Роль ядра в матричных процессах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Роль ядра в матричных процессах

1. Строение и функции ядра

Ядро представляет собой обязательную часть клетки у многих одноклеточных и всех многоклеточных организмов.

Рис. 1. Схема строения клеточного ядра

Оно содержит ядерные гены, и соответственно выполняет 2 главные функции:

1. Хранение и воспроизведение генетической информации;

2. Регуляция процессов обмена веществ, протекающих в клетке.

Клетка, утратившая ядро, не может дальше существовать. Ядро также неспособно к самостоятельному существованию, поэтому можно сказать, что ядро и цитоплазма образуют взаимозависимую систему.

По наличию или отсутствию в клетках оформленного ядра все организмы делятся на прокариотические и эукариотические. Основное отличие заключается в степени обособления генетического материала (ДНК) от цитоплазмы и в образовании у эукариот сложных ДНК-содержащих структур-хромосом. Клетки эукариот содержат оформленные ядра. Клетки прокариот не имеют морфологически оформленного ядра.

Путем реализации заключенной в генах наследственной информации ядро управляет белковыми синтезами, физиологическими и морфологическими процессами в клетке. Функции ядра осуществляются в тесном взаимодействии с цитоплазмой.

Впервые ядро наблюдал Я. Пуркине (1825) в яйцеклетке курицы. Ядра растительных клеток были описаны Р. Броуном (1831-33), который наблюдал в них шарообразные структуры. Ядра животных клеток были описано Т. Шванном (1838-39 гг.)

Размеры ядра колеблются от 1 мкм (у некоторых простейших) до 1 мм (в яйцах некоторых рыб и земноводных). В состав большинства эукариотических клеток входит одно ядро. Однако, встречаются и многоядерные клетки (поперечнополосатые мышечные волокна и т.д.). В состав клеток инфузории, например, входит 2 ядра (макронуклеус и микронуклеус). Встречаются и полиплоидные клетки, в которых произошло увеличение наборов хромосом.

Форма ядра может быть различной (сферической, эллипсовидной, неправильной и т.д.) и зависит от формы клетки.

Между объемом ядра и объемом цитоплазмы существует взаимосвязь. Более молодые клетки обычно имеют более крупные ядра. Положение ядра в клетке может меняться по мере дифференцировки или накопления питательных веществ.

Ядро окружено ядерной мембраной, которая является двухслойной и содержит ядерные поры, расположенные на равном расстоянии друг от друга.

В состав интерфазного ядра входят кариоплазма, хроматин, ядрышки, а также синтезируемые в ядре структуры (перихроматиновые фибриллы, перихроматиноые гранулы, интерхроматиновые гранулы). Во время активных фаз деления ядра происходит спирализация хроматина и образование хромосом.

Структура ядра неоднородна. Имеются более спирализованные гетерохроматиновые участки (ложные или хроматиновые ядрышки). Остальные участки - эухроматиновые. Удельный вес ядра выше, чем у остальной цитоплазмы. Среди ядерных структур наибольшим весом обладает ядрышко. Вязкость ядра выше, чем вязкость цитоплазмы. Если ядерная оболочка разрывается и кариоплазма выходит наружу, происходит спадание ядра без всяких признаков реконструкции.

Рис. 2. В ядре содержится большая часть ДНК эукариотической клетки. Ядро отчетливо видно на электронной микрофотографии тонкого среза клетки млекопитающего. (По В. Альбертсу)

Рис. 3. Поперечный срез ядра типичной клетки.

Ядерная оболочка состоит из двух мембран, причем наружная является продолжением мембраны эндоплазматического ретикулума. Липидный бислой внутренней и наружной ядерных мембран соединяются в ядерных порах. Две сети нитевидных промежуточных фибрилл (цветные линии) обеспечивают механическую прочность ядерной оболочки.Фибриллы внутри ядра образуют подстилающую ядерную ламину (по Альбертсу).

Ядерная оболочка непосредственно связана с эндоплазматическим ретикулумом. С обеих сторон к ней прилегают сетеподобные структуры, состоящие из промежуточных филаментов. Сетеподобная структура, которая выстилает внутреннюю ядерную мембрану называется ядерной ламиной.

Рис. 4. Различные структуры клеточного ядра

Ядерная оболочка

Эта структура характерна для всех эукариотических клеток. Ядерная оболочка состоит из внешней и внутренней липопротеидных мембран, толщина которых составляет 7-8 нм. Липопротеидные мембраны разделены перинуклеарным пространством шириной от 20 до 60 нм. Ядерная оболочка ограничивает ядро от цитоплазмы.

Ядерная оболочка пронизана порами, диаметр которых составляет 60-100 нм. По краю каждой поры находится плотное вещество (аннулус). По границе округлого отверстия в ядерной оболочке располагаются три ряда гранул, по 8 штук в каждом: один ряд лежит со стороны ядра, другой - со стороны цитоплазмы, третий расположен в центральной части пор. Размер гранул около 25 нм. От этих гранул отходят фибриллярные отростки, в просвете поры имеется центральный элемент диаметром 15-20 нм, соединенный с аннулусом радиальными фибриллами. Вместе эти структуры образуют поровый комплекс, который регулирует прохождение макромолекул через поры.

Внешняя ядерная мембрана может переходить в мембраны эндоплазматической сети. На внешней ядерной мембране обычно располагается большое количество рибосом. У большинства животных и растительных клеток внешняя мембрана ядерной оболочки не представляет собой идеально ровную поверхность - она может образовывать различной величины выпячивания или выросты в сторону цитоплазмы.

Число ядерных пор зависит от метаболической активности клеток: чем выше синтетические процессы в клетках, тем больше пор на единицу поверхности клеточного ядра.

С химической точки зрения, в состав ядерной оболочки входит ДНК (0-8%), РНК (3-9%), липиды (13-35%) и белки (50-75%).

Что касается липидного состава ядерной мембраны, то он сходен с химическим составом мембран ЭПС (эндоплазматической сети). В ядерных мембранах наблюдается низкое содержание холестерина и высокое содержание фосфолипидов.

Белковый состав мембранных фракций очень сложен. Среди белков обнаружен ряд ферментов, общих с ЭР (например, глюкозо-6-фосфатаза, Mg-зависимая АТФаза, глютамат-дегидрогеназа и др.) не обнаружена РНК-полимераза. Тут выявлены активности многих окислительных ферментов (цитохромоксидазы, НАДН-цитохром-с-редуктазы) и различных цитохромов.

Среди белковых фракций ядерных мембран встречаются основные белки типа гистонов, что объясняется связью участков хроматина с ядерной оболочкой.

Ядерная оболочка проницаема для ионов, веществ с малым молекулярным весом (сахара, аминокислоты, нуклеотиды). Из ядра в цитоплазму происходит транспорт РНК.

Ядерная оболочка является барьером, ограничивающим содержимое ядра от цитоплазмы и препятствующим свободному доступу в ядро крупных биополимеров.

Рис. 5. Ядерная оболочка отделяет ядро от цитоплазматических органелл. На этой электронной микрофотографии представлен тонкий срез ооцита морского ежа, ядро которого окрашивается необычайно равномерно, а цитоплазма плотно забита органеллами. (По Альбертсу)

Кариоплазма

Кариоплазма или ядерный сок - это содержимое клеточного ядра, в которое погружены хроматин, ядрышки, внутриядерные гранулы. После экстракции хроматина химическими агентами в кариоплазме сохраняется так называемый ядерный матрикс. Этот комплекс не представляет собой какую-то чистую фракцию, сюда входят компоненты и ядерной оболочки, и ядрышка, и кариоплазмы. С ядерным матриксом оказались связаны как гетерогенная РНК, так и часть ДНК. Матрикс ядра играет важную роль не только в поддержании общей структуры интерфазного ядра, но и может участвовать в регуляции синтеза нуклеиновых кислот.

Хроматин

Клеточное ядро является вместилищем почти всей генетической информации клетки, поэтому основное содержимое клеточного ядра -- это хроматин: комплекс дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) и различных белков. В ядре и, особенно, в митотических хромосомах, ДНК хроматина многократно свернута, упакована особым образом для достижения высокой степени компактизации.

Ведь все длинные нити ДНК необходимо уложить в клеточное ядро, диаметр которого всего несколько микрометров. Эта задача решается последовательной упаковкой ДНК в хроматине с помощью специальных белков. Основная масса белков хроматина -- это белки гистоны, входящие в состав глобулярных субъединиц хроматина, называемых нуклеосомами. Хроматин представляет собой нуклеопротеидные нити, входящие в состав хромосом. Термин «хроматин» был введен В.Флеммингом (1880). Хроматин - это дисперсное состояние хромосом в интерфазе клеточного цикла. Основными структурными компонентами хроматина являются: ДНК (30-45%), гистоны (30-50%), негистоновые белки (4-33%). Существует 5 типов белков-гистонов, входящих в состав хроматина (Н1, Н2А, Н2В, Н3 и Н4). Белок Н1 слабо связан с хроматином.

По своей морфологии хроматин напоминает структуру «бус», состоящих из нуклеосом (частиц диаметром около 10 нм). Нуклеосома- это сегмент ДНК длиной 200 пар оснований, навитый на белковую сердцевину, которая состоит из 8 молекул белков-гистонов (Н2А, Н2В, Н3 и Н4). Каждая нуклеосома маскирует 146 пар оснований. Нуклеосома представляет собой цилиндрическую частицу, состоящую из 8 молекул гистонов, диаметром около 10 нм, на которую «намотано» чуть менее двух витков нити молекулы ДНК. Все белки-гистоны, кроме Н1, входя в состав сердцевины нуклеосомы. Белок Н1 вместе с ДНК связывает отдельные нуклеосомы между собой (этот участок называется линкерная ДНК). В электронном микроскопе такой искусственно деконденсированный хроматин выглядит как «бусины на нитке». В живом ядре клетки нуклеосомы плотно объединены между собой с помощью еще одного линкерного гистонового белка, образуя так называемую элементарную хроматиновую фибриллу, диаметром 30 нм. Другие белки, негистоновой природы, входящие в состав хроматина обеспечивают дальнейшую компактизацию, т. е. укладку, фибрилл хроматина, которая достигает своих максимальнах значений при делении клетки в митотических или мейотических хромосомах. В ядре клетки хроматин присутствует как в виде плотного конденсированного хроматина, в котором 30 нм элементарные фибриллы упакованы плотно, так и в виде гомогенного диффузного хроматина. Количественное соотношение этих двух видов хроматина зависит от характера метаболической активности клетки, степени ее дифференцированности. Так, например, ядра эритроцитов птиц, в которых не происходит активных процессов репликации и транскрипции, содержат практически только плотный конденсированный хроматин. Некоторая часть хроматина сохраняет свое компактное, конденсированное состояние в течение всего клеточного цикла -- такой хроматин называется гетерохроматином и отличается от эухроматина рядом свойств.

Спирализованные участки хромосом инертны в генетическом отношении. Передачу генетической информации осуществляют деспирализованные участки хромосом, которые в силу своей малой толщины не видны в световой микроскоп. В делящихся клетках все хромосомы сильно спирализуются, укорачиваются и приобретают компактные размеры и форму.

Хроматин интерфазных ядер представляет собой несущие ДНК тельца (хромосомы), которые теряют в это время свою компактную форму, разрыхляются, деконденсируются. Степень такой деконденсации хромосом может быть различной в ядрах разных клеток. Когда хромосома или ее участок полностью деконденсирован, тогда эти зоны называют диффузным хроматином. При неполном разрыхлении хромосом в интерфазном ядре видны участки конденсированного хроматина (иногда называемого гетерохроматин). Показано, что степень деконденсации хромосомного материала в интерфазе может отражать функциональную нагрузку этой структуры. Чем более диффузен хроматин интерфазного ядра, тем выше в нем синтетические процессы. Падение синтеза РНК в клетках обычно сопровождается увеличением зон конденсированного хроматина.

Максимально конденсирован хроматин во время митотического деления клеток, когда он обнаруживается в виде плотных телец - хромосом. В этот период хромосомы не несут никаких синтетических нагрузок, в них не происходит включение предшественников ДНК и РНК.

Рис. 6. Строение нуклеосом.

Нуклеосомные частицы состоят из двух полных витков ДНК (83 нуклеотидных пары на виток), закрученных вокруг кора, представляющего собой гистоновый октамер, и соединяются между собой линкерной ДНК. Нуклеосом-ная частица выделена из хроматина путем ограниченного гидролиза линкерных участков ДНК микрококковой нуклеазой. В каждой нуклеосомнои частице фрагмент двойной спирали ДНК, имеющий в длину 146 пар оснований, закручен вокруг гистонового кора. Этот белковый кор содержит по две молекулы каждого из гистонов Н2А, Н2В, НЗ и Н4. Полипептидные цепи гистонов насчитывают от 102 до 135 аминокислотных остатков, а общий вес октамера составляет приблизительно 100000 Да. В деконденсированной форме хроматина каждая «бусина» связана с соседней частицей нитевидным участком линкерной ДНК (по Альбертсу).

Рис. 7. Схема, иллюстрирующая различные уровни упаковки хроматина, которые, по-видимому, отражают последовательные этапы формирования высококонденсированной метафазной хромосомы (по Альбертсу).



Рис. 8. Участок хроматина в форме нуклеосомной нити.

Показаны три нити хроматина, на одной из которых две молекулы РНК-полимеразы транскрибируют ДНК. Большая часть хроматина в ядре высших эукариот не содержит активных генов, и, следовательно, свободна от РНК-транскриптов. Следует отметить, что нуклеосомы имеются как в транскрибируемых, так и в нетранскрибируемых областях, и что они связаны с ДНК непосредственно перед и сразу же за движущимися молекулами РНК-полимераз. (по Альбертсу) .

Рис. 9. Организация нуклеосом.

А. Вид сверху. Б. Вид сбоку.

При таком типе упаковки на нуклеосому приходится одна молекула гистона Н1 (не указано). Хотя место прикрепления гистона Н1 к нуклеосоме определено, расположение молекул Н1 на этой фибрилле неизвестно (по Альбертсу).

Белки хроматина

Гистоны - сильноосновные белки. Их щелочность связана с их обогащенностью основными аминокислотами (главным образом лизином и аргинином). Эти белки не содержат триптофана. Препарат суммарных гистонов можно разделить на 5 фракций:

Н ₁ (от английского histone) - богатый лизином гистон, мол. Масса 2100;

Н _2а - умеренно богатый лизином гистон, масса 13 700;

Н _2б - умеренно богатый лизином гистон, масса 14 500;

Н ₄ - богатый аргинином гистон, масса 11 300;

Н ₃ - богатый аргинином гистон, масса 15 300.

В препаратах хроматина эти фракции гистонов обнаруживаются в приблизительно равных количествах, кроме Н ₁ , которого примерно в 2 раза меньше любой из других фракций.

Для молекул гистонов характерно неравномерное распределение основных аминокислот в цепи: обогащенные положительно заряженными аминогруппами наблюдается на концах белковых цепей. Эти участки гистонов связываются с фосфатными группировками на ДНК, в то время как сравнительно менее заряженные центральные участки молекул обеспечивают их взаимодействие между собой. Таким образом, взаимодействие между гистонами и ДНК, приводящее к образованию дезоксирибонуклеопротеинового комплекса, носит ионный характер.

Гистоны синтезируются на полисомах в цитоплазме, этот синтез начинается несколько раньше редупликации ДНК. Синтезированные гистоны мигрируют из цитоплазмы в ядро, где и связываются с участками ДНК.

Функциональная роль гистонов не вполне ясна. Одно время считалось, что гистоны являются специфическими регуляторами активности ДНК хроматина, но одинаковость строения основной массы гистонов говорит о малой вероятности этого. Более очевидна структурная роль гистонов, которая обеспечивает не только специфическую укладку хромосомной ДНК, но и играет роль в регуляции транскрипции.

Рис. 10. Строение нуклеосом.

Нуклеосомные частицы состоят из двух полных витков ДНК (83 нуклеотидных пары на виток), закрученных вокруг кора, представляющего собой гистоновый октамер, и соединяются между собой линкерной ДНК. Нуклеосом-ная частица выделена из хроматина путем ограниченного гидролиза линкерных участков ДНК микрококковой нуклеазой. В каждой нуклеосомнои частице фрагмент двойной спирали ДНК, имеющий в длину 146 пар оснований, закручен вокруг гистонового кора. Этот белковый кор содержит по две молекулы каждого из гистонов Н2А, Н2В, НЗ и Н4. Полипептидные цепи гистонов насчитывают от 102 до 135 аминокислотных остатков, а общий вес октамера составляет приблизительно 100000 Да. В деконденсированной форме хроматина каждая «бусина» связана с соседней частицей нитевидным участком линкерной ДНК.

Негистоновые белки - наиболее плохо охарактеризованная фракция хроматина. Кроме ферментов, непосредственно связанных с хроматином (ферменты, ответственные за репарацию, редубликацию, транскрипцию и модификации ДНК, ферменты модификации гистонов и других белков), в эту фракцию входит множество других белков. Весьма вероятно, что часть негистоновых белков представляет собой специфические белки - регуляторы, узнающие определенные нуклеотидные последовательности в ДНК.

РНК хроматина составляет от 0,2 до 0,5% от содержания ДНК. Эта РНК представляет собой все известные клеточные типы РНК, находящиеся в процессе синтеза или созревания в связи с ДНК хроматина.

В составе хроматина могут быть обнаружены липиды до 1 % от весового содержания ДНК, их роль в структуре и функционировании хромосом остается неясной.

В химическом отношении препараты хроматина представляют собой сложные комплексы дезоксирибонуклеопротеидов, в состав которых входит ДНК и специальные хромосомные белки - гистоны. В составе хроматина обнаружено также РНК. В количественном отношении ДНК, белок и РНК находятся как 1:1,3:0,2. О значении РНК в составе хроматина еще нет достаточно однозначных данных. Возможно, что эта РНК представляет собой сопутствующую препарату функцию синтезирующейся РНК и поэтому частично связанной с ДНК или это особый вид РНК, характерный для структуры хроматина.

ДНК хроматина

В препарате хроматина на долю ДНК приходится обычно 30-40%. Эта ДНК представляет собой двухцепочечную спиральную молекулу. ДНК хроматина обладает молекулярной массой 7-9*10 ⁶ . Такую сравнительно малую массу ДНК из препаратов можно объяснить механическими повреждениями ДНК в процессе выделения хроматина.

Общее количество ДНК, входящее в ядерные структуры клеток, в геном организмов, колеблется от вида к виду. Сравнивая количество ДНК на клетку у эукариотических организмов, трудно уловить какие-либо корреляции между степенью сложности организма и количеством ДНК на ядро. Примерно одинаковое количество ДНК имеют различные организмы, как лен, морской еж, окунь (1,4-1,9 пг) или рыба голец и бык (6,4 и 7 пг).

У некоторых амфибий в ядрах количество ДНК больше, чем в ядрах человека, в 10-30 раз, хотя генетическая конституция человека несравненно сложнее, чем у лягушек. Следовательно, можно предполагать, что избыточное количество ДНК у более низко организованных организмов либо не связано с выполнением генетической роли, либо число генов повторяется то или иное число раз.

Сателлитная ДНК, или фракция ДНК с часто повторяющимися последовательностями, может участвовать в узнавании гомологичных районов хромосом при мейозе. По другим предположениям, эти участки играют роль разделителей (спейсеров) между различными функциональными единицами хромосомной ДНК.

Как оказалось, фракция умеренно повторяющихся (от 10 ² до 10 ⁵ раз) последовательностей принадлежит к пестрому классу участков ДНК, играющих важную роль в обменных процессах. В эту фракцию входят гены рибосомных ДНК, многократно повторенные участки для синтеза всех тРНК. Более того, некоторые структурные гены, ответственные за синтез определенных белков, также могут быть многократно повторены, представлены многими копиями (гены для белков хроматина - гистонов).

Ядрышко

Ядрышко (нуклеола) - это плотное тельце внутри ядра большинства клеток эукариот. Состоит из рибонуклеопротеидов - предшественников рибосом. Обычно в клетке одно ядрышко, реже много. В ядрышке выделяют зону внутриядрышкового хроматина, зону фибрилл и зону гранул. Ядрышко-это не постоянная структура в клетках эукариот. При активном митозе ядрышки распадаются, а затем синтезируются вновь. Основная функция ядрышек-синтез РНК и субъединиц рибосом.

В ядрышке выделяют зону внутриядрышкового хроматина, зону фибрилл и зону гранул. Ядрышко не является самостоятельным органоидом клетки, лишено мембраны и образуется вокруг участка хромосомы, в котором закодирована структура рРНК (ядрышковый организатор), на нем синтезируется рРНК; кроме накопления рРНК в ядрышке формируются рибосомы, которые затем перемещаются в цитоплазму. Т.о. ядрышко - это скопление рРНК и рибосом на разных этапах формирования.

Основной функцией ядрышка является синтез рибосом (в этом процессе принимает участие РНК-полимераза I)

Рис. 11. Электронная микрофотография тонкого среза ядрышка в фибробласте человека. Хорошо видны три дискретные зоны. А.Общий вид ядрышка. Б. Детализация. (по Альбертсу).

2. ДНК - носитель наследственной информации

Дезоксирибонуклеиновая кислота является носителем наследственной информации в клетке и содержит в качестве углеводного компонента дезоксирибозу, в качестве азотистых оснований аденин (А), гуанин (G), цитозин (С) и тимин (Т), а также остаток фосфорной кислоты.

Рис. 12. Три формы спирали ДНК, каждая из которых содержит 22 нуклеотидные пары.

Все эти структуры образованы двумя антипараллельными цепями ДНК, которые удерживаются вместе благодаря спариванию комплементарных нуклеотидов. Каждая форма показана сбоку и сверху. Сахарно-фосфатный остов и пары оснований выделены разными оттенками серого: темно-серым и светло-серым, соответственно.

А. В-форма ДНК, которая чаще всего встречается в клетках.

Б. А-форма ДНК, которая становится преобладающей при высушивании любой ДНК, независимо от ее последовательности. В. Z-форма ДНК: такую форму приобретают некоторые последовательности при определенных условиях. В-форма и А-форма-правоза-крученные, а Z-форма -левозакрученная ( по Альбертсу).

ДНК - это длинный неразветвленный полимер, состоящий всего из четырех субъединиц - дезоксирибонуклеотидов. Нуклеотиды связаны между собой ковалентными фосфодиэфирными связями, соединяющими 5'-атом углерода одного остатка с 3'-атомом углерода следующего остатка. Основания четырех типов «нанизаны» на сахарфосфатную цепь наподобие четырех разных типов бусинок, надетых на одну нитку. Таким образом, молекулы ДНК состоят из двух длинных комплементарных цепей, удерживаемых вместе благодаря спариванию оснований.

Модель ДНК, согласно которой все основания ДНК расположены внутри двойной спирали, а сахарофосфатный остов - снаружи, была предложена в 1953 г. Уотсоном и Криком. Число эффективных водородных связей, которые могут образоваться между G и С или между А и Т будет в этом случае больше, чем при любой другой комбинации. Именно модель ДНК, предложенная Уотсоном и Криком, позволила сформулировать основные принципы передачи наследственной информации, основанные на комплементарности двух цепей ДНК. Одна цепь служит матрицей для образования комплементарной ей цепи, а кажный нуклеотид является буквой в четырехбуквенном алфавите.

Нуклеотиды, входящие в состав ДНК, состоят из азотсодержащего циклического соединения (азотистого основания), пятиуглеродного сахарного остатка и одной или нескольких фосфатных групп. Основная и важнейшая роль нуклеотидов в клетке - то, что они являются мономерами, из которых построены полинуклеотиды - нуклеиновые кислоты, отвечающие за хранение и передачу биологической информации. 2 главных типа нуклеиновых кислот отличаются по сахарному остатку в их полимерном каркасе. Построенная на основе рибозы рибонуклеиновая кислота (РНК) содержит аденин, гуанин, цитозин и урацил. В состав дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) входит производное рибозы - дезоксирибоза. ДНК содержит нуклеотиды: аденин, гуанин, цитозин и тимин. Последовательность оснований определяет генетическую информацию. Три нуклеотида в цепи ДНК кодируют одну аминокислоту (триплетный код). Т.о. участки ДНК представляют собой гены, содержащие всю генетическую информацию клетки и служащие матрицей для синтеза клеточных белков.

Главное свойство полинуклеотидов - умение направлять реакции матричного синтеза (образование соединений - ДНК, РНК или белка), используя матрицу - определенный полинуклеотид, и благодаря способности оснований узнавать друг друга и взаимодействовать нековалентными связями - это явление комплементарного спаривания, при котором гуанин спаривается с цитозином, а аденин с тимином (в ДНК) или урацилом (в РНК).

Комплементарность является универсальным принципом структурно-функциональной организации нуклеиновых кислот и реализуется при формировании макромолекул ДНК и РНК в ходе репликации и транскрипции.

При репликации ДНК новая молекула ДНК строится на матрице ДНК, в процессе транскрипции (образования РНК) матрицей служит ДНК, и при трансляции (синтезе белка) в качестве матрицы используется РНК. В принципе оказался возможным и обратный процесс - построение ДНК на матрице РНК.

Кроме того, нуклеотиды выполняют в клетке еще одну очень важную функцию: они выступают в качестве переносчиков химической энергии. Самый главный (но не единственный) переносчик - аденозинтрифосфат, или АТФ.

В комбинации с другими химическими группами нуклеотиды входят в состав ферментов. Производные нуклеотидов могут переносить определенные химические группы от одной молекулы к другой.

Нагревание, значительное изменение рН, понижение ионной силы и т.д. вызывают денатурацию двухцепочечной молекулы ДНК. Термическая денатурация обычно наступает при температуре 80-90С. Возможен также процесс ренатурации молекулы ДНК (полное восстановление ее нативной структуры).

Большинство природных ДНК имеет двухцепочечную структуру, линейную или кольцевую формы (исключение составляют вирусы, в которых обнаружена одноцепочечная ДНК-также линейная или кольцевая). В эукариотической клетке, ДНК, кроме ядра, входи в состав митохондрий и пластид, где обеспечивает автономный синтез белка. В цитоплазме эукариотических клеток обнаружены аналоги плазмидных ДНК бактерий.

3. Репликация ДНК

Репликация - это удвоение ДНК, происходящее в синтетическую (S) стадию интерфазы клеточного цикла. Цель этого события - снабжение потомства клетки генетической информацией, идентичной материнской. Информация, необходимая для репликации, заложена в самой ее структуре, поскольку нити ДНК комплементарны друг другу.

Процесс репликации ДНК протекает аналогично у про- и эукариот, отличаясь участвующими ферментами, скоростью, направлением репликации, количеством точек репликации. Скорость репликации у эукариот ниже, чем у прокариот, но низкая скорость репликации компенсируется двунаправленностью репликации и большим количеством репликонов.

Основным механизмом репликации у эукариот является полуконсервативная репликация. Две нити ДНК расплетаются как застежка-молния. Каждая цепь служит матрицей для образования новой дочерней цепи. Молекула ДНК разделяется постепенно специальным ферментом на две половины в продольном направлении. К свободным последовательностям нуклеотидов постепенно присоединяются нуклеотиды, синтезированные в цитоплазме. Каждая половинная спираль снова становится целой и содержит одну старую и одну новую нить.

В 1955г. А. Корнберг и его коллеги открыли фермент, который обеспечивает репликацию ДНК и назвали его полимеразой.

Было показано, что субстратами ДНК-полимеразы служат дезоксирибонуклеозидтрифосфаты, полимеризующиеся на одно-цепочечной ДНК-матрице (двухступенчатый механизм этой полимеризации представлен на рис. 5-34 в связи с обсуждением процесса репарации ДНК). Позже была выделена и РНК-полимераза, для которой субстратами служат рибонуклеозидтрифосфаты.

Полимераза присоединяет комплиментарный нуклеотид к матричной цепи. Ферменты топоизомеразы катализируют переходы в молекулах ДНК в состоянии отрицательной сверхспирализации. Фермент ДНК-гираза переводит двухцепочечную ДНК в состояние отрицательной сверхспирализации. Это необходимо для снятия положительных сверхвитков, возникающих при репликации из-за раскручивания двойной сверхспирали.

Таким образом, быстрота и точность достигаются с помощью особого мультиферментного комплекса, направляющего процесс репликации. Этот комплекс, состоящий из нескольких различных белков, представляет собой сложный и совершенный «аппарат репликации».

Инициация репликации начинается с образования сверхспиралей у ДНК. Для начала процесса необходимо наличие ДНК-гиразы и АТФ. Затем сверхспираль раскручивается хеликазой. Одна из новых цепей синтезируется непрерывно и называется лидирующей, а другая - в виде фрагментов ДНК (фрагментов Оказаки).

У эукариотических клеток полирепликонная репликация. Одновременно, в интерфазной хромосоме существует множество точек начала репликации. По длине хромосомы, вдоль нее, располагается множество независимых участков репликации - репликонов. В среднем величина репликонов у высших животных составляет 30 мкм, или 100 тыс. п.н. Следовательно, в гаплоидном наборе млекопитающих 20 000- 30 000 репликонов. Синтез ДНК в репликоне идет в двух противоположных направлениях. Реплицирующиеся концы, или вилки, в репликоне прекращают движение, когда встретятся с вилками соседних репликонов (в терминальной точке, общей для соседних репликонов). В этом месте реплицированные участки соседних репликонов объединяются в единые ковалентные цепи двух новосинтезированных молекул ДНК. Весь синтез ДНК на отдельной хромосоме протекает за счет независимого синтеза на множестве отдельных репликонов с последующим соединением концов двух соседних отрезков ДНК.

Время репликации ДНК у млекопитающих составляет 6-8 часов. Не все репликоны отдельной хромосомы включаются одновременно. В редких случаях наблюдается отдельное включение всех репликонов, или же происходит появление дополнительных точек репликации (например, на ранних этапах эмбриогенеза млекопитающих). Это дает возможность закончить репликацию в более короткие сроки.

Синтез ДНК по длине отдельной хромосомы происходит неравномерно. Активные репликоны собраны в активные группы - репликативные единицы, которые включают в себя 20-80 точек начала репликации.

Рис. 13. Строение репликационной вилки.

Обе дочерние цепи строятся в направлении 5' > 3'. Для этого отстающая цепь ДНК должна интезироваться в виде ряда коротких фрагментов (фрагменты Оказаки) (по Альбертсу).

Кластеры репликонов, объединенные в репликативные единицы, связаны с белками ядерного матрикса, а ферменты репликации образуют кластеросомы-зоны в интерфазном ядре, в которых идет синтез ДНК. Синтез ДНК хромосом начинается почти одновременно на всех хромосомах ядра в S-период. Но при этом происходит последовательное и асинхронное включение различных репликонов как в разных участках хромосом, так и в разных хромосомах. Последовательность репликации того или иного участка генома детерминирована генетически.

Рис. 14. Функционирование трех элементов последовательности ДНК, необходимых для образования стабильных линейных эукариотических хромосом.

Теломерные последовательности предотвращают укорачивание хромосом, которое без них происходило бы при каждом цикле репликации ДНК. Центромеры служат для выстраивания молекул ДНК на митотическом веретене в ходе М-фазы. Точки начала репликации (сайты инициации репликации) нужны для формирования решшкационных вилок в S-фазе.

4. Репарация ДНК

Репарация представляет собой процесс восстановления природной (нативной) структуры ДНК, поврежденной при нормальном биосинтезе ДНК в клетке, а также в результате воздействия физических или химических агентов. Репарацию можно охарактеризовать как особую функцию клеток, заключающуюся в способности восстанавливать повреждения молекулы ДНК, которые возникают как в результате воздействия химических, физических агентов, так и при нормальном биосинтезе белка.

Нарушение функционирования систем репарации в клетках является причиной многих наследственных заболеваний, существенно увеличивает риск развития онкологических заболеваний. Системы репарации обеспечивают точность передачи и воспроизведения информации.

Чем сложнее организована клетка, тем большее количество структурных и регуляторных генов принимают участие в процессах репарации, обеспечивая баланс между стабильностью генетической информации и ее изменчивостью.

Как известно, источниками повреждения ДНК могут быть:

- ультрафиолетовое изучение

- радиация

- химические вещества

- ошибки репликации

- апуринизация

- дезаминирование

В структуре ДНК могут быть повреждены как одиночные нуклеотиды, так и пары нуклеотидов, может произойти разрыв цепи ДНК, а также образование поперечных сшивок между основаниями одной цепи или разных цепей ДНК.

Репарация осуществляется с помощью специальных ферментных систем клетки. Наиболее важными являются следующие 3 механизма репарации:

Рис. 15. Повреждение структуры ДНК

- фоторепарация (фотореактивация);

- эксцизионная репарация;

- пострепликативная репарация

Фоторепарация представляет собой процесс расщепления ферментом дезоксирибопиримидинфотолиазой циклобутановых димеров, возникающих в ДНК под действием ультрафиолетового света. Особенно важным является то, что фермент фоторепарации активируется видимым светом.

Эксцизионная репарация представляет собой процесс узнавания поврежденной ДНК и вырезания (эксцизии) поврежденного участка. Восстановление непрерывности цепи ДНК происходит за счет ресинтеза ДНК по матрице интактной цепочки.

Пострепликативная репарация - это восстановление нативной структуры с использованием этапа рекомбинации. Как правило, пострепликативная репарация осуществляется в том случае, если эксцизионная репарация оказывается неэффективной.

При этом каждая система репарации включает в себя ряд компонентов:

- фермент, распознающий поврежденный участок ДНК и осуществляющий разрыв цепи непосредственно возле повреждения;

- фермент, который удаляет поврежденный участок;

- фермент (ДНК-полимераза), который осуществляет синтез участка ДНК вместо удаленного;

- фермент (ДНК-лигаза), восстанавливающий непрерывность ДНК

Рис. 16. Репарация ДНК

Имеются данные о возрастных изменениях в системах репарации, об изменении структуры генов и направлении их функционирования.

клеточный ядро репликация дезоксирибонуклеиновый

Литература

1. Александровская О.В. и др. Цитология, гистология и эмбриология. М., 1987.

2. Богданова Т.Л. Справочные материалы. М., 2000.

3. Васильев Ю.М. «Клетка как архитектурное чудо.» Соросовский Общеобразовательный Журнал. 2000 г. № 6.

4. Гистология, цитология и эмбриология. Под Ю.И., Кузнецова С.Л., Юриной Н.А. М.: Медицина. 2006. 768 стр.

5. Каменский А.А., Соколова Н.А., Валовая М.А. Основы биологии. Полный курс общеобразовательной средней школы. М.: Экзамен, 2004.

6. Калюжний В.Г. Справочник по биологии. Ростов-на-Дону: Феникс, 2002.

7. Пособие для поступающих в вузы / Под ред. Лемезы Н.А. Мн., 2000.

8. Самусев Р.П., Смирнов А.В. Атлас по цитологии, гистологии и эмбриологии. Изд.: Оникс 21 век. 2006 г. 400 стр.

9. Ченцов Ю. «Введение в клеточную биологию». 2006.

Размещено на Allbest.ru