
6
7
8
9
1-2
2-6
3
15
2
4
18
10
23
29
2
5
0-17
0-18
6
18
6
28
52
7
0-35
7-11
12
6
15
3
18
5
1
6
10
14
24
30
18
48
5
5
0-18
0-11
0-29
13-15
16-18
9
9
3
3
10
10
22
22
4
4
0-18
0-18
6
18
18
54
14
6
18
6
20
72
44
144
8
20
0-36
0-100
Итого часов по теме
Итого количество
баллов
5.
6.
Из них в интерактивной
форме
3.
4.
Самостоятельная
работа
1.
2.
2
Модуль 1.
Введение.
Принципы структурной организации
нуклеиновых кислот.
Всего
Модуль 2.
Молекулярная генетика прокариот.
Молекулярная генетика вирусов.
Всего
Модуль 3.
Молекулярная генетика эукариот.
Биосинтез белка и механизмы его
регуляции.
Всего
Итого (часов, баллов):
Из них в интерактивной форме
Семинарские
(практические)
занятия
1
недели семестра
Тема
Виды учебной работы и
самостоятельная работа, в
час.
Лекции
№
Таблица 2.
Виды и формы оценочных средств в период текущего контроля
0-4
0-7
0-14
0-4
0-7
0-7
0-7
0-14
0-4
0-7
0-4
0-7
Итого количество
баллов
тест
0-7
0-7
эссе
контрольная
работа
Модуль 1.
1. Введение.
2. Принципы структурной организации
нуклеиновых кислот.
Всего
Модуль 2.
3. Молекулярная генетика прокариот.
4. Молекулярная генетика вирусов.
Всего
Модуль 3.
ответ на
семинаре
№ темы
реферат
Письменные работы
Устный
опрос
0-10
0-17
0-18
0-10
0-35
0-4
0-4
0-18
0-11
0-29
5. Молекулярная генетика эукариот.
6. Биосинтез белка и механизмы его регуляции.
Всего
Итого
0-7
0-7
0-14
0-42
0-4
0-4
0-8
0-16
0-7
0-7
0-14
0-28
0-10
0-4
0-18
0-18
0-36
0-100
Таблица 3.
Планирование самостоятельной работы студентов
№
Модули и темы
Модуль 1
1.1
Введение
Принципы структурной
организации
нуклеиновых кислот
Всего по модулю 1:
Модуль 2
2.1
Молекулярная генетика
прокариот
1.2
2.2
Молекулярная генетика
вирусов
Всего по модулю 2:
Модуль 3
3.1
Молекулярная генетика
эукариот
Биосинтез белка и
механизмы его
регуляции
Всего по модулю 3:
ИТОГО:
3.2
Виды СРС
обязательные
дополнительные
Выполнение
индивидуальных заданий
(реферат).
Изучение отдельных тем
(ответы на семинаре).
Изучение отдельных тем
(ответы на семинаре,
контрольная работа, тест).
Изучение отдельных тем
(ответы на семинаре,
контрольная работа, тест).
Выполнение
индивидуальных заданий
(эссе).
Изучение отдельных тем
(ответы на семинаре).
Изучение отдельных тем
(ответы на семинаре,
контрольная работа, тест).
Изучение отдельных тем
(ответы на семинаре,
контрольная работа, тест).
Неделя
семестра
Объем
часов
Кол-во
баллов
Чтение
специализированной литературы.
1-2
18
0-17
Чтение
специализированной литературы.
2-6
10
0-18
6
28
0-35
7-11
10
0-18
12
14
0-11
6
24
0-29
13-15
10
0-18
16-18
10
0-18
6
8
20
72
0-36
0-100
Чтение
специализированной литературы.
Чтение
специализированной литературы.
Чтение
специализированной литературы.
Чтение
специализированной литературы.
4. Разделы
дисциплины
и
междисциплинарные
обеспечиваемыми (последующими) дисциплинами
№
п/п
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Наименование обеспечиваемых
(последующих) дисциплин
Геномика и протеомика
Методы исследования
биологических макромолекул
Биоинженерия
Структурная аннотация
биополимеров
Функциональная аннотация
биополимеров
Генетическая инженерия
Инженерная энзимология
Генетическая рекомбинация
Основы мутагенеза и
генетической токсикологии
связи
с
Темы дисциплины, необходимые для
изучения обеспечиваемых (последующих)
дисциплин
1
2
3
4
5
6
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
5. Содержание дисциплины
Модуль 1.
1.Введение
Основные этапы развития молекулярной генетики. Открытие роли ДНК
в хранении и передаче генетической информации. Исследования
нуклеотидного состава ДНК. Построение модели пространственной
структуры ДНК. Доказательство полуконсервативного способа репликации
ДНК. Открытие механизмов биологического синтеза ДНК и РНК. Изучение
механизмов регуляции экспрессии генов. Расшифровка генетического кода.
Разработка и применение методов секвенирования белков и нуклеиновых
кислот. Открытие рестриктаз и становление генетической инженерии.
Открытие обратных транскриптаз и дополнение центральной догмы
молекулярной биологии. Открытие мобильных генетических элементов.
Разработка метода полимеразной цепной реакции. Открытие каталитических
свойств рибонуклеиновых кислот. Современное состояние и перспективы
молекулярно-генетических исследований.
2.Принципы структурной организации нуклеиновых кислот
Открытие нуклеиновых кислот. Типы нуклеиновых кислот (ДНК и
РНК). Локализация нуклеиновых кислот в клетках. Химический состав
нуклеиновых кислот. Структура пентоз, входящих в состав нуклеиновых
кислот (рибозы и дезоксирибозы). Цикло-цепная таутомерия и
конформационные возможности пентоз. Химическое строение азотистых
оснований. Их кето-енольная и амино-иминная таутомерия. Минорные
основания в ДНК и РНК. Строение и номенклатура нуклеозидов и
нуклеотидов. Нуклеотидный состав ДНК. Правила Чаргаффа. Первичная
структура нуклеиновых кислот. Природа межнуклеотидной связи. Вторичная
структура ДНК. Принцип комплементарности и его биологическое значение.
Факторы, обеспечивающие стабильность вторичной структуры ДНК.
Водородные связи. Пары оснований. Стэкинг-взаимодействия. Формы ДНК.
Их сходства и различия. Параметры спиралей. А-форма РНК. Взаимосвязь
устойчивости нуклеиновых кислот и их нуклеотидного состава. Денатурация
и ренатурация нуклеиновых кислот. Структурные особенности ДНК-РНК
гибридов. Вторичная структура РНК. Шпильки. Неканонические пары
оснований. Принципы формирования третичной структуры РНК. Триплеты и
квартеты оснований. Участие рибозы в образовании водородных связей.
Пространственная структура тРНК.
Модуль 2.
3. Молекулярная генетика прокариот
Организация генома прокариот. Геном бактерий и архебактерий.
Внегеномные генетические элементы. Молекулярные механизмы репликации
ДНК у прокариот. Общее уравнение синтеза ДНК. Полуконсервативный
способ репликации ДНК. Понятие репликона, ориджина репликации.
Репликативная "вилка". Белки, участвующие в репликации ДНК.
Современные модели репликации. Пути обмена генетической информацией у
микроорганизмов. Пол и конъюгация у бактерий. Половой фактор.
Организация tra-оперона. Стадии процесса конъюгации. Трансформация.
Молекулярные
механизмы
трансдукции.
Трансдуцирующие
фаги.
Картирование хромосом бактерий с использованием систем конъюгации,
трансдукции и трансформации. Молекулярные механизмы возникновения
мутаций. Классификация мутаций. Источники мутаций: ошибки репликации
ДНК, ионизирующее излучение, химический мутагенез. Механизм действия
мутагенов (УФ, радиация, аналоги оснований, алкилирующие агенты,
азотистая кислота, акридиновые красители). Механизмы репарации ДНК.
Репарационные системы. Фотореактивация. Эксцизионная репарация.
UvrA,B,C,D-зависимая система. Репарация неспаренных оснований с
участием продуктов генов mutH, mutS и mutL. SOS-репарация.
Молекулярные
механизмы
рекомбинации.
Типы
генетической
рекомбинации. Общая (гомологичная) рекомбинация. Структуры Холлидея.
Общая рекомбинация с образованием двухцепочечного разрыва. Сайтспецифическая рекомбинация (на модели интеграции хромосомы фага λ).
Мобильные генетические элементы микроорганизмов. IS-элементы и
транспозоны
бактерий.
Молекулярные
механизмы
транспозиции.
Репликативная и нерепликативная транспозиция. Регуляция процесса
транспозиции. Механизмы регуляции частоты транспозиции на примерах
транспозонов TnA и Tn10. Транскрипция и биосинтез РНК. Структура и
функции бактериальной РНК-полимеразы. Стадии транскрипции. Инициация
транскрипции у бактерий. Структура промоторов. Механизмы узнавания
промотора РНК-полимеразой. Терминация транскрипции. Регуляция
экспрессии генов на уровне транскрипции. Схема оперона по Жакобу и
Моно. Индукция и репрессия синтеза ферментов на примере лактозного
оперона. Катаболитная репрессия как пример позитивной регуляции
транскрипции. Явление аттенуации (на модели триптофанового оперона).
4. Молекулярная генетика вирусов
Молекулярная организация и классификация вирусов. Механизмы
репликации вирусных геномов. Способы репликации концевых
последовательностей генома. Особенности жизненных циклов ДНКсодержажих вирусов (репликация одноцепочечной и двухцепочечной,
колцевой и линейной ДНК). Особенности жизненных циклов РНКсодержажих вирусов. Молекулярные механизмы обратной транскрипции
ретровирусной РНК.
Модуль 3.
5. Молекулярная генетика эукариот
Организация генома эукариот. Уникальные гены и повторяющиеся
последовавтельности.
Сателлитная
ДНК.
Типы
повторяющихся
последовательностей, их организация и локализация в геноме. Структура
эукариотических хромосом. Общий план строения эукариотической
хромосомы. Строение цетромеров и теломеров. Теломераза. Строение
нуклеосом. Уровни компактизации ДНК в хромосомах. Эухроматин и
гетерохроматин. Метилирование ДНК у эукариот, его биологическое
значение. Механизмы регуляции экспрессии генов путем химической
модификации ДНК и гистонов. Механизмы транскрипции эукариотических
генов. Типы ДНК-зависимых РНК-полимераз, их функции. Строение РНК-
полимеразы II. Факторы транскрипции. Инициация транскрипции: сборка
инициаторного комплекса. Регуляторные зоны эукариотических генов
(энхансеры, сайленсеры). Механизмы РНК-процессинга. Экзоны и интроны.
Гипотезы происхождения интронов. Сплайсинг. Механизмы сплайсинга.
Альтернативный сплайсинг, его биологическое значение. Процессы
кэпирования и полиаденилирования РНК.
6. Биосинтез белка и его регуляция
Уравнение суммарной химической реакции биосинтеза белка.
Энергетическое обеспечение процесса трансляции. Компоненты аппарата
трансляции. Полярность трансляции. Адапторная гипотеза Крика.
Аминоацил-тРНК-синтетазы. Активация аминокислот. Акцептирование
аминокислотных остатков на тРНК. Генетический код. Экспериментальной
расшифровка состава кодонов при использовании искусственных матричных
полирибонуклеотидов. Использование гомополимеров (кодоны UUU, CCC,
AAA). Понятие о неперекрываемости кодонов, вырожденности и
универсальности генетического кода. Прокариотические и эукариотические
рибосомы. Состав рибосомных субъединиц. Рибосомные РНК и белки.
Функциональные центры рибосомы и их локализация. Инициация
трансляции у прокариот: инициирующие кодоны, инициаторная тРНК,
факторы инициации. Последовательность событий в процессе инициации.
Особенности процесса инициации у эукариот. Элонгация у прокариот.
Факторы элонгации. Последовательность событий в процессе элонгации:
поступление аминоацил-тРНК в рибосому, транспептидация, транслокация.
Особенности элонгации у эукариот. Терминация трансляции. Кодоны
терминации. Факторы терминации. Последовательность событий в процессе
терминации. Терминация трансляции при отсутствии терминирующих
кодонов, роль тмРНК в такой терминации.
6. Планы семинарских занятий
1. Семинар «История развития молекулярной генетики»
Обсуждаемые темы:
1. Открытие нуклеиновых кислот, идентификация их компонентов.
2. Доказательство роли ДНК в хранении и передаче генетической
информации.
3. Построение пространственной модели ДНК.
4. Открытие механизмов биосинтеза ДНК и РНК.
5. Выяснение механизмов регуляции экспрессии генов.
6. Расшифровка генетического кода, изучение механизмов биосинтеза белка.
7. Разработка основополагающих методов молекулярной генетики.
2. Семинар «Структура нуклеиновых кислот»
Обсуждаемые темы:
1. Структурные компоненты нуклеиновых кислот, их строение и химические
свойства.
2. Организация первичной структуры нуклеиновых кислот.
3. Вторичная структура и формы ДНК. Стабильность вторичной структуры
ДНК.
4. Формирование вторичной и третичной структур РНК. Строение тРНК.
3. Семинар «Молекулярная генетика прокариот»
Обсуждаемые темы:
1. Организация генома прокариот.
2. Репликация ДНК у прокариот.
3. Механизмы обмена генетической информацией у микроорганизмов
(конъюгация, трансформация, трансдукция).
4. Механизмы возникновения мутаций и системы репарации ДНК.
5. Генетическая рекомбинация у прокариот.
6. Транскрипция и механизмы ее регуляции у прокариот.
4. Семинар «Молекулярная генетика вирусов»
Обсуждаемые темы:
1. Механизмы репликации геномов ДНК-содержащих вирусов.
2. Способы репликации концов линейных вирусных геномов.
3. Механизмы репликации геномов РНК-содержащих вирусов.
4. Механизмы процессов обратной транскрипции, а также интеграции у
ретровирусов.
5. Механизмы регуляции экспрессии вирусных генов.
5. Семинар «Молекулярная генетика эукариот»
Обсуждаемые темы:
1. Организация генома эукариот.
2. Метилирование ДНК у эукариот и его биологическое значение.
3. Транскрипция и механизмы ее регуляции у эукариот.
4. Механизмы процессинга РНК у эукариот.
6. Семинар «Биосинтез белка»
Обсуждаемые темы:
1. Общие закономерности процесса трансляции.
2. Компоненты аппарата трансляции, их структура и свойства.
3. Генетический код, его свойства и особенности.
4. Стадии биосинтеза белка (инициация, элонгация, терминация), их
особенности у про- и эукариот.
7. Учебно-методическое
обеспечение
самостоятельной
работы
студентов. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости,
промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины
I. Введение.
Темы рефератов:
1. ДНК – носитель генетической информации. Открытие Освальда Эвери,
Колина МакЛеода и Маклина МакКарти.
2. ДНК – носитель генетической информации. Эксперименты Альфреда
Херши и Марты Чейз.
3. Исследования нуклеотидного состава ДНК Эрвином Чаргаффом.
4. Построение модели пространственной структуры ДНК. Работы Мориса
Уилкинса и Розалинд Франклин, Джеймса Уотсона и Фрэнсиса Крика.
5. Доказательство полуконсервативного способа репликации ДНК. Опыты
Мэтью Мезельсона и Франклина Сталя.
6. Открытие механизмов биологического синтеза РНК и ДНК. Эксперименты
Северо Очоа и Артура Корнберга.
7. Модель Оперона. Исследования Франсуа Жакоба и Жака Моно.
8. Расшифровка генетического кода. Вклад Роберта Холли, Хара Кораны,
Маршалла Ниренберга.
9. Разработка и применение методов секвенирования белков и нуклеиновых
кислот Фредериком Сенгером.
10. Открытие рестриктаз Вернером Арбером и Хамилтоном Смитом и его
значение для генетической инженерии.
11. Открытие обратных транскриптаз и дополнение центральной догмы
молекулярной биологии. Работы Дейвида Балтимора и Хоуарда Темина.
12. Открытие мобильных генетических элементов Барбарой Мак-Клинток.
13. Разработка метода полимеразной цепной реакции. Эксперименты Кэрри
Муллиса.
14. Открытие каталитических свойств рибонуклеиновых кислот (рибозимов).
Исследования Томаса Чека и Сиднея Олтмена.
IV. Молекулярная генетика вирусов.
Тема эссе:
Мой взгляд на проблему репликации концов линейных вирусных геномов и
возможные пути ее решения.
Образец тестовых заданий:
1. На каком из этапов трансляции задействована пептидилтрансфераза
(транспептидаза)?
а) активирование аминокислот
б) инициация
в) элонгация
г) терминация
д) на всех перечисленных
2. Обратные транскриптазы ретровирусов проявляют активность:
а) РНК-зависимую ДНК-полимеразную
б) ДНК-зависимую ДНК-полимеразную
в) рибонуклеазную
г) все перечисленные
д) ни одну из перечисленных
3. Специализированные концевые районы хромосомной ДНК эукариот,
состоящие из многократно повторяющихся коротких нуклеотидных
последовательностей, называются:
а) теломеры
б) конкатемеры
в) хромомеры
г) палиндромы
д) спейсерные участки
Образец заданий контрольных работ:
1. Почему концы полинуклеотидной цепи обозначаются как 5’ и 3’?
2. Полная репликация генома E. сoli происходит примерно за 60 минут, а
процесс деления клетки занимает всего 20 минут. Объясните этот парадокс.
3. Какие системы репарации ДНК E. сoli могут участвовать в удалении
пиримидиновых димеров?
Вопросы к экзамену:
1. Открытие нуклеиновых кислот. Типы нуклеиновых кислот. Локализация
нуклеиновых кислот в клетках. Химический состав нуклеиновых кислот.
2. Пентозы (рибоза и дезоксирибоза). Цикло-цепная таутомерия.
Конформации пентоз.
3. Химическое строение азотистых оснований. Кето-енольная и аминоиминная таутомерия. Минорные основания в ДНК и РНК.
4. Строение и номенклатура нуклеозидов и нуклеотидов. Нуклеотидный
состав ДНК. Правила Чаргаффа.
5. Первичная структура нуклеиновых кислот. Природа межнуклеотидной
связи.
6. Вторичная структура ДНК. История открытия двойной спирали УотсонаКрика. Принцип комплементарности и его биологическое значение.
Факторы, обеспечивающие стабильность вторичной структуры ДНК.
Водородные связи. Пары оснований. Стэкинг-взаимодействия.
7. Формы ДНК. Их сходство и различие. Параметры спиралей. А-форма
РНК. Структура ДНК-РНК-гетеродуплексов.
8. Взаимосвязь устойчивости нуклеиновых кислот и их нуклеотидного
состава. Денатурация и ренатурация нуклеиновых кислот.
9. Принципы формирования вторичной и третичной структур РНК.
Неканонические межнуклеотидные взаимодействия.
10.Структурные элементы тРНК. Минорные основания. Пространственная
конфигурация тРНК.
11.Организация генома прокариот. Внехромосомные генетические элементы.
12.Молекулярные механизмы репликации. Общее уравнение синтеза ДНК.
Полуконсервативный механизм репликации ДНК (опыт Мезельсона и
Сталя). Понятие репликона, ориджина репликации.
13.Молекулярные механизмы репликации. Репликативная "вилка". Белки,
участвующие в репликации ДНК. Типы репликации ДНК у прокариот
14.Молекулярные механизмы возникновения мутаций. Классификация
мутаций. Источники мутаций: ошибки репликации ДНК, ионизирующее
излучение, химический мутагенез. Механизм действия мутагенов (УФ,
радиация, аналоги оснований, алкилирующие агенты, азотистая кислота,
акридиновые красители).
15.Механизмы
репарации
ДНК.
Системы
прямой
репарации:
фотореактивация, дезалкилирование. Эксцизионная репарация: системы
NER и BER.
16.Механизмы репарации ДНК. Репарация ошибочно спаренных оснований с
участием mutH, mutL, mutS. Механизмы SOS-репарации.
17.Молекулярные
механизмы
рекомбинации.
Типы
генетической
рекомбинации. Общая (гомологичная) рекомбинация. Роль белков RecA,
RecB, RecC, RecD. Структуры Холлидея. Их разрешение с у частием
RuvA, RuvB, RuvC. Рекомбинантная репарация двухцепочечного и
одноцепочечного разрывов.
18.Молекулярные
механизмы
рекомбинации.
Сайт-специфическая
элементы прокариот: транспозоны, IS-последовательности. Механизмы
транспозиций.
19.Транскрипция и биосинтез РНК. Структура бактериальной РНКполимеразы. Стадии транскрипции. Инициации транскрипции у бактерий.
Структура промоторов. Механизмы узнавания промотора РНКполимеразой. Терминация транскрипции.
20.Регуляция экспрессии генов на уровне транскрипции. Схема оперона по
Жакобу и Моно. Индукция и репрессия синтеза ферментов на примере
лактозного оперона. Явление аттенуации (на модели триптофанового
оперона).
21.Молекулярные механизмы репликации вирусных геномов. Способы
репликации концевых последовательностей генома.
22.Особенности жизненных циклов ДНК-содержажих вирусов (репликация
одноцепочечной и двухцепочечной, кольцевой и линейной ДНК).
23.Особенности
жизненных
циклов
РНК-содержажих
вирусов.
Молекулярные механизмы обратной транскрипции ретровирусной РНК.
24.Организация генома эукариот. Уникальные гены и повторяющиеся
последовавтельности. Сателлитная ДНК. Типы повторяющихся
последовательностей, их организация и локализация в геноме.
25.Структура эукариотических хромосом. Общий план строения
эукариотической хромосомы. Строение цетромеров и теломеров.
Теломераза. Строение нуклеосом. Уровни компактизации ДНК в
хромосомах. Эухроматин и гетерохроматин. Механизмы регуляции
экспрессии генов путем химической модификации ДНК и гистонов.
26.Механизмы транскрипции эукариотических генов. Типы ДНК-зависимых
РНК-полимераз, их функции. Строение РНК-полимеразы II. Факторы
транскрипции. Инициация транскрипции: сборка инициаторного
комплекса. Регуляторные зоны эукариотических генов - энхансеры,
сайленсеры.
27.Механизмы РНК-процессинга. Экзоны и интроны. Гипотезы
происхождения
интронов.
Сплайсинг.
Механизмы
сплайсинга.
Альтернативный сплайсинг, его биологическое значение. Процессы
кэпирования и полиаденилирования РНК.
28.Уравнение суммарной химической реакции биосинтеза белка.
Энергетическое обеспечение процесса трансляции. Компоненты аппарата
трансляции. Полярность трансляции.
29.Адапторная гипотеза Крика. Аминоацил-тРНК-синтетазы. Активация
аминокислот (химия процесса). Акцептирование аминокислотных
остатков на тРНК.
30.Генетический код. Экспериментальная расшифровка состава кодонов при
использовании
искусственных
матричных
полирибонуклеотидов.
Использование гомополимеров (кодоны UUU, CCC, AAA). Понятие о
неперекрываемости кодонов, вырожденности и универсальности
генетического кода.
31.Прокариотические и эукариотические рибосомы. Состав рибосомных
субъединиц. Рибосомные РНК и белки. Функциональные центры
рибосомы и их локализация.
32.Инициация трансляции у прокариот: инициирующие кодоны,
инициаторная тРНК, факторы инициации. Последовательность событий в
процессе инициации. Особенности процесса инициации у эукариот.
33.Элонгация у прокариот. Факторы элонгации. Последовательность
событий в процессе элонгации: поступление аминоацил-тРНК в рибосому,
транспептидация, транслокация. Особенности элонгации у эукариот.
34.Терминация трансляции. Кодоны терминации. Факторы терминации.
Последовательность событий в процессе терминации. Терминация
трансляции при отсутствии терминирующих кодонов, роль тмРНК в такой
терминации.
8. Образовательные технологии
Мультимедийные средства обучения (презентации и видеофильмы по
темам: структура нуклеиновых кислот, организация геномов про- и эукариот,
молекулярные механизмы генетических процессов, механизмы биосинтеза
белка), проблемные и исследовательские методы, специализированные
программы.
9. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
9.1. Основная литература:
1. Клаг У.С., Каммингс М.Р. Основы генетики: курс лекций. – М.:
Техносфера, 2009. – 896 с.
2. Коничев А.С., Севастьянова Г.А. Основные термины молекулярной
биологии: учеб. пособие для студ. вузов, обуч. по спец. 032400 (050102)
"Биология". – М.: КолосС, 2006. – 188 с.
3. Льюин Б. Гены. – М.: Бином. Лаборатория знаний, 2012. – 896 с.
9.2. Дополнительная литература:
1. Албертс Б., Брей Д., Льюис Дж., Рэфф М., Робертс К., Уотсон Дж.
Молекулярная биология клетки: В 5-х т. – М.: Мир, 1986-1987.
2. Глик Б., Пастернак Дж. Молекулярная биотехнология. Принципы и
применение. – М.: Мир, 2002. – 585 с.
3. Жимулев И.Ф. Общая и молекулярная генетика: учеб. пособие для
студентов ун-тов, обуч. по напр. 510600 - Биология и биолог. спец. –
Новосибирск: Сибирское университетское издательство, 2003. – 479 с.
4. Зенгер В. Принципы структурной организации нуклеиновых кислот. – М.:
Мир, 1987. – 584 с.
5. Молекулярная биология: Структура и биосинтез нуклеиновых кислот:
учеб. для вузов по спец. "Биология" / Под ред. А.С. Спирина. – М.: Высш.
шк., 1990. – 352 с.
6. Сингер М., Берг П. Гены и геномы: В 2-х т. – М.: Мир, 1998.
7. Спирин А.С. Молекулярная биология: Структура рибосомы и биосинтез
белка: учеб. для биол. спец. вузов. – М.: Высш. шк., 1986. – 302 с.
8. Щелкунов С.Н. Генетическая инженерия. – Новосибирск: Сибирское
университетское издательство, 2004. – 496 с.
9.3. Программное обеспечение и интернет-ресурсы:
1. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/
2. http://highwire.stanford.edu/
3. http://molbiol.ru/
10.Технические средства и материально-техническое обеспечение
дисциплины
Дисциплина
обеспечена
компьютерными
презентациями,
составленными автором, видеофильмами. Имеется для проведения занятий 3
мультимедийные аудитории, есть специализированные лаборатории: центр
микроскопии (№408), оснащенный электронным микроскопом LSM 510мета, фазово-контрастным
микроскопом Axioimager А1; лаборатория
генодиагностики (№309), оснащенная высокоэффективным жидкостным
хроматографом, оборудованием для проведения ПЦР, электрофореза и
протеомных исследований; лаборатория биотехнологии (№111), оснащенная
оборудованием для иммуноферментного анализа, биотехнологических
разработок и цитогенетических исследований.