Организация наследственного материала в клетках про- и эукариот. Генетический аппарат человека Курский государственный медицинский университет Кафедра биологии, медицинской генетики и экологии Выполнила: студентка 1 курса лечебного факультета 7 группы Нетяга Екатерина Андреевна Курировал: ст.преп., к.б.н. Рыжаева В.Н. Курск 2012
Открытие ДНК и доказательства её генетической роли
Открытие ДНК Особое место в молекулярной биологии занимают нуклеиновые кислоты. Возникновение молекулярной биологии обязано работам по нуклеиновым кислотам. Исследования в области нуклеиновых кислот привели к созданию и бурному развитию ряда новых биологических дисциплин – молекулярной биологии, бионики, биокибернетики, вызвали мощный приток научных сил к исследованиям в биологии.[2]
Нуклеиновые кислоты были обнаружены Ф. Мишером в 1868 году в ядрах клеток гноя.[1]
Из остатков клеток, содержащихся в гное, он выделил вещество, в состав которого входят азот и фосфор. В начале новое вещество получило название нуклеин, а позже, когда Ф.Мишер определил, что это вещество обладает кислотными свойствами, вещество получило название нуклеиновая кислота. Биологическая функция новооткрытого вещества была неясна, и долгое время ДНК считалась запасником фосфора в организме. Более того, даже в начале XX века многие биологи считали, что ДНК не имеет никакого отношения к передаче информации, поскольку строение молекулы, по их мнению, было слишком однообразным и не могло содержать закодированную информацию. [4]
Постепенно было доказано, что именно ДНК, а не белки, как считалось раньше, является носителем генетической информации. Одно из первых решающих доказательств принесли эксперименты О. Эвери, Колина Мак-Леода и Маклин Мак-Карти (1944 г.) по трансформации бактерий. Им удалось показать, что за так называемую трансформацию (приобретение болезнетворных свойств безвредной культурой в результате добавления в неё мёртвых болезнетворных бактерий) отвечают выделенная из пневмококков ДНК. [4]
Эксперимент американских учёных Алфреда Херши и Марты Чейз (эксперимент Херши Чейз, 1952 г.) с помеченными радиоактивными изотопами белками и ДНК бактериофагов показали, что в заражённую клетку передаётся только нуклеиновая кислота фага, а новое поколение фага содержит такие же белки и нуклеиновую кислоту, как исходный фаг. [4] Алфред Дей Херши
Вплоть до 50-х годов XX века точное строение ДНК, как и способ передачи наследственной информации, оставалось неизвестным. Хотя и было доподлинно известно, что ДНК состоит из нескольких цепочек, состоящих из нуклеотидов, никто не знал точно, сколько этих цепочек и как они соединены. [4]
Модель Дж. Уотсона и Ф.Крика В 1953 году американский биофизик Дж. Уотсон и английский биофизик и генетик Ф. Крик предложили трёхмерную модель ДНК.[1]
Структура двойной спирали ДНК была предложена Френсисом Криком и Джеймсом Уотсоном в 1953 году на основании рентгеноструктурных данных, полученных Морисом Уилкинсом и Розалинд Франклин, и «правил Чаргаффа», согласно которым в каждой молекуле ДНК соблюдаются строгие соотношения, связывающие между собой количество азотистых оснований разных типов. Позже предложенная Уотсоном и Криком модель строения ДНК была доказана, а их работа отмечена Нобелевской премией по физиологии или медицине 1962 г. Среди лауреатов не было скончавшейся к тому времени от рака Розалинды Франклин, так как премия не присуждается посмертно. [4]
Морис Хьюг Фредерик Уилкинс (15 декабря октября 2004) биофизик, лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине 1962 года (совместно с Джеймсом Уотсоном и Фрэнсисом Криком) «за открытия, касающиеся молекулярной структуры нуклеиновых кислот и их значения для передачи информации в живой материи» [4] content/uploads/2012/11/Maurice_H_F_Wilkins-227x300.jpg
Розалинд Франклин (англ. Rosalind Franklin) (25 июля апреля 1958) английский биофизик и учёный-рентгенографии, занималась изучением структуры ДНК. Она известна в большей степени своей работой над получением рентгенограмм структуры ДНК. Сделанные ею снимки отличались особой чёткостью и, по некоторым сведениям, послужили основанием для выводов о структуре ДНК, сделанных и опубликованных впоследствии в журнале «Nature» работавшими в Кавендишской лаборатории Кембриджского университета Джеймсом Уотсоном и Фрэнсисом Криком.[4] wcrit1_03_03.jpg
Интересно, что в 1957 году американцы Александер Рич, Гэри Фелзенфелд и Дэйвид Дэйвис описали нуклеиновую кислоту, составленную тремя спиралями. А в годах Максим Давидович Франк-Каменецкий в Москве показал, как двухспиральная ДНК складывается, в так называемую H-форму, составленную уже не двумя, а тремя нитями ДНК. [4] Kamenetskii_1989.jpg/438px-M._D._Frank-Kamenetskii_1989.jpg
Химический состав и строение молекулы ДНК человека
Химический состав ДНК В 1944 году Освальд Теодор Эвери доказал, что ДНК представляет собой носитель генетической информации.[4]1944 году Avery jpg
Химический состав ДНК Исследования,направленные на выяснение химической природы наследственного материала, неопровержимо доказали, что материальным субстратом наследственности и изменчивости являются нуклеиновые кислоты.[1]
Химический состав ДНК Нуклеиновые кислоты- это полимеры, состоящие из мономеров. Мономерами являются нуклеотиды. Нуклеотиды включают: 1.сахар(пентозу) 2. фосфат 3. азотистое основание. [1]
Схема строения нуклеотида К первому атому углерода в молекуле пентозы С-1 присоединяется азотистое основание,а к пятому атому углерода С-5 с помощью эфирной связи – фосфат; у третьего атома углерода С-3 всегда имеется гидроксильная группа ОН.[1] (5)
Виды азотистых оснований Пуриновые: аденин (А) и гуанин (Г) Пиримидиновые: тимин (Т) и цитозин (Ц). [5]
Типы нуклеотидов В зависимости от вида входящего в состав нуклеотида сахара( пентоза), различают 2 типа нуклеиновых кислот- рибонуклеиновые кислоты(РНК),которые содержат рибозу, и дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК), содержащие дезоксирибозу. В последних на один атом кислорода меньше (-ОН-группа при одном из атомоыв углерода заменена у неё на атом –Н). [2]
Правило Чаргаффа Э. Чаргафф - известный американский биохимик. Содержание А=Т или А/Т=1 Содержание Г=Ц или Г/Ц=1 Значит, число пиримидиновых оснований(Ц и Т) равно числу пуриновых оснований (А и Г). [4]
Принципы соединения нуклеотидов в молекулу ДНК
Схема соединения нуклеотидов в полинуклеотидную цепь Соединение нуклеотидов в макромолекулу нуклеиновой кислоты происходит путём взаимодействия фосфата одного нуклеотида с гидроксилом другого так, что между ними устанавливается фосфодиэфирная связь. [1]
Схема полинуклеотидной цепи(стрелкой указано направление роста цепи) Остов цепи состоит из чередующихся молекул фосфата и сахара. К молекулам пентозы в положении С-1 присоединено одно из оснований. [1] png (с изменениями)
Структура ДНК Особенностью структурной организации ДНК является то, что её молекулы включают две полинуклеотидные цепи.[1]
Схема строения молекулы ДНК Цепи соединяются друг с другом водородными связями между их азотистыми основаниями по принципу комплиментарности. [1] /images-art/ADN/clip_image013.gif
Соединение по принципу комплиментарности Аденин одной цепи соединяется двумя водородными связями с тимином другой цепи. Между гуанином и цитозином образуются 3 водородные связи. [1] А-Ц-Т-Т- Г Т- Г-А-А-Ц
Соединение по принципу комплиментарности Такое соединение азотистых оснований обеспечивает прочную связь цепей, сохранение равного расстояния между ними.[1]
Антипараллельность Другой важной особенностью объединения двух полинуклеотидных цепей в молекуле ДНК является антипараллельность: 5-конец одной цепи соединяется с 3- концом другой, и наоборот.[1]
Пространственная модель молекулы ДНК Данные рентгеноструктурного анализа показали, что молекула ДНК, состоящая из 2 х цепей, образует спираль, закрученную вокруг собственной оси. Диаметр спирали составляет 2 нм, длина шага – 3,4 нм. В каждый виток входит 10 пар нуклеотидов.[1] ones/suplementos/salud/pruebas-de-adn/ esl- MX/Pruebas-de-ADN.jpg
Пространственные модели левозакрученной Z-формы(1) и правозакрученной B-формы(2) ДНК Чаще всего двойные спирали являются правозакрученными- при движении вверх вдоль оси спирали цепи поворачиваются вправо. Большинство молекул ДНК в растворе находится в правозакрученной В- форме (В-ДНК). [1] b/b1/A-DNA%2C_B-DNA_and_Z-DNA.png
Пространственные модели левозакрученной Z-формы(1) и правозакрученной B-формы(2) ДНК Однако встречаются также левозакрученные формы (Z-ДНК). Какое количество этой ДНК присутствует в клетках и каково её биологическое значение, пока не установлено.[1] DNA%2C_B-DNA_and_Z-DNA.png
Основные свойства ДНК как вещества наследственности и изменчивости 1. Самовоспроизведение наследственного материала. Репликация ДНК. 2. Химическая стабильность. 3.Репарация. 4. Способность изменения нуклеотидных последовательностей ДНК. [6]
Самовоспроизведение наследственного материала. Репликация ДНК. Одним из главных свойств материала наследственности является его способность к самокопированию – репликация. В процессе репликации на каждой полинуклеотидной цепи материнской молекулы ДНК синтезируется комплементарная ей цепь. В итоге из одной двойной спирали ДНК образуются две идентичные двойные спирали. Такой способ удвоения молекул, при котором каждая дочерняя молекула содержит одну материнскую и одну вновь синтезированную цепь называют полуконсервативным.[6] I
Химическая стабильность. По реакционной способности молекулы ДНК относятся к категории химически инертных веществ. При неправильном включении ДНК- полимеразой нуклеотида из числа имеющихся в ядерном соке нуклеозидтрифосфатов(АТФ, ТТФ, ГТФ, ЦТФ) в растущую дочернюю цепь включается механизм самокоррекции. Он осуществляется ДНК-полимеразой и заключается в отщеплении ошибочно включенного в цепь ДНК нуклеотида, не спаренного с матрицей.[6] II
Репарация. Несмотря на эффективность самокоррекции, в ходе репликации после удвоения ДНК в ней обнаруживаются ошибки. Которые также могут появляться под влиянием реакционноспособных соединений,под действием ультрафиолетового излучения.тогда включается механизм репарации- молекулярного восстановления исходной нуклеотидной последовательности. Искажение последовательности нуклеотидов обнаруживается специфическими ферментами.затем учасок вырезается и удаляется-такую репарацию называют эксцизионной,т.е. с вырезанием )или дорепликативной) Пострепликативная репарация осуществляется путем рекомбинации(обмена фрагментами)между двумя вновь образованными двойными спиралями ДНК. [6] III
Механизмы ауторепродукции ДНК Реплика́ция ДНК процесс синтеза дочерней молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты на матрице родительской молекулы ДНК. В ходе последующего деления материнской клетки каждая дочерняя клетка получает по одной копии молекулы ДНК, которая является идентичной ДНК исходной материнской клетки. Этот процесс обеспечивает точную передачу генетической информации из поколения в поколение. Репликацию ДНК осуществляет сложный ферментный комплекс, состоящий из 1520 различных белков, называемый реплисомой [4]
История изучения Каждая молекула ДНК состоит из одной цепи исходной родительской молекулы и одной вновь синтезированной цепи. Такой механизм репликации называется полуконсервативным. В настоящее время этот механизм считается доказанным благодаря опытам Мэтью Мезельсона и Франклина Сталя (1958 г.) Ранее существовали и две другие модели: «консервативная» в результате репликации образуется одна молекула ДНК, состоящая только из родительских цепей, и одна, состоящая только из дочерних цепей; «дисперсионная» все получившиеся в результате репликации молекулы ДНК состоят из цепей, одни участки которых вновь синтезированы, а другие взяты из родительской молекулы ДНК.[4]
Ферменты (хеликаза, топоизомераза) и ДНК- связывающие белки расплетают ДНК, удерживают матрицу в разведённом состоянии и вращают молекулу ДНК. Правильность репликации обеспечивается точным соответствием комплементарных пар оснований и активностью ДНК-полимеразы, способной распознать и исправить ошибку. Репликация у эукариот осуществляется несколькими разными ДНК- полимеразами. Далее происходит закручивание синтезированных молекул по принципу суперспирализации и дальнейшей компактизации ДНК. Синтез энергозатратный. Цепи молекулы ДНК расходятся, образуют репликационную вилку, и каждая из них становится матрицей, на которой синтезируется новая комплементарная цепь. В результате образуются две новые двуспиральные молекулы ДНК, идентичные родительской молекуле.[4]
Характеристики процесса репликации матричный последовательность синтезируемой цепи ДНК однозначно определяется последовательностью материнской цепи в соответствии с принципом комплементарности; полуконсервативный одна цепь молекулы ДНК, образовавшейся в результате репликации, является вновь синтезированной, а вторая материнской; идёт в направлении от 5-конца новой молекулы к 3- концу; полунепрерывный одна из цепей ДНК синтезируется непрерывно, а вторая в виде набора отдельных коротких фрагментов (фрагментов Оказаки); начинается с определённых участков ДНК, которые называются сайтами инициации репликации. [4]
Понятие о гене с молекулярной точки зрения. Свойства гена. 1. Kод триплетен 2. Kод вырожден 3. Kод однозначен 4. Mежду генами имеются «знаки препинания» 5. Bнутри гена нет знаков препинания. 6. Kод универсален. [7]
1. Код триплетен В состав РНК входят 4 нуклеотида: А, Г, Ц, У. Если бы мы пытались обозначить одну аминокислоту одним нуклеотидом, то 16 из 20 аминокислот остались бы не зашифрованы. Двухбуквенный код позволил бы зашифровать 16 аминокислот (из 4 х нуклеотидов можно составить 16 различных комбинаций в каждой из которых имеется 2 нуклеотида). Природа создала трёхбуквенный код, триплетный. [7]
2. Код вырожден. Это означает,что каждая аминокислота шифруется более чем одним кодоном (от двух до шести). Исключение составляют аминокислоты метионин и триптофан, каждая из которых кодируется только одним триплетом. [7]
3. Код однозначен. Каждый кодон шифрует только одну аминокислоту. У всех здоровых людей в гене, несущем информацию о В-цепи гемоглобина,триплет ГАА или ГАГ, стоящий на шестом месте, кодирует глутаминовую кислоту. У больных серповидно-клеточной анемией второй нуклеотид в этом триплете заменен на У. [7]
4. Между генами имеются «знаки препинания» В печатном тексте в конце каждой фразы стоит точка. Несколько связанных по смыслу фраз составляют абзац. На языке генетической информации таким абзацем является оперон и комплементарная ему и-РНК. Каждый ген в опероне кодирует одну полипептидную цепочку-фразу. Так как в ряде случаев по матрице и- РНК последовательно создается несколько разных полипептидных цепей, они должны быть отделены друг от друга. Для этого в генетическом коде имеются три специальных триплета – УАА,УАГ,УГА, каждый из которых обозначает прекращение синтеза одной полипептидной цепи. Таким образом,эти триплеты выполняют функцию знаков препинания и находятся в конце каждого гена. [7]
5. Внутри гена нет «знаков препинания». Поскольку генетический код подобен языку, разберем это свойство на примере такой составленной из триплетов фразы: жил был кот тих был сер мил мне тот кот. Смысл написанного понятен, несмотря на отсутствие в нем знаков препинания. Если же мы уберем в первом слове одну букву (один нуклеотид в гене), но читать будем также тройками букв, то получится бессмыслица: илб ылк отт ихб ылс ерм нет отк от. Нарушение смысла возникает и при выпадении одного или двух нуклеотидов из гена. Белок, который будет считываться с такого «испорченного» гена, не будет иметь ничего общего с тем белком, который кодируется нормальным геном. [7]
6. Код универсален. Генетический код един для всех живущих на Земле существ. У бактерий и грибов, пшеницы и хлопка, рыб и червей, лягушки и человека одни и те же триплеты кодируют одни и те же аминокислоты.[7]
Структура гена прокариот
Геном современных прокариотических клеток характеризуется относительно небольшими размерами. У кишечной палочки (E. coli) он представлен кольцевой молекулой ДНК длиной около 1 мм, которая содержит 4*10 6 пар нуклеотидов, образующих около 4000 генов. Oсновная масса ДНК прокариот (около 95%) активно транскрибируется в каждый данный момент времени. Как было сказано выше, геном прокариотической клетки организован в виде нуклеотида – комплекса ДНК с негистоновыми белками.[2] rackc dn.com/7895/fmicb HTML/image_m/fmicb g004.jpg
Характеризуя наследственный материал прокариотической клетки в целом, необходимо отметить, что он заключен не только в нуклеоиде, но также присутствует в цитоплазме в виде небольших кольцевых фрагментов ДНУ- плазмид.[2]
Плазмиды - это широко распространенные в живых клетках внехромосомные генетические элементы, способные существовать и размножаться в клетке автономно от геномной ДНК. Описаны плазмиды, которые реплецируются не автономно, а только в составе геномной ДНК, в которую они включаются в определенных участках. В этом случае их называют эписомами.[2]
В прокариотических (бактериальных) клетках обнаружены плазмиды, которые несут наследственный материал, определяющий такие свойства, как способность бактерии к конъюгации, а также их устойчивость к некоторым лекарственным веществам.[2] rces/ Bacteria-mating-or-conjugation- plasmid-transfer.jpg
Особенности структурной организации генов эукариот
У эукариот объем наследственного материала значительно больше. У дрожжей он составляет 2,3*10 7 пар нуклеотидов, у человека общая длина ДНК в диплоидном хромосомном наборе клеток - около 174 см. Его геном содержит 3*10 9 пар нуклеотидов и включает по последним данным тыс. генов.[2]
У некоторых амфибий и растений геном характеризуется еще большими размерами, достигающими и п.н. В отличие от прокариот в эукариотических клетках одновременно активно транскрибируются от 1 до 10% ДНК. Состав транскрибируемых последовательностей и их количество зависят от типа клетки и стадии онтогенеза. Значительная часть нуклеотидных последовательностей у эукариот не транскрибируется вообще- молчащая ДНК.[2]
Большой объем наследственного материала эукариот объясняется существованием в нем помимо уникальных также умеренно и высоко повторяющихся последовательностей. Так, около 10% генома мыши составляют тандемно расположенные (друг за другом) короткие нуклеотидные последовательности, повторённые до 10 6 раз. [2] /845/ _ jpg
Эти высоко повторяющиеся последовательности ДНК располагаются в основном в гетерохроматине, окружающем центромерные участки. Они не транскрибируются. Около 20% генома мыши образована умеренными повторами, встречающимися с частотой раз. Такие повторы распределены по всему геному и транскрибируются в РНК. К ним относятся гены, контролирующие синтез гистонов, Трнк, Ррнк и некоторые другие. Остальные 78% генома мыши представлены уникальными нуклеотидными последовательностями. У растений и амфибий на долю умеренно и высоко повторяющихся последовательностей приходится до 60% генома.[2]
Избыточность генома эукариот объясняется также экзон - интронной организацией большинства эукариотических генов, при котрой значительная часть транскрибированной РНК удаляется в ходе следующего за синтезом процессинга и не используется для кодирования аминокислотных последовательностей белков.[2]
В настоящее время до конца не выяснены функции молчащей ДНК, которая составляет значительную часть генома, реплицируется, но не транскрибируется. Высказывают предположения об определенном значении такой ДНК в обеспечении структурной организации хроматина. Некоторая часть нетранскрибируемых нуклеотидных последовательностей, очевидно, участвует в регуляции экспрессии генов.[2]
В эукариотических клетках внехромосомная ДНК представлена генетическим аппаратом органелл- митохондрий и пластид, а также нуклеотидными последовательностями, не являющимися жизненно необходимыми для клетки (вирусоподобными частицами). Наследственный материал органелл находится в их матриксе в виде нескольких копий кольцевых молекул ДНК, не связанных с гистонами. В митохондриях, например содержится от 2 до 10 копий мтДНК.[2] content/uploads/2009/07/image-1331thumbnail.jpg
Внехромосомная ДНК составляет лишь небольшую часть наследственного материала эукариотической клетки. Например, мтДНК человека содержит п.н. и на её долю приходится менее 1% всей клеточной ДНК. Совокупность генов, расположенных в цитоплазматических молекулах ДНК, называют плазмоном. Он определяет особый тип наследования признаков - цитоплазматическое наследование.[2]
Функциональная классификация генов По функциональному значению различают: структурные гены, характеризующиеся уникальными последовательностями нуклеотидов, кодирующих свои белковые продукты, которые можно идентифицировать с помощью мутаций, нарушающих функцию белка, и регуляторные гены - последовательности нуклеотидов, не кодирующие специфические белки, а осуществляющие регуляцию действия гена (ингибирование, повышение активности и др.).
Уровни организации наследственного материала у эукариот.
Компактизация ДНК Молекулы ДНК, содержащиеся во всех хромосомах одной клетки человека, имеют общую длину около 2 метров. Это в среднем в миллион раз больше, чем диаметр клеточного ядра, составляющий порядка микрометра. Для того чтобы наследственное вещество поместилось в ядре происходит принудительная компактизация ДНК.[3]
Первичная структура Под первичной структурой понимают число и последовательность нуклеотидов, соединённых друг с другом фосфодиэфирными связями в полинуклеотидные цепи.[2] jpg (с изменениями)
Вторичная структура Представляет собой две комплиметарные друг другу и антипараллельные полинуклеотидные цепи, соединенные водородными связями.[1] изменениями)
Третичная структура Представляет собой трёхмерную спираль,поддевжи ваемую тремя видами связи: водородными,ион ными и дисульфидными. [2] 8/81/ADN_animation.gif
Организация хроматина Сохраняя преемственность в ряду клеточных поколений, хроматин в зависимости от периода и фазы клеточного цикла меняет свою организацию. В интерфазе при световой микроскопии он выявляется в виде глыбок, рассеянных в нуклеоплазме ядра. При переходе клетки к митозу, особенно в метафазе, хроматин приобретает вид хорошо различимых отдельно интенсивно окрашенных телец- хромосом. [1]
Последовательные уровни компактизации хроматина Наиболее распространенной является точка зрения, согласно которой хроматин (хромосома) представляет собой спирализованную нить. Выделяется несколько уровней спирализации (компактизации) хроматина.[1]
Нуклеосомная нить Этот уровень организации обеспечивается четырьмя видами нуклеосомных гистонов:Н2А,Н2В, Н3,Н4. Они образуют напоминающие по форме шайбу белковые тела- коры, состоящие из 8 ми молекул. [1]
Нуклеосомная нить Молекула ДНК комплексируется с белковыми корами, спирально накручиваясь на них. Свободные от контакта участки ДНК называют линкерными (связующими). Отрезок молекулы ДНК длиной около 200 п.н. вместе с белковым кором составляют нуклеосому. [1]
Хроматиновая фибрилла Гистон HI,соединяясь с линкерной ДНК и двумя соседними белковыми телами, сближает их друг с другом. В результате образуется более компактная структура, построенная, возможно, по типу соленоида. Такая хроматиновая фибрилла, называемая также элементарной, имеет диаметр нм.[1]
Интерфазная хромонема Этот уровень организации обусловлен укладкой хроматиновой фибриллы в петли. В их образовании участвуют негистоновые белки. Эти белки сближают участки с образованием петель. [1]
Структурные блоки в организации хроматина Отдельные участки подвергаются дальнейшей компактизации в структурные блоки. [1] coolpic А-петельная структура хроматина; Б-дальнейшая конденсация хроматиновых петель, В-объединение петель, имеющих сходную структуру. [1]
Организация наследственного материала в хромосомах человека
Виды хроматина Неодинаковая компактизация разных участков хромосом имеет большое функциональное значение. В зависимости от состояния хроматина выделяют эухроматиновые и гетерохроматиновые участки.[1]
Виды хроматина Эухроматиновые –участки хромосом, отличающиеся меньшей плотностью упаковки в неделящихся клетках и потенциально транскрибируем ые. Гетерохроматиновые- характеризующиеся компактной организацией и генетической инертностью. Различают конститутивный(струк турный) и факультативный гетерохроматин.[1]
Виды гетерохроматина Конститутивный Содержится в: Околоцентромерных участках Теломерных участках всех хромосом На протяжении некоторых внутренних фрагментов всех хромосом. Образован только нетранскрибируемой ДНК Роль заключается в : Поддержании общей структуры ядра Прикрепления хроматина к ядерной оболочке взаимном узнавании гомологичных хромосом в мейозе Разделении соседних структурных генов, Участии в процессах регуляции их активности.[1]
Виды гетерохроматина Факультативный Пример - тельце полового хроматина. Образуется в норме в клетках организмов гомогаметного пола(у человека женский является гомогаметным)в одной из двух Х- хромосом. Гены этой хромосомы не транскрибируются. [1]
Структура клеточного ядра
Ядра имеются у всех эукариотических клетка, за исключением зрелых члеников ситовидных трубок флоэмы и зрелых эритроцитов млекопитающих. У некоторых простистов имеется 2 ядра - микронуклеус и макронуклеус.[2] ch?p=1&text=%D1%8D%D1%83% D0%BA%D0%B0%D1%80%D0%B 8%D0%BE%D1%82%D0%B8%D1 %87%D0%B5%D1%81%D0%BA% D0%B0%D1%8F%20%D0%BA%D 0%BB%D0%B5%D1%82%D0%BA %D0%B0&pos=43&uinfo=sw sh-865-fw-1038-fh-598-pd- 1&rpt=simage&img_url=http%3A %2F%2F4.bp.blogspot.com%2F- c40bv0dtR8M%2FTbFN09PkhRI% 2FAAAAAAAAAAg%2FjV0KH2PU l20%2Fs1600%2Fcell.gif
Клеточные ядра самые крупные из всех органелл и поэтому первыми бросаются в глаза. По этой причине они были первыми описаны в ранних исследованиях со световым микроскопом.[2]
Ядро необходимо для жизни клетки, поскольку именно оно регулирует всю её активность. Связано это с тем, что ядро несет в себе генетическую(наследственную) информацию, заключенную в ДНК. ДНК обладает способностью к репликации причем её репликация предшествует делению ядра, так что дочерние ядра тоже получают ДНК. Деление ядра в свою очередь предшествует клеточному делению, благодаря чему и у всех дочерних клеток имеются ядра.[2] Деление ядра в клетке. Электронный микроскоп. arsed/news/2010/04/186514/0.jpg
Ядро окружено ядерной оболочкой и содержит хроматин, ядрышко (или несколько ядрышек) и нуклеоплазму.[2]
Содержимое ядра представляет собой гелеобразный матрикс, называемый нуклеоплазмой или ядерным соком, в котором располагаются хроматин и одно или несколько ядрышек. Нуклеоплазма содержит различные химические вещества, такие, как ионы, белки (в том числе ферменты) и нуклеотиды либо в виде истинного, либо в виде коллоидного раствора.[2]
Хроматин состоит из многих витков ДНК, присоединенных к гистонам- белкам основной природы. Гистоны и ДНК объединены в структуры, по виду напоминающие бусины; их называют нуклеосомами.[2]
Во время деления ядра, находящийся там хроматин окрашивается темнее. Это объясняется его конденсацией- образованием более туго скрученных (спирализованных) нитей, которые называются хромосомами. В интерфазе хроматин переходит в более диспергированное состояние. Часть его, однако, остается плотно спирализованной и по-прежнему интенсивно окрашивается. Эту часть называют гетерохроматином. Гетерохроматин имеет вид темных пятен, обычно располагающихся ближе к оболочке ядра. Остальной, более рыхло спирализованный хроматин, локализующийся ближе к центру ядра, называется эухроматином.[2]
Ядрышко-это находящаяся внутри ядра хорошо заметная округлая структура, в которой происходит синтез рибосомной РНК. В ядре моет быть одно или несколько ядрышек. Ядрышко интенсивно окрашивается, потому что оно содержит большое количество ДНК и РНК. B ядрышке имеется особая область - плотная, с фибриллярной консистенцией - в которой располагаются рядом участки нескольких различных хромосом. Такие участки ДНК называют ядрышковыми организаторами; в них содержится большое число копий генов кодирующих рибосомную РНК. В профазе(ранней стадии клеточного деления) материал ядрышка диспергируется, и оно становится невидимым, а во время телофазы(окончание клеточного деления) под влиянием организаторов вновь возникают ядрышки. [2]
Центральную область ядрышка окружает менее плотная периферическая область,mсодержащая гранулы, где начинается свертывание рибосомной РНК и где идет сборка рибосом. Завершается эта сборка в цитоплазме. Между гранулами видны рыхло упакованные фибриллы хроматина. [2]
Особенности строения ядерной оболочки. Её функции.
В световом микроскопе мембрана, окружающая ядро, представляется одинарной, поэтому в своё время её называли ядерной мембраной. Позже, однако, выяснилось, что это - ядерная оболочка, состоящая из двух мембран. Наружная переходит непосредственно в эндоплазматический ретикулум, и подобно ему может быть усеяна рибосомами, в которых идет синтез белка. [2]
Ядерная оболочка пронизана ядерными порами. Они особенно заметны на препаратах, полученных методом замораживания - травления. через ядерные поры происходит обмен различными веществами между ядром и цитоплазмой, например выход в цитоплазму матричной РНК (мРНК) и рибосомных субчастиц или поступление в ядро рибосомных белков, нуклеотидов и молекул, регулирующих активность ДНК. Поры имеют определенную структуру, представляющую собой результат слияния наружной и внутренней мембран ядерной оболочки. Эта структура регулирует прохождение молекул через пору. [2]
Уровни упаковки наследственного материала при подготовке клеток к делению. ДНК Нуклеосомная нить Элементарная хроматиновая фибрилла Интерфазная хромонема Метафазная хроматида [6]
Виды белков, принимающих участие в структурной организации хромосом. Гистоны представлены пятью главными фракциями и выполняют структурную и регуляторную роль. Число фракций негистоновых белков превышает 100. Среди них ферменты синтеза и процессинга РНК, редупликации и репарации ДНК. Кислые белки хромосом выполняют также структурную и регуляторную роль. РНК хромосом представлена отчасти продуктами транскрипции, еще не покинувшими место синтеза. Некоторым фракциям свойственна регуляторная функция. Регуляторная функция компонентов хромосом заключается в «запрещении» или «разрешении» считывания информации с молекулы ДНК. [2]
Уникальные нуклеотидные последовательности В ДНК обнаружены уникальные нуклеотидные последовательности, представленные в геноме в единственном экземпляре. Повторяющиеся последовательности: 3% ДНК - короткие повторы 5% - длинные. Среди повторяющихся есть тандемные повторы. Это когда соответствующие участки ДНК следуют друг за другом по типу «голова-хвост». И диспергированные повторы –когда участки-повторы разбросаны по геному.[6]
Нуклеотидные последовательности В зависимости от числа копий имеются: Высокоповторяющиеся (от десятков или сотен тысяч до миллионов копий); Среднеповторяющиеся (тысячи и десятки тысяч копий); Слабоповторяющиеся (единицы, десятки или сотни копий) последовательности.[6]
Морфология метафазной хромосомы
Метафазная хромосома Вступление клетки из интерфазы в митоз сопровождается суперкомпактизацией хроматина. Отдельные хромосомы становятся хорошо различимы. Этот процесс начинается в профазе, достигая своего максимального выражения в метафазе митоза и анафазе.[1]
Строение метафазной хромосомы o1-хроматида o2-центромера o3-короткое плечо o4-длинное плечо[4]
Функции хромосом Хромосомы во взаимодействии с внехромосомными механизмами обеспечивают: 1. хранение наследственной информации; 2. использование этой информации для воспроизводства и поддержания клеточной организации и функций; 3. регуляцию считывания(транскрипция) наследственной информации; 4. удвоение (репликация, самокопирование) генетического материала материнских клеток перед клеточным делением; 5. Передачу этого [1]
Кариотип человека
Определение кариотипа Кариотип- диплоидный набор хромосом, свойственный соматическим клеткам организмов данного вида, являющийся видоспецифическим признаком и характеризующийся определённым числом, строением и генетическим составом хромосом.[6]
Кариотип человека ДНК генома человека насчитывает 3,2 х 10 9 п.н. на долю смысловых(кодирующих, структурных)нуклеотидных последовательностей. Для полипептидов в нём приходится 1,2% ДНК. Если присовокупить смысловые последовательности для нетранслируемых в полипептиды РНК- рибосомных, транспортных и тд., то суммарное количество ДНК, выполняющее биоинформационно- генетическую функцию непосредственно, в геноме человека составляет порядка 3%.[6]
Изучение кариотипа В 1956 г. шведские ученые Дж. Тио и А. Леван убедительно доказали, что число хромосом во всех клетках человека, кроме половых, равно 46. Этот набор хромосом называют диплоидным (парным). В половых клетках человека хромосом вдвое меньше -23, т.е. эти клетки гаплоидны. При оплодотворении диплоидность восстанавливается. (
Классификация хромосом
Основы существующей унифицированной классификации хромосом были заложены в 1960 году в Денвере. В основу классификации положены различия в длине хромосом и расположении центромеры. На основании различий в длине выделены 23 пары хромосом, при этом парам, имеющим наибольшую длину, дан наименьший номер. Выделяют группы метацентрических, субметацентрических и акроцентрических хромосом. Отнесение хромосом к тому или иному типу производится на основе расчета центромерного индекса - отношения длины короткого плеча к длине всей хромосомы. (
Классификация хромосом В группе метацентрических хромосом короткое и длинное плечи приблизительно равны, и центромерный индекс приближается к 0,5. В субметацентрических хромосомах центромерный индекс снижен и составляет от 0,25 до 0,35. В акроцентрических хромосомах он часто не превышает 0,2. (
Классификация хромосом а метацентрическая (равноплечая) хромосома; б субметацентрическая (неравноплечая) хромосома; в акроцентрическая (неравноплечая) хромосома; г хромосома, имеющая вторичную перетяжку; т теломера; ц центромера; яор ядрышкообразующий район. ( html
Классификация хромосом Группа А включает хромосомы 1, 2, 3, причем хромосомы 1 и 3 - метацентрики (центромерный индекс первой хромосомы равен 0,48-0,49, третьей- 0,45-0,46), а хромосома 2- самый большой субметацентрик (с центромерным индексом 0,38-0,40). [3]
Группа В состоит из двух хромосом - 4 и 5. Это большие субметацентрические хромосомы с центромерным индексом от 0,24 до 0,30. [3] png Классификация хромосом
Группа С включает семь аутосом(с 6 по 12)и половую Х-хромосому. Это метацентрические и субметацентрические хромосомы среднего размера (0,28-0,43). [3] png Классификация хромосом
Группа D включает три акроцентрические хромосомы среднего размера: 13, 14 и 15. Их центромерный индекс не превышает 0,15 и является наименьшим в кариотипе человека. Для хромосом этой группы характерна значительная межиндивидуальная вариабельность и наличие спутников на коротких плечах.[3] 5/503805_html_m19ba6ad3. png Классификация хромосом
Группа Е также включает три хромосомы с 16 по 18. Это относительно короткие метацентрики и субметацентрики, с центромерным индексом 0,26- 0,40.[3] png Классификация хромосом
Группа F состоит из двух небольших метацентрических хромосом (19 и 20) с центромерным индексом 0,36-0,46.[3] png Классификация хромосом
Группа С состоит из двух аутосом (21 и 22) и Y-хромосомы. Эти хромосомы имеют небольшой размер и относятся к акроцентрическим с центромерным индексом в пределах 0,13-0,33. Для аутосом этой группы характерно наличие спутников на коротких плечах. [3] png Классификация хромосом
В настоящее время Денверская номенклатура постепенно вытесняется более детальной классификацией, основанной на результатах исследования хромосом молекулярно-онтогенетическим и методами.[3] Классификация хромосом
Локализация генов в хромосомах
Расположение кодирующих генов Кодирующие гены расположены по длине хромосом блоками, между которыми находятся протяжённые участки некодирующей межгенной ДНК. От участков «избыточной» ДНК гены отделены «монотонными» последовательностями из Г-Ц пар по 30 тыс.п.н. длиной.[6]
Сателлитная ДНК Она представлена множеством копий коротких нуклеотидных фрагментов. Выделяют микросателлитные (длина повторяющегося фрагмета 1-4 п.н.) и минисаттелитные (длина 4-6 п.н.). У человека повторяющиеся единицы теломерной ДНК имеют состав: ТТАГГГ. [6]
Кластеры генов Возникновение их связано с неоднократной дупликацией предковой нуклеотидной последовательности в процессе эволюции. [6]
Диспергированные повторы Образуют несколько семейств: Короткие или SINE(англ.Short Interspersed Nucleotide Elements) повторы. Представителем этого семейства является Alu-повтор(300 п.н., высокоповторяющаяся последовательность с числом копий у человека на геном. Alu- повтор встречается в интронах, межгенной и сеателлитной ДНК). [6]
Длинные или LINE (Long Interspersed Nucleotide Elements)повторов(не более 6-7 тыс. п.н.) Отдельные члены семейства различаются последовательностью нуклеотидов. Это среднеповторяющиеся последовательности с числом копий у человека на геном. К LINE повторам относятся ретротранспозоны (МГЭ или «прыгающие» генетические элементы), в структуре которых имеется ген обратной транскриптазы.[6] Диспергированные повторы
Нуклеотидные повторы Обнаруживаются в кодирующей ДНК. Пример-особенность альфа 2-пептида коллагена 1 типа (кожа, сухожилия, кости, строма внутренних органов). Это повтор из аминокислот пролина, оксипролина и глицина, которым соответствуют повторы соответствующих кодонов в экзонах коллагенового гена Colla 1. Благодаря названным аминокислотным повторам достигается плотная «упаковка» пептидов в коллагеновых волокнах.[6]
Однонуклеотидные замены Будучи распространёнными (встречаются через каждые 1-2 тыс. п.н., в геноме человека их 3,3 на 106). Они играют важную роль в наследственном полиморфизме людей. Примерно половина (1.5 на 106) нуклеотидных замен в геноме человека приходится на экспрессируемую часть генома. Их индефикация используется в целях картирования генов на хромосомах, молекулярной диагностики наследственных болезней, изучения генетической предрасположенности к мультифакториальным болезням.[6]
Список литературы 1.Биология. В 2 кн. Кн. 1: Учеб. Для медиц. Спец. вузов / Б 63 В.Н.Ярыгин, В.И. Васильева, И.Н. Волков, В.В. Синельщикова; Под ред.В.Н.Ярыгина.-7-е изд.,стер.-М.:Высш.шк., с.:ил. 2.Биология: В 3-х т. Т.3: Пер. с англ./Под ред. Р.Сопера.-2-е изд.,стереотипное.- М.: Мир, – 376 с., ил. 3. Тарантул В.З. Геном человека: энциклопедия, написанная четырьмя буквами. – М.: Языки славянской культуры, – 392 с. 4. ru.wikipedia.org 5. Медицинская генетика / Ньюссбаум Роберт Л., Мак-Иннес Родерик Р., Виллард Хантингтон Ф. - ГЭОТАР-Медиа, 2010 г. 6.Биология: учебник : в 2 т. / под ред. В. Н. Ярыгина. М. : ГЭОТАР- Медиа, Т с.: ил. 7. Общая биология : учеб. Для кл. с углубл.изучением биологии в шк. / [л.в. Высоцкая,С.М. Глаголев, Г.М. Дымшиц и др.]; под ред. В.К.Шумного и др.-5-е изд.-М.Просвещение, с.
Иллюстрации jpg gif gif png gif gif jpg jpg png jpg jpg coolpic jpg jpg png jpg jpg jpg jpg jpg jpg jpg %D0%B0%D1%8F%20%D0%BA%D0%BB%D0%B5%D1%82%D0%BA%D0%B0&pos=43&uinfo=sw-1263-sh-865-fw-1038-fh-598-pd- 1&rpt=simage&img_url=http%3A%2F%2F4.bp.blogspot.com%2F-c40bv0dtR8M%2FTbFN09PkhRI%2FAAAAAAAAAAg%2FjV0KH2PUl20%2Fs1600%2Fcell.gif09PkhRI%2FAAAAAAAAAAg%2FjV0KH2PUl20%2Fs1600%2Fcell.gif jpg jpg gif jpg jpg