Tsitologia_10x

Ядреный аппарат
ДНК РНК белок.
Правильность и воспроизведение последовательности аминокислот в белках определяется
участком структуры молекулы ДНК, который в конечном счете и отвечает за синтез этого белка.
Информация о будущей белковой молекуле передается с места его хранения в место его синтеза
посредством иРНК. Нуклеотидный состав информационной РНК отражает состав и
последовательность нуклеотидов генного участка молекулы ДНК.
В рибосоме строится полипептидная цепь, последовательность аминокислот в которой
определяется последовательностью нуклеотидов в информационной РНК, т.е.
последовательностью ее триплетов. Тем самым, центральная догма молекулярной биологии
подчеркивает однонаправленность передачи информации только от ДНК к белку через
промежуточные звенья.
Главную роль в определении структуры белков принадлежит ДНК. ДНК имеет
ограниченную локализацию в клетке, а именно местом ее нахождения в эукариотических клетках
служит ядро. У прокариотических организмов, которые не имеют оформленного ядра, ДНК также
отделена от остальной части протоплазмы в виде нескольких компактных нуклеоидных
образований.
Молекула ДНК – длинная линейная структура, состоящая из двух антипараллельно
закрученных цепей, основными мономерами является 4 вида дезоксирибонуклеотидов.
Чередование и последовательность этих дезоксирибонуклеотидов в цепи уникальна и специфична
для каждого участка молекулы ДНК и для каждого вида. Различные достаточно длинные участки
молекулы ДНК ответственны за синтез разных белков, поэтому одна молекулы ДНК может
определить синтез большого числа функционально и химически различных белков. И за синтез
каждого белка отвечает определенный участок молекулы ДНК. Такой участок молекулы ДНК
часто обозначают термином цистрон.
В уникальной последовательности структуры гена заключена вся необходимая
информация о структуре белка. Основной принцип, который лежит в основе структуры ДНК – это
принцип комплементарности. Комплиментарными являются пары нуклеотидов А-Т; Г-Ц,
соединенные водородными связями. Сама по себе молекулы ДНК не является
самовоспроизводящейся молекулой. Для осуществления процесса репликации необходима
деятельность специального фермента, который называется ДНК-полимераза. Этот фермент
осуществляет последовательно идущий от одного конца молекулы ДНК к другому концу процесс
расхождения двух цепей с одновременной полимеризацией на них свободных нуклеотидов по
комплиментарному принципу. Одна из цепей молекулы ДНК служит матрицей, т.е. создает
порядок расположения нуклеотидов в синтезирующихся цепях.
Первым этапом является процесс транскрипции. В этом процессе на цепи ДНК как на
матрице происходит синтез химически родственного полимера РНК. Молекула РНК представляет
из себя одну цепь, мономерами которой являются четыре сорта рибонуклеотидов, которые
являются небольшой модификацией молекул дезокситрибонуклеотидов. Последовательность
расположение нуклеотидов в молекуле РНК в точности повторяет последовательность
расположения соответствующих дезоксирибонуклеотидов одной из цепей ДНК. Поэтому
информация, записанная в структуре гена целиком переписывается на информационную РНК.
И с каждого гена снимается неограниченно большое количество молекул информационной
РНК. Эти молекулы переносят информацию от места хранения к месту ее реализации.
Процесс транскрипции тоже является ферментативной реакции. Белок, который
осуществляет транскрипцию – фермент РНК-полимераза.
Поток аминокислот создается двадцатью видами различных сортов аминокислот. Для
создания синтеза белковой молекулы свободные аминокислоты, присутствующие в клетке,
должны быть вовлечены в поток вещества, поступающий в рибосому в соответствии с
определенным уникальным порядком последовательности, которую задает иРНК. Такое
вовлечение аминокислот, которые являются материалом для синтеза белка осуществляется через
присоединение свободных аминокислот к акцепторному концу транспортных РНК.
И центральным моментом процесса биосинтеза белка является слияние двух
внутриклеточных потоков: потока информации и потока материала в рибосоме. Рибосомы
являются местом реализации трансляции, т.е. перевода нуклеотидной последовательность
информации в аминокислотную последовательность молекулы белка. И в момент трансляции
принцип комплиментарности играет главную роль.
Молекулы иРНК, соединенные с рибосомой в каждый конкретный момент имеет лишь
определенный участок свой последовательности и только этот участок может взаимодействовать с
соответствующей молекулой тРНК.
Ядро, являющееся местом хранения этой информации, очень сложным образом разделяет
эти два явления. Процессы транскрипции отделяются от процессов трансляции отделяются
различными местами протекания этого всего. Поэтому поверхностный аппарат ядра не просто
определяет форму ядра, а разделяет два главных биологических процесса.
Функции ядра: хранение генетической инфомрации; обеспечение синтеза белка.
Ядерный аппарат прокариотических клеток носит название нуклеоид. Его относят к
собственно ядреным структурам, т.к. в нем находится молекула ДНК. Зона нуклеоида у прокариот
представлена тонкими рыхлими фибриллами, свободным и от каких-либо других структур.
Количество ДНК значительно меньше, чем у эукариошек и единицы измерения тоже достаточно
спицифичны.
Нуклеотид бактерий содержит 80% ДНК, а на остальные 20% приходятся рядом
расположенные белки и РНК.
Периметр ДНК кишечной палочки = 1,6мм(!)
Кольцевая молекула ДНК прокариот представляет из себя одну единицу репликации и
назвается репликоидом. Скорость репликации бактерий 30 мкм\мин.
Отличительной чертой ядерных структур прокариот является то, что синтез РНК и синтез
белка может происходить одновременно. Рибосомы связываются с еще не до конца
синтезированными молекулами иРНК и начинают производить на них синтез белка.
Тройственный союз (ДНК; РНК; рибосомы). У прокариотов процессы транскрипции и трансляции
не разобщены территориально.
Отличается процесс проведения ядерного материала не только при делении клетки, но и в
течение всего клеточного цикла. Деление всех типов клеток происходит только после удвоения
ДНК. У бактерий часто сам процесс разделения тела клетки цитотомия не связан с окончанием
синтеза ДНК, т.к. до наступления клеточного деления может начаться второй и даже третий цикл
репликации ДНК. В результате такого синтеза ДНК в быстрорастущих культурах
микроорганизмов на каждую разлелившуюся клетку приходится 1 кольцевая молекула ДНК на
промежуточных стадиях ее дальнейшего удвоения. Т.е. каждая дочерняя клетка сразу после
деления содержит уже частично реплицйированное ядро. При делении бактериальных клеток не
происходит конденсации ДНК в составе нуклеоида.
По мере роста клетки в длину зона нуклеоида после синтеза белка увеличивается, а затем
делится с помощью специального механизма, который предполагает обособление и разделение
дочерних хромосом за счет расхождения мест их укрепления в плазмолемме.
Термин ядро был применен Браунов в 1833 году. Под ним понимали любые шаровидные
структуры в клетках растений. На сегодня мы четко можем сформулировать особенности ядерного
аппарата эукариотических клеток:
1) Ядро эукариот отделено от гиалоплазмы специальной структурой, которая называется
поверхностный аппарат ядра.
2) Количество ДНК в ядрах эукариот в тысячи раз больше, чем в составе нуклеоидов
прокариотических клеток.
ДНК эукариот представляет собой сложный нуклеопротеидный комплекс, образующий
специальную структуру с названием хроматин, из которого состоят хромосомы.
4) В состав ядрен эукариот входит несколько физически не связанных хромосом, каждая из
которых содержит одну линуйную молекулу ДНК.
5) Каждая хромосомная ДНК представляет собой полирепликонную структуру, т.е. содержит
множество автономно реплицирующихся участков.
6) Синтез и образование транскриптов эукариотических клеток сопровождается процессами
вторичной их перестройки, включающей в себя как фрагментацию (процессинг), так и сращивание
отдельных фрагментов (сплайсинг).
7) Процессы синтеза ДНК и РНК разобщены от процессов синтеза белка.
Структуры ядерного аппарата:
1) Поверхностный аппарат ядра. Выполняет наисложнейшую барьерно-рецепторную,
транспортную и каркасную функции.
2) Хроматин – главный компонент ядра, в котором заложена генетическая информация.
3) Ядрышко – это хромосомный участок, место синтеза рибосомальных генов и образования
субчастиц рибосом.
4) Ядерный белковый матрикс – это не хроматиновый остов, который обеспечивает не только
пространственное расположение хромосом в ядре, но и участвует в реализации из активности.
5) Кариоплазма (ядреный сок) – это жидкая фаза клеточного ядра, в которой протекают процессы,
связанные с ядреным метаболизмом и внутриядерным транспортом РНК и белков
Хроматин. Термин предложен Флеменгом в 1880 году. По биохимическим
характеристикам хроматин имеет кислые свойства, которые связаны с тем, что в состав хроматина
входит ДНК в комплексе с белками. Белки подразделяются на два типа: гистоны; негистоновые
белки.
В среднем в хроматине около 40% приходится на ДНК, около 60% на белки. Гистоны от
этих 60% составляют практически 80%, а 20% - негистоновые.
Кроме того, в состав хроматиновой фракции входят мембранные компаненты – углеводы,
липиды, гликопротеины, РНК. Хроматин может находиться в двух альтернативных состояниях: в
деконденсированном, соответствующим интерфазе и конденсированным, т.е. максимально
уплотненным во время митоза. Хроматин интерфазных ядер представляет собой рыхлую
деконденсированную структуру, которая имеет разную степень этой разрыхленности. Когда
хромосома или ее участок полностью деконденсирован, такие зоны называют диффунзным
хроматином. Он характерен для интенсивно делящихся и мало специализированных клеток.
При неполном разрыхлении хромосом в составе интерфазного ядра видны участки
конденсированного хроматина. Это высоко специализированные клетки или клетки,
заканчивающие свой жизненный цикл, где хроматин вяглядит массивным темным
периферическим слоем, имеет крупные белки хромоценты. Чем более диффузен хроматин, тем
выше в нем идут синтетические процессы и наоборот.
Максимально конденсированный хроматин наблюдается во время митотического деления
клетки, когда он обнаруживается в виде хромосом. В это время хромосомы не несут никаких
синтетических нагрузок и такой конденсированный хроматин выполняет функцию
перераспределения генетического материала.
Исходя из этих наблюдений принято считать, что хроматин ядра находится в двух
структурно-функциональных состояниях: в рабочем, под которым понимают полную или
частичную деконденсацию хроматина, когда происходят процесы транскрипции и редупликации.
Или в нерабочем – в состоянити метаболического покоя при максимальной конденсации, когда
хроматин перераспределяется между клетками.
В 1930 году Гейцем было замечено, что при метаболизме клетки не все участки
конденсированного хроматина переходят в рыхлую зону. И было замечено, что в состоянии
метаболической активности не все участки диффузные. Недиффузные участки получили название
гетерохроматин, а остальная масса хроматина стала называться эухроматином.
По этим представления гетерохроматин – компактные участки хромосом, которые в
профазе появляются раньше других частей хромосом, а в телофазе – не деконденсируются. Они
переходят в интерфазное ядро в виде хромоцентров, сгустков хроматина. Такой гетерохроматин
принято называть конститутивным или постоянным.
Конститутивный гетерохроматин практически никогда не меняет своего
конденсированного состояния и формирует центромерные и кольцевые участки хромосом. Кроме
того, он находится в виде вставочного или интеркалярного гетерохроматина.
Участки конститутивного гетерохроматина обладают целым рядом особенностей:
1) Генетически конститутивный гетерохроматин не активен, т.е. он не транскрибируется.
Реплицируется он позже всего остального хроматина.
В его состав входит особая саттелитная ДНК, которая обогащена высоко повторяющимися
последовательностями нуклеотидов.
Гетерохроматин необходим клетке для:
1) Поддерживает общую структуру ядра;
2) Участвует в прикреплении хромосом к ядерной оболочке;
3) Играет роль разделителя между генами;
4) Является местом узнавания гомологичных хромосом при мейозе.
Вся остальная масса хроматина может менять степень своей компактизации или упаковки
и в зависимости от функциональной активности соответствует эухроматину или факультативному
гетерохроматину.
Примером гетерохроматина является Х-хромосома в организме человека. В клетках
мужской особи есть Х-хромосома. Она находится в деконденсированном состоянии. Значит,
активна, транскрибируется и морфологически ее найти сложно, потому что она в рыхлом
состоянии.
В клетках женского организма одна находится в активном диффузном состоянии, а вторая
– в неактивном. Она временно гетерохроматизирована и может существовать у женщин в течение
всей жизни. Но, попадая в виде гамет в клетки мужского организма она активируется,
деконденсируется и начинает выполнять свои функции. В дифференцированных клетках всего
лишь около 10% генов находится в активном состоянии, а остальные находятся во стоянии
факультативного гетерохроматина.
Представление о том, что митотические хромосомы после деления клеток превращаются в
хроматин интерфазного ядра и, что самое главное, не теряют своей целостности не распадаются на
фрагменты, а сохраняют свою физическую индивидуальность, переходя лишь в разрыхленное
диффузное состояние было вызказано еще ученым Говери в 1887 году.
Эти представления позднее оформились в теорию непрерывности хромосом: Хромосомы,
вошедшие в состав дочернего ядра в телофазе сохраняются в нем, хотя и в очень измененном
виде, в качестве индивидуальных структур и появляются снова в виде хромосом в следующей
профазе.
Первые исследование о порядке расположения хромосом внутри ядра принадлежат
ученому Раблю. В 1885 году, изучая профазные ядра растений, предположил, что внутри ядра
хромосомы повторяют свою анафазную ориентацию, т.е. их центромерные участки располагаются
на одном полюсе клетки ядра, а теломерные обращены к другому. При этом каждое плечо
хромосомы занимает определенную зону, объем которой никогда не заходит в объем соседних
хромосом.
Каждая из хромосом образует спиральную структуру, в которой находится 5 – 7 витков,
которая в нескольких местах взаимодействует с ядерной оболочкой. Эти места, которые фиксирую
хромосому, являются участками конститутивного хроматина.
В состав ДНК эукариот входит две фракции, которые восстанавливаются (процесс –
ренатурация) Восстановление исходной двухспиральной структуры молекул ДНК за счет
воссоединения ее комплиментарных цепей.
Выделяют фракцию с высокой скоростью и с медленной. При этом в составе фракции,
ренатурирующей с высокой скоростью, выделяют: 1) фракцию с высоко повторяющимися
последовательностями, где сходные участки ДНК повторяются до 106 раз. Это фракции сателитной
ДНК.
Вторая фракция с умеренно повторяющщейся последовательностью, которая повторяется в
геноме от 100 до 1000 раз. Саттелитная ДНК не участвует в синтезе основных типов РНК, не
связана с процессом синтеза белка. Полагают, что саттелитная ДНК несет информацию, которая
играет структурную роль в сохранении и функционировании хромосом.
Например, центромерная ДНК человека состоит из мономеров, в которые входят по 170
нуклеотидных пар. Мономеры в свою очередь образуют еще более крупные последовательности и
такие поселедовательности повторяются 1000 раз. С этой специфической центромерной ДНК
взаимодействуют особые белки, участвующие в образовании кинетохора – обязательной
структуры хромосом, обеспечивающей их связь с микротрубочками веретена деления и
определяющей расхождения хромосом в анафазе.
Во фракцию умеренно повторяющихся последовательностей входят гены рибосомных
ДНК, которые повторяются у разных видов от 100 до 1000 раз. Сюда же входят участки для
синтеза транспортных РНК, структурные гены, ответственные за синтез определенных белков, в
частности белков-гистонов. Такие последовательности повторяются до 400 раз. Количество ДНК
значительно колеблется в таксонах органической природы.
Среды высших растений количество ДНК может отличаться в сотни раз у разных видов. У
некоторых амфибий в ядрах ДНК больше, чем в ядрах человека в 10 раз.
Различие в количестве ДНК у разных таксонов связаны с неодинаковой долей тех или
иных фракций ДНК в ядре. У амфибий на долю повторяющийся последовательностей приходится
80% всей ДНК, у растений до 70%, а у рыб до 60%. Истинное же богатство генетической
информации отражает фракция уникальных последовательностей. В среднем, на интерфазное ядро
млекопитающих приходится около 2м ДНК. Поэтому огромная линейная молекулы ДНК
укладывается в 10мкм клетки определенным сложным образом и вещующую роль в этой укладке
молекулы в организации ее расположение компактизации и функциональной активности
принадлежит ядерным белкам. Ведущую роль среди ядерных белков играю белки-гистоны.
Основные белки хроматина – гистоны.
Гистоны связаны с ДНК в виде субъединиц нуклеосомы. Гистоны характерны только для
хроматина. Они обладают щелочными свойствами, которые определяются высоким содержанием
аминокислот лизина и аргенина. Положительные заряды на аминогруппах этих кислот
обуславливают солевую или электростатическую связь этих белков с отрицательными зарядами на
фосфатных группах молекулы ДНК.
Гистоны имеют сродство к молекуле ДНК. Но эта связь нестабильная, легко разрушается.
В этом случае может происходить диссоциация на свои составляющие структуры.
Хроматин, как сложный нуклеиново-белковый комплекс включает линейные высоко
полимерные молекулы ДНК и до 60000000 копий каждого типа гистонов на одно ядро.
Гистоны имеют относительно небольшую молекулярную массу. Они подразделяются на 5
групп: H1, H2a, H2b, H3, H4. У 3 и 4 большое количество аргенина и они наиболее консерватины
по отношению к другим. aи b – умеренно обогащенные лизином белки. У разных объектов внутри
группы образуются межвидовые вариации. Гистон H1 – уникальная молекула. Класс белков,
котоырй состоит из нескольких достаточно близкородственных белков. У этого гистона
обнаружены очень большеи межвидовые и межтканевые вариации. Наиболее вариабельным
участком имеется n-конец, который осуществляет связь с другими гистонами. И c-конец, богатый
лизином, который взаимодействует с ДНК. По количеству всех гистонов примерно одинаковое
количесво, кроме Н1, его примерно в 2 раза больше.
Для гистонов всех типов, а особенно для Н1 характерно кластерное распределение
основных аминокислот. Срединные участки гистонов образуют 3 – 4 спирали, которые
собираются в глобулу за счет положительно заряженных <…>
В процессе жизнедеятельности клеток с гистонами происходят модификации. Главными из
которых является ацетилирование и метилирование остатков лизина, что приводит к потере
положительного заряда.
Фосфолирированиесириновых остатков, которое приводит к появлению отрицательного
заряда.
Эти модификации гистонов существенно сказываются на фукциях белков и их
способностью взаимодействовать с молекулой ДНК. Так, например, повышенное ацетилирование
гистонов предшествует активации генов, а фосфолирирование или наоборот дефосфолирирование
связано с конденсацией или деконденсацией хроматина.
Все типы гистонов синтезируются в цитоплазме на рибосомах, транспортируются в ядро
через поровые комплексы и связываются с ДНК во время ее репликации в Sпериоде клеточного
цикла. Т.е синтез гистонов и синтез ДНК синхронизированы. При прекращения синтеза ДНК
гистоновые и РНК распадаются и соответственно их синтез прекращается
Включившись в состав хроматина, гистоны становятся очень стабильными, имеют низкую
скорость замены и примерно в течение 4 – 5 циклов клетки не выходят из состава.
Функции:
1) общее содержание гистонов регулирует уровень транскрипции.
2) количественное и качественное состояние гистонов влияет на степень компактности и
активности хроматина
3) гистоны выполняют структурную роль в организации хроматина.
В процессе упаковки ДНК проходит несколько уровней.