«Циклические процессы в биологии»

«Циклическиепроцессывбиологии»
Доцент А.В.Киташов Курс читается на английском языке Программакурса
Колебания. Общие подходы к определению времени и процессов. Обратимость и необратимость процессов. Колебания: гармонические и агармонические, периодические и непериодические процессы. Повсеместная распространенность колебаний. Примеры колебаний в биологических и небиологических системах. Временная шкала скоростей физических и биологических процессов. Общее значение колебаний в физиологии. Значение колебаний в поддержании гомеостаза. Роль колебаний в организации жизненного и иных биологических циклов. Колебания и время. Биологические колебания. Биологическое время. Биологические таймеры и контрольные точки. Примеры контрольных точек в биологических системах. Сочетание действия колебаний и контрольных точек в сложной регуляции биологических процессов: клеточный цикл, фотосинтез. Подходы к описанию колебательных систем. Динамическая система. Фазовое пространство: оператор развития системы, закон развития системы. Аттрактор, бассейн аттрактора. Точечный аттрактор, странный аттрактор. Работа Э.Н.Лоренца: аттрактор Лоренца и история его изучения. «Эффект бабочки», его значение в биологии. Детерминистический и стохастических подходы к описанию биологических систем, их взаимодополняемость. Линейные и нелинейные системы, математические подходы к их моделированию. Причины нелинейности биологических систем. Приливы и отливы: возникновение жизни. Теории образования Луны. Влияние Луны на приливы и отливы на Земле в разные периоды истории Земли. Возможная роль приливов и отливов в эволюции реакции матричного синтеза на Земле и других планетах. Циркалунарные и циркатидальные циклы, примеры. Химические колебания. Закон действующих масс, элементарные химические реакции, ферментативные реакции, уравнение Михаэлиса‐Ментен. Аллостерические ферменты. Спонтанные колебания ферментативной активности: колебания АТФазной активности в растворах миозина. Когерентные колебания активности в растворах ферментов. Стохастические факторы в работе ферментативных систем. Реакция Б.П.Белоусова, реакция Белоусова‐Жаботинского, история открытия. Химический осциллятор и Второй закон термодинамики. Общий обзор механизма колебаний в реакции Белоусова‐
Жаботинского. Химические таймеры. Примеры искусственных химических и физико‐
химических осцилляторов. Жизненный цикл, старение и смерть. Работа Алексиса Карреля, его «бессмертная» клеточная культура, возможные объяснения полученных результатов. Работа Хейфлика, получение культуры WI‐38. Предел Хейфлика. Отто Гай и культура клеток 2 HeLa. История открытия теломеры и теломеразы. Работа В.М.Оловникова, Э.Блэкбёрн, К.Грейдер, Дж.Шостака. Проблема бессмертия многоклеточных организмов. Теории Вейсмана и Медавара. Антагонистический плейотропизм. Гликолитический осциллятор. Аллостерическая регуляция ключевого фермента гликолиза — фосфофруктокиназы АМФ и АДФ. Экспериментальное наблюдение работы гликолитического осциллятора у дрожжей in vivo и в модельных системах. Возможные механизмы синхронизации гликолитического осциллятора в культуре микроорганизмов, осуществляющих брожение по спиртовому пути. Система с двумя параметрами (субстрат и продукт): торможение субстратом и активация продуктом. Значение обратной связи в колебательных системах. Устойчивость двух‐ и многокомпонентных систем к стохастическим воздействиям. Внутриклеточные и межклеточные колебания концентрации кальция. История изучения, работы Сидни Рингера, Альберта Сент‐Дьёрди, Люиса Хейлбруна, В.А.Энгельгардта, открытие АТФазной активности миозина. Саркоплазматический ретикулум. Эффекторы и ингибиторы кальциевого канала. Инозитол‐1,4,5‐трифосфат как внутриклеточный медиатор, его универсальная роль и механизм действия. Рианодиновый рецептор. Межклеточные волны кальция и проблема синхронизации клеток в культуре и ткани. Электрические колебания в поджелудочной железе. Электрические колебания в нервной и мышечной ткани. Значение колебаний в организации сложного жизненного цикла амёбы Dictyostelium discoideum. История открытия организма Брефелдом, первоначальные сложности систематики. Асексуальный жизненный цикл. Псевдоплазмодий. Внешние факторы, влияющие на поведение слизевика: температура, спектральный состав света. Колебания концентрации цАМФ, механизм возникновения. Вспомогательные химические регуляторы: цГМФ, Ca2+, NH4+, STF. Влияние характеристик субстрата и скорости диффузии регуляторов. Внутрипопуляционный отбор и цАМФ. Подходы к моделированию жизненного цикла, достижения и ограничения. Принципы организации клеточного цикла прокариот на примере Caulobacter crescentus как представителя ‐подраздела протеобактерий. Удобство изучения, история исследования. Ассиметричное клеточное деление у бактерий, его примеры и роль. Хемотактическая роящаяся и стебельковая формы, их взаимные переходы и фазы клеточного цикла. Однократная и многократная репликация ДНК у прокариот на примере C. crescentus и Escherichia coli, значение для синхронизации клеточного цикла. Секвенирование полного генома C. crescentus и определение генов, участвующих в организации клеточного цикла. Стадии биосинтеза жгутика: гены классов I‐IV. Каскадные процессы. Фактор CtrA, его роль в биосинтезе белков жгутика. Гистидиновые киназы как регуляторы клеточных процессов. CtrA как посттранскрипционный активатор и репрессор, многоуровневая регуляция его действия: транскрипция, протеолиз, фосфорилирование. Синхронизация циклических процессов в культурах микроорганизмов. Децентрализованные системы и сетевое взаимодействие на примерах Pseudomonas 3 aeruginosa, Vibrio fischeri и E. coli. Бактериальные плёнки и маты как пример кооперативного взаимодействия микроорганизмов. Индивидуальное и коллективное принятие решений. Концепции quorum sensing, diffusion sensing, efficiency sensing, практическое значение. Принципы организации клеточного цикла эукариот. История изучения, присуждение Нобелевской премии Л.Хартвеллу, Т.Ханту и П.Нерсу в 2001 г. Значение координации основных процессов: репликации ДНК, расхождения хромосом, клеточного деления и клеточного роста. Многообразие механизмов организации клеточного цикла у эукариот. Система циклина и циклин‐зависимой киназы в клетках амфибий, механизм действия. Взаимодействие двух циклических систем. Роль взаимного ингибирования, возможность странного аттрактора. Общая оценка особенности организации клеточного цикла у дрожжей, иглокожих, млекопитающих. Фактор MPF. Маркировка убиквитином, «поцелуй смерти». Баланс активатора транскрипции p53 в клетке, его значение и последствия нарушения для клеточного цикла. Циклические колебания системы факторов p53/Mdm2. Цикл развития малярийного плазмодия и его взаимодействие с иммунной системой. Эволюционное положение Plasmodium falciparum и его жизненный цикл. Особенности ансамбля поверхностных маркёров эритроцитов, осложняющие борьбу с плазмодием. Характерная клиническая картина с циклическим течением болезни. Синхронизация популяции плазмодиев как стратегия снижения уязвимости к иммунным реакциям. Циркадные ритмы, их универсальное распространение и роль. История наблюдения и изучения. Критерии циркадных ритмов: температурная независимость, возможность перезапуска внешним стимулом, период близкий к 24 часам. Циркадный осциллятор цианобактерий: история открытия, физиологическое значение в разобщении процессов оксигенного фотосинтеза и азотфиксации. Возможные объяснения отклонений периода циркадных ритмов в большую или меньшую сторону. Транскрипционно‐трансляционная модель циркадного осциллятора у цианобактерий. Минимальная «биохимическая» модель циркадного осциллятора у Synechococcus elongatus, опыт реконструкции in vitro. Аналогия циркадных осцилляторов различных групп организмов: сходство архитектуры и различия в организации. Циркадный осциллятор у грибов на примере Neurospora crassa: механизм действия, важность ночной репликации ДНК. Обзор циркадных осцилляторов у растений (на примере Arabidopsis sp.), насекомых (на примере Drosophila melanogaster), млекопитающих. Механизм формирования сомитов у позвоночных животных. Обзор сегментации у разных групп животных (аннелид, членистоногих и пиявок, позвоночных). Взаимодействие градиента фактора FGF8 и циклической экспрессии генов. Модель «часов и волнового фронта» Кука и Зеемана. Система с отрицательной обратной связью с участием Notch‐рецепторов. Временная регуляция активации транскрипционного фактора NF‐κB. Роль транскрипционного фактора NF‐κB в инициации иммунного ответа, клеточном цикле, реакции на стресс и апоптозе, распространённость в животном мире. История открытия 4 Дэвидом Балтимором. Стимулы, регулирующие и активирующие NF‐κB. Толл‐подобные рецепторы. Семейство ингибиторов IκB. Регуляция NF‐κB как пример колебательной системы с множественной отрицательной обратной связью. Альтернативные возможности регуляции и влияния факторов p53 и NF‐κB на примере голого землекопа Heterocephalus glaber. План‐конспектлекций
Лекция 1.
Лекция 2.
Лекция 3.
Лекция 4.
Лекция 5.
Лекция 6.
Лекция 7.
Лекция 8.
Лекция 9.
Лекция 10.
Лекция 11.
Лекция 12.
Лекция 13.
Понятие времени, обратимого и необратимого, циклического процесса. Гармонические и агармонические, периодические колебания. Колебания в природе. Приливы и отливы, их возможная роль в возникновении жизни, в том числе, на Земле. Циркатидальные и циркалунарные ритмы. Алексис Каррель и его «перевиваемые» клеточные культуры. Работа Леонарда Хейфлика, культура WI‐38. Отто Гай и культура клеток HeLa. Предсказание и открытие теломеразы. Жизненный цикл и проблема бессмертия многоклеточного организма. Гипотезы биологического смысла старения и смерти. Динамические системы, закон развития системы. «Эффект бабочки», его значение в биологии. Подходы к описанию биологических систем. Химические колебания и таймеры. Временная шкала биологических процессов. Применение химической кинетики к описанию биологических процессов. Гликолитический осциллятор. Временные и пространственные колебания. Внутриклеточные колебания концентрации кальция. Электрические колебания в мозге, мышцах, секреторных клетках. Dictyostelium discoideum. Колебания концентрации цАМФ. Чувство кворума у микроорганизмов. Клеточный цикл прокариот. Клеточный цикл эукариот. Малярийный плазмодий. Циркадные ритмы у цианобактерий, растений и грибов. Циркадные ритмы у насекомых и позвоночных. Циклические процессы в эмбриогенезе. (совместно с мнс Ш.Ю.Хапчаевым) Циклические процессы в иммунном ответе. Литература
Вопросыдляпромежуточнойаттестации
1. Примеры колебаний в физиологии человека, животных и растений. 2. Примеры циркатидальных циклов. Степень устойчивости циклических процессов в отсутствие сигналов окружающей среды. 3. Опыты А.Карреля и Л.Хейфлика с клеточными линиями. Значение и критика. 4. История получения клеточной линии HeLa. 5 5. Реакция Б.П.Белоусова. Мнимое противоречие с II Законом Термодинамики. Интерпретация И.Пригожина. 6. Особенности химической кинетики ферментативных реакций как предпосылка нелинейности биологических систем. 7. Фосфофруктокиназа как ключевой регуляторный фермент гликолиза. 8. Методические подходы к изучению циклов в биологии клетки. 9. Циклины и циклин‐зависимые киназы. Эволюционная распространённость. Итоговыеконтрольныевопросы
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Понятие времени в биологии. Биологическое и физическое время. Обратимые и необратимые процессы. Периодические и непериодические процессы. Распространенность колебаний в природе. Порядок скоростей физических, химических процессов, биологических процессов в зависимости от уровня организации живого. 7. Биологический смысл колебательных процессов. 8. Колебательные процессы и гомеостаз. 9. Примеры биологических циклов. 10. Биологические таймеры и биологические контрольные точки. Примеры. 11. Работа Л.Хейфлика, история открытия предела Хейфлика. Теломераза и жизненный цикл. 12. Понятия динамической системы и фазового пространства. 13. Оператор и закон развития динамической системы. 14. Аттрактор, бассейн аттрактора. Виды аттракторов. 15. Работа Э.Н.Лоренца. Аттрактор Лоренца, «эффект бабочки», его смысл и значение в развитии науки. 16. Детерминистический и стохастический подходы к описанию биологических систем. 17. Линейные и нелинейные системы. Предпосылки нелинейности биологических систем. 18. Примеры спонтанных колебаний ферментативной активности in vitro, возможные причины этого явления. 19. Положительная и отрицательная обратная связь. Возникновение и поддержание колебаний. 20. Примеры химических таймеров и циклических реакций. 21. Реакция Б.П.Белоусова, история открытия. Работа А.М.Жаботинского. 22. Гликолитический осциллятор: механизм действия. 23. Гликолитический осциллятор: биологическое значение. 24. Работы В.А.Энгельгардта по открытию АТФазной активности миозина. 25. Кальциевый канал саркоплазматического ретикулума. Эффекторы и ингибиторы. Рианодиновый рецептор. 26. Инозитол‐1,4,5‐трифосфат как внутриклеточный медиатор, его универсальная роль и механизм действия. 27. Межклеточные волны кальция и проблема синхронизации клеток в культуре и ткани. 28. Жизненный цикл амёбы Dictyostelium discoideum. 6 29. цАМФ и его роль в регуляции жизненного цикла амёбы Dictyostelium discoideum. 30. Dictyostelium discoideum: внутрипопуляционный отбор и цАМФ. 31. Клеточный цикл бактерии Caulobacter crescentus. 32. Ассиметричное клеточное деление у бактерий, его примеры и роль. 33. Стадии биосинтеза жгутика у бактерии Caulobacter crescentus: гены классов I‐IV. Каскадные процессы. 34. Фактов CtrA как посттранскрипционный активатор, его регуляция. 35. Синхронизация циклических процессов в культурах микроорганизмов. Биологическое и хозяйственное значение. 36. Клеточный цикл эукариот. Разнообразие механизмов организации. 37. Система циклина и циклин‐зависимой киназы в клетках амфибий. Система двух циклов. 38. Убиквитин, фактор P53, фактор MPF в регуляции клеточного цикла. 39. Циклические колебания системы факторов p53/Mdm2. 40. Циркадные ритмы, их распространённость и биологическое значение. 41. Циркадный осциллятор цианобактерий на примере Synechococcus elongatus. История открытия. Физиологическая роль. 42. Циркадный осциллятор грибов на примере Neurospora crassa. 43. Циркадный осциллятор у растений на примере Arabidopsis sp. 44. Циркадный осциллятор у насекомых на примере Drosophila melanogaster. 45. Аналогия циркадных осцилляторов различных групп организмов: сходство архитектуры и различия в организации. 46. Циклические процессы в эмбриогенезе. 47. Временная регуляция активации транскрипционного фактора NF‐κB. 48. Циклические колебания системы факторов p53 и NF‐κB. 49. Альтернативные механизмы регуляции и влияния факторов p53 и NF‐κB на примере голого землекопа Heterocephalus glaber.