• A
  • A
  • A
  • АБВ
  • АБВ
  • АБВ
  • А
  • А
  • А
  • А
  • А
Обычная версия сайта

Введение в молекулярную биологию

2019/2020
Учебный год
RUS
Обучение ведется на русском языке
5
Кредиты
Статус:
Курс обязательный
Когда читается:
1-й курс, 1, 2 модуль

Преподаватель


Денисов Степан Владимирович

Программа дисциплины

Аннотация

Курс посвящен введению в биохимию, клеточную и молекулярную биологию рассматривает такие темы, как основы строения клетки, ДНК и РНК, матричные процессы, мутации, генетические молекулярные механизмы, элементы генетики и медицинской геномики.
Цель освоения дисциплины

Цель освоения дисциплины

  • Познакомить студентов с основными понятиями молекулярной и клеточной биологии, которые будут использоваться в последующих курсах данной программы.
  • Дать общую картину достижений и проблем современной молекулярной биологии.
Планируемые результаты обучения

Планируемые результаты обучения

  • Знать структуру клетки, понимать функции органелл клетки.
  • Знать какие классы молекул входят в состав клетки и какие биологические функции они выполняют
  • Знать химическую структуру нулеиновых кислот (ДНК и РНК). Понимать принцип комплементарности.
  • Понимать, какие экспериментальные данные лежат в основе доказательства генетической роли ДНК и модели двойной спирали ДНК.
  • Знать основные биологические функции ДНК и РНК в клетке
  • Уметь классифицировать аминокислоты
  • Различать первичную, вторичную, третичную и четвертичную структуры белков. Знать какие химические связи их поддерживают.
  • Понимать роль шаперонов и шаперонинов в фолдинге белков
  • Знать основные биологические функции белков
  • Понимать физико-химические основы методов выделения и очистки нуклеиновых кислот, гель-электрофореза
  • Понимать химические основы полимеразной цепной реакции (ПЦР), а также знать в каких случаях этот метод применяется.
  • Понимать химические основы секвенирования по Сенгеру
  • Знать основные стратегии сборки генома
  • Различать технологии секвенирования на основании принципов, лежащих в их основе
  • Понимать физико-химические основы хроматографии белков и белкового электрофореза
  • Понимать принципиальную схему масс-спектрометрии белков
  • Различать методы направленные на изучение взаимодействия белков и нуклеиновых кислот и понимать их границы применимости
  • Уметь классифицировать полимеразы
  • Понимать принципы, лежащие в основе транскрипции, репликации и трансляции
  • Уметь формулировать центральную догму молекулярной биологии
  • Уметь давать определение генетического кода и формулировать его свойства
  • Уметь классифицировать вирусы по Балтимору
  • Знать основные принципы транскрипции
  • Понимать, что такое промотор и знать его основные элементы
  • Знать основные этапы транскрипции
  • Понимать отличия в транскрипции между прокариотами и эукариотами
  • Понимать, как устроена регуляция транскрипции на уровне инициации на примере лактозного оперона E.coli
  • Знать как работает аттенюация в регуляции экспрессии триптофанового оперона E.coli
  • Понимать особенности структуры генов эукариот: наличие экзонов и интронов, регуляция с помощью энхансеров и инсуляторов.
  • Знать основные этапы процессинга мРНК эукариот: кэпирование, полиаденилирование, сплайсинг
  • Понимать молекулярный механизм сплайсинга
  • Знать, как происходит транспорт мРНК из ядра в цитоплазму (у эукариот)
  • Понимать основные пути деградации эукариотических мРНК
  • Знать механизм РНК-интерференции и сайленсинга генов на уровне трансляции и транскрипции
  • Понимать как связана вырожденность генетического кода с теорией качения кодонов (Wobble concept) и существованием изоакцепторных тРНК
  • Знать основные этапы трансляции
  • Знать основные отличия в инициации трансляции у про- и эукариот
  • Понимать механизмы контроля качества при трансляции: nonsence-mediated decay, non-stop-mediated decay, no-go-mediated decay
  • Иметь представление о структуре хроматина в интерфазе: эухроматин, гетерохроматин.
  • Знать уровни компактизации ДНК у эукариот
  • Иметь представление о строении нуклеосомы, гистонов и модификациях гистонов.
  • Понимать взаимосвязь модификации гистонов со степенью компактизации хроматина и метилированием ДНК
  • Иметь представление о CpG-сайтах и CpG-островах
  • Знать основные принципы и механизмы репликации ДНК у про- и эукариот
  • Понимать механизмы, обеспечивающие точность работы ДНК-полимеразы
  • Понимать, как устроена репликационная вилка, и какие белки обеспечивают репликацию ДНК
  • Знать, как происходит деление прокариотических и эукариотических клеток
  • Понимать, как происходит инициация репликации у про- и эукариот, иметь представление об ориджине репликации
  • Уметь классифицировать мутации
  • Понимать причины возникновения мутаций
  • Знать, как работают различные системы репарации ДНК и какие типы повреждений они способны исправлять
  • Знать основные стадии гомологичной рекомбинации
  • Иметь представление о генной конверсии
  • Понимать, как работает репарация с помощью гомологичной рекомбинации
  • Знать основные классы мобильных элементов
  • Понимать механизмы интеграции ДНК-транспозонов в геном
  • Понимать механизмы транспозиции ретровирусов. LTR–содержащих ретротранспозонов и non-LTR транспозонов
  • Понимать значение мобильных элементов в эволюции
Содержание учебной дисциплины

Содержание учебной дисциплины

  • Химический состав клетки. Строение клетки.
    Химический состав клетки. Типы связей в молекулах и между ними. Гидрофобность/гидрофильность. Малые молекулы и макромолекулы. Макромолекулы – основа функционирования клетки. Нерегулярные полимеры. Нуклеиновые кислоты (ДНК, РНК). Белки. Углеводы. Липиды. Строение биологической мембраны. Строение клетки. Разнообразие клеток. Клеточная теория. Мембранные и немембранные органеллы. Основные органеллы и их функции. Отличия в клеточном строении между эукариотами и прокариотами. Эндосимбиотическое происхождение митохондрий и хлоропластов. Вирусы.
  • Нуклеиновые кислоты
    Нуклеиновые кислоты. Доказательства генетической роли нуклеиновых кислот. Открытия, подготовивших создание Уотсоном и Криком модели двойной спирали ДНК. ДНК. Нуклеозид, нуклеотид, полинуклеотидная цепочка. Принципы строения двойной спирали ДНК. Типы спиралей ДНК: В-, А- и Z-формы. Сверхспирализация ДНК. Топоизомеразы I и II. Функции ДНК. Строение РНК. Отличия РНК от ДНК. Виды РНК и их роль в клетке.
  • Белки
    Белки. Классификация аминокислот. Первичная и вторичная структура белка. Третичная и четвертичная структура белка. Глобулярные и фибриллярные белки. Денатурация и ренатурация белков. Эксперимент Anfinsen с рибонуклеазой А. Фолдинг белков. Шапероны. Шаперонины. Прионы. Основные биологические функции белков.
  • Методы молекулярной биологии (нуклеиновые кислоты)
    Методы молекулярной биологии (нуклеиновые кислоты). Выделение фракции ДНК (или РНК). Гель-электрофорез нуклеиновых кислот: принцип разделения, варианты электрофореза. Гибридизация ДНК (РНК). Саузерн-блот, нозерн-блот. Флуоресцентная гибридизация in situ (FISH) - принцип метода. Плазмидные векторы: структура. Молекулярное клонирование ДНК. Использование плазмидных векторов для создания геномных библиотек. Экспрессионные вектора: принцип, использование. Полимеразная цепная реакция (ПЦР): реагенты, циклы. Использование ПЦР для детекции полиморфизма длин микросателлитов (судебно-медицинская экспертиза). Секвенирование по Сэнгеру. Классическое секвенирование по Сэнгеру, капиллярное секвенирование по Сэнгеру. Сборка генома: принцип, стратегии сборки. Использование paired-end sequencing для сборки генома. Разнообразие технологий секвенирования: первое, второе, третье поколения. Секвенирование Illumina: описание метода. Применение секвенирования: какую информацию можно получить из данных секвенирования?
  • Методы молекулярной биологии (белки, взаимодействие белков и нуклеиновых кислот)
    Методы молекулярной биологии (белки, взаимодействие белков и нуклеиновых кислот). Выделение и очистка белков. Хроматография: ионообменная, гель-фильтрация, аффинная. Разделение белков в полиакриламидном геле. Методы определения первичной структуры белков: метод Эдмана, масс-спектрометрия. Масс-спектрометрия в протеомных исследованиях. Взаимодействие белков и нуклеиновых кислот. Метод сдвига электрофоретической подвижности в геле (Electrophoretic mobility-shift assay, EMSA). Футпринтинг ДНК. Иммуноприципитация хроматина (ChIP). ChIP-ChIP, ChIP-Seq. Методы определения трехмерной конформации ДНК в ядре: основная идея. SELEX.
  • Основные матричные процессы: репликация, транскрипция, трансляция
    Основные матричные процессы: репликация, транскрипция, трансляция. Направление синтеза полинуклеотидных цепей. Классификация полимераз. Центральная догма молекулярной биологии. Генетический код. Свойства генетического кода. Особенности транскрипции и трансляции у вирусов. Классификация вирусов по Балтимору. Базовые отличия в транскрипции и трансляции между эукариотами и прокариотами.
  • Транскрипция (у прокариот и эукариот)
    Транскрипция у прокариот. Принципы транскрипции. Субъединичный состав РНК-полимеразы E.coli. Holo- и Core- фермент. Сигма факторы. Понятие об опероне. Особенности структуры промоторов у прокариот. Этапы транскрипции у прокариот. Регуляция транскрипции у бактерий. Регуляция транскрипции в лактозном опероне. Регуляция транскрипции с помощью замены сигма фактора. Аттенюация в регуляции экспрессии триптофанового оперона E.coli. Особенности транскрипции у эукариот. Множественность и специализация РНК-полимераз эукариот. Экзоны и интроны. Цис-элементы транскрипции. Транс-факторы транскрипции. Понятие об энхансерах и инсуляторах. Образование инициаторного комплекса транскрипции с участием РНК-полимеразы II.
  • Процессинг мРНК эукариот
    Процессинг мРНК эукариот: кэпирование, полиаденилирование, сплайсинг. Химия сплайсинга. Сайты сплайсинга. Альтернативный сплайсинг. Типы альтернативного сплайсинга. Энхансеры и сайленсеры сплайсинга. Регуляция альтернативного сплайсинга (на примере гена tra D. melanogaster). Транспорт мРНК в цитоплазму. Пути деградации эукариотических мРНК. РНК-интерференция: механизм. siRNAs и miRNAs. Разрезание РНК и подавление трансляции с помощью siRNAs/miRNAs. Редактирование РНК. Типы редактирования РНК.
  • Трансляция
    Трансляция. Структура тРНК. Вырожденность кода. Аминоацил-тРНК-синтетазы. Качение кодонов (Wobble concept). Этапы трансляции: инициация, элонгация и терминация. Структура рибосом про- и эукариот. Основные отличия механизма трансляции у про- и эукариот. Трансляция у прокариот. Центры рибосом E.coli. Образование инициаторного комплекса трансляции у прокариот. Белковые факторы трансляции. Элонгация трансляции у прокариот. Транспептидация и транслокация. Роль EF-Tu, EF-Ts, EF-G. Терминация трансляции у прокариот. Отделение тРНК и мРНК (ribosome recycling). Инициация трансляции у эукариот. Модель Козак. IRES-элементы. Регуляции трансляции на этапе инициации у прокариот. Согласованный синтез рибосомных белков и рРНК у E.coli. Понятие о ядрышке. Механизмы контроля качества при трансляции: nonsence-mediated decay, non-stop-mediated decay, no-go-mediated decay.
  • Структура хроматина
    Структура хроматина. Эухроматин и гетерохроматин. Метафазная хромосома. Уровни компактизации ДНК эукариот. Общая характеристика гистонов. Модификация гистонов, гистоновый код. Взаимосвязь модификации гистонов со степенью компактизации хроматина. Роль хромо- и бромодоменов. Метилирование ДНК Взаимосвязь модификации гистонов со метилированием ДНК. CpG-сайты, CpG-острова. Гипермутабильность CpG сайтов.
  • Репликация ДНК и деление клетки.
    Деление клетки. Деление прокариотических и эукариотических клеток. Клеточный цикл эукариотических клеток. Митоз. Фазы митоза. Мейоз. Оплодотворение. Репликация ДНК. Основные принципы и механизмы репликации ДНК у про- и эукариот. Репликация ДНК прокариот. ДНК-полимеразы. Полимеризующая и экзонуклеазная активности. Механизмы, обеспечивающие точность работы ДНК-полимеразы. Активный сайт полимеразы. Пруфридинг-активность. Процессивность, фактор процессивности β (sliding clamp). 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. Особенности репликации ядерных ДНК эукариот. Ориджины репликации ДНК. Репликоны. Полирепликонность.
  • Мутагенез и репарация
    Мутагенез и репарация. Классификация типов мутаций. Причины возникновения мутаций. Гипермутабильность CpG сайтов. CpG-острова. Репарация неспаренных нуклеотидов (MMR). Взаимосвязь MMR и репликации у прокариот. Эксцизионная репарация нуклеотидов (NER). Репарация, сопряженная с транскрипцией (TCR). Эксцизионная репарация оснований (BER). Репарация двухцепочечных разрывов с помощью соединения концов (NHEJ).
  • Гомологичная и сайт-специфическая рекомбинация.
    Гомологичная рекомбинация. Стадии гомологичной рекомбинации. Структуры Холлидея и их разрешение. Модель гомологичной рекомбинации при двуцепочечном разрыве ДНК. Образование одноцепочечного конца: RecBCD и хи-сайты. Внедрение одноцепочечного конца: RecA. миграция ветви и разрешение структуры Холлидея: RuvABC. Гомологичная рекомбинация при мейозе. Генная конверсия. Репарация с помощью гомологичной рекомбинации. Сайт-специфическая рекомбинация. Классификация мобильных генетических элементов по механизму перемещения. Особенности организации ДНК-транспозонов. Механизмы интеграции ДНК-транспозонов в геном: репликативный и нерепликативный. Вирус иммунодефицита человека: структура провируса, белки, кодируемые вирусом. Особенности ретровирусоподобных (LTR-содержащих) ретротранспозонов. Механизм транспозиции ретровирусов и LTR – содержащих ретротранспозонов. Ретротранспозоны, не содержащие LTR (LINE и SINE элементы). Механизм транспозиции non-LTR транспозонов. Эффекты встройки мобильных элементов. Значение мобильных элементов в эволюции.
Элементы контроля

Элементы контроля

  • неблокирующий Контрольная работа 1
  • неблокирующий Контрольная работа 2
  • неблокирующий Работа на семинарах
Промежуточная аттестация

Промежуточная аттестация

  • Промежуточная аттестация (2 модуль)
    0,5(0,5 K1+0,5K2+C)+0,5Э, где K1 - контрольная 1; K2 - контрольная 2; С - бонус за работу на семинарах (max=2)
Список литературы

Список литературы

Рекомендуемая основная литература

  • Кольман Я., Рём К.-Г. - Наглядная биохимия - Издательство "Лаборатория знаний" (ранее "БИНОМ. Лаборатория знаний") - 2019 - ISBN: 978-5-00101-645-8 - Текст электронный // ЭБС Лань - URL: https://e.lanbook.com/book/121226

Рекомендуемая дополнительная литература

  • Author(s Harvey Lodish, Arnold Berk, Chris A. Kaiser, Monty Krieger, & Publisher W. H. Freeman. (2006). Text Book(s) Title Molecular Cell Biology. Retrieved from http://search.ebscohost.com/login.aspx?direct=true&site=eds-live&db=edsbas&AN=edsbas.701535BE
  • Epstein, C. J. (1971). The molecular biology of the gene. Retrieved from http://search.ebscohost.com/login.aspx?direct=true&site=eds-live&db=edsbas&AN=edsbas.623D0984
  • Glynn, L. E. (1966). The Molecular Biology of the Gene. Retrieved from http://search.ebscohost.com/login.aspx?direct=true&site=eds-live&db=edsbas&AN=edsbas.4DC97D87
  • Ходосовская, А. М. (2013). Введение в молекулярную биологию. № УД-757/25/р. ; Учебная программа учреждения высшего образования по учебной дисциплине для специальности: 1-31 01 01 Биология специализаций 1 - 31 01 01-01 25 Молекулярная биология и 1 - 31 01 01-02 25 Молекулярная биология. Retrieved from http://search.ebscohost.com/login.aspx?direct=true&site=eds-live&db=edsbas&AN=edsbas.DBC29BF0