21

Тема: ядро і хромосоми

ПЛАН

1. ІНТЕРФАЗНЕ ЯДРО; ЙОГО МОРФОЛОГІЯ, ХІМІЧНИЙ СКЛАД ТА ОСНОВНІ СТРУКТУРИ

2. ЯДЕРНА ОБОЛОНКА

3. ЯДЕРНИЙ СІК

4. ХРОМАТИН

5. ХРОМОСОМИ - ГОЛОВНІ СТРУКТУРИ ЯДРА

5.1. Структура хромосом в інтерфазі і мітозі.

5.2. Субмікроскопічна і молекулярна організація хромосом.

5.3. Репродукція хромосом.

5.4. Функціонування хромосом.

5.5. Хромосоми і спадковість.

6. ЯДЕРЦЕ.

7. ЗНАЧЕННЯ ЯДРА В ЖИТТЄДІЯЛЬНОСТІ КЛІТИНИ І ПЕРЕДАЧІ СПАДКОВОЇ ІНФОРМАЦІЇ.

Список рекомендованої літератури

Альбертс Б., Брей Д., Льюис Дж., Рэфф М., Робертс К., Уотсон Дж. Молекулярная биология клетки. Москва, Мир, Том. 2, 1994.-С. 287-301.

Босток К., Самнер Э. Хромосома эукариотической клетки. Москва, Мир, 1981.-598 с.

Георгиев Г.П. Гены высших организмов и их экспрессия. Москва, Наука, 1989.-254 с.

Жимулев И.Ф. Гетерохроматин и эффект положения гена. Новосибирск, Наука, 1993.-490 с.

Жимулев И.Ф. Хромомерная организация политенных хромосом. Новосибирск, Наука, 1994.-564 с.

Заварзин А.А., Харазова А.Д. Основы общей цитологии.-Л.: 1982.

Заварзин А.А., Харазова А.Д., Молитвин М.Н. Биология клетки. М.: Высш. шк., 1992.

Докинз Р. Эгоистичный ген. Москва, Мир, 1993.-316 с.

Льюин Б. Гены. Москва, Мир, 1987.-544 с.

Овчинников Л.П. Что и как закодировано в мРНК. Соросовский образовательный журнал, № 4, 1998. с. 10-18.

Прокофьева-Бельговская А.А. Гетерохроматические районы хромосом. Москва, Наука, 1986.-431 с.

Спирин А.С. Молекулярная биология: структура рибосомы и биосинтез белка. — М.: Высш. шк., 1986. — 303 с.

Фаворова О.О. Сохранение ДНК в ряду поколений: репликация ДНК. Соросовский образовательный журнал, N4, 1996. С. 11-17.

Хесин Р.Б. Непостоянство генома. Москва, Наука, 1984.-472 с.

Ченцов Ю.С. Общая цитология. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1995.

1. Інтерфазне ядро; його морфологія, хімічний склад та основні структури

Ядро було відкрито Р. Броуном в 1833 році в клітинах тичинкових ниток традесканції. Це обов’язковий компонент всіх рослинних і тваринних клітин, крім прокаріотичних. Існують клітини, наприклад ситовидні трубки вищих рослин або еритроцити ссавців, у яких протягом більшої частини їх життя ядро відсутнє, хоча воно і було в той період, коли клітина ще не повністю диференційована. Такі безядерні клітини не здатні до ділення і живуть порівняно не довго.

Для переважної більшості клітин характерне лише одне ядро, але у деяких, особливо у нижчих рослин, можуть існувати і навіть переважати двоядерні клітини (дикаріони у грибів), а також багатоядерні.

В більшості випадків ядро має округлу форму і займає центральну частину клітини. В рослинних клітинах, де вся центральна частина нерідко зайнята великою вакуолею, а ядро притиснуте до клітинної стінки, воно може бути сплющене і по формі нагадувати лінзу. В лейкоцитах деяких типів, а також в клітинах павутинних залоз деяких комах і павуків, ядра бувають неправильної форми - багатолопатеві. В процесі життєдіяльності форма ядра може змінюватися.

У вищих організмів діаметр ядра в середньому складає від 10 до 30 мкм, у нижчих він значно менший. Виключення складають ядра ризоїдів харових водоростей та гігантські ядра слизовиків (500-600 мкм діаметром).

Вивчення хімічного складу ядра показало, що його основна маса (70-96% складається з простих і складних білків. Прості білки бувають двох типів: основні (гістони і протаміни) і кислі (глобуліни). Складні білки - це сполуки простих білків з нуклеїновими кислотами (нуклеопротеїди, нуклеогістони). Крім названих білків, в склад ядра входять ліпіди у вигляді крапель жиру або в поєднанні з протеїдами утворюють ліпопротеїди. Загальна кількість ядерних білків в різних тканинах помітно варіює. Така ж мінлива ця величина і в процесі онтогенезу однієї і тієї ж клітини. Не залишається незмінним і склад ядерних білків.

Серед білків ядра кількісно переважають нуклеопротеїди, тобто сполуки білків з нуклеїновими кислотами ДНК і РНК. Нуклеїнові кислоти є гетерополімерами. Їх мономери нуклеотиди виникають в результаті поєднання трьох компонентів: азотистої основи, вуглеводу і залишка фосфорної кислоти. Один нуклеотид відрізняється від іншого азотистими основами і вуглеводами. До складу нуклеїнових кислот в основному входять п’ять азотистих основ: дві пуринові - аденін і гуанін і три піримідинові - тимін, цитозин і урацил. З вуглеводів до складу нуклеотидів входять пентози - рибоза і дезоксирибоза. Гетерополімери, які складаються з нуклеотидів, що містять дезоксирибозу, називаються дезоксирибонуклеїновими кислотами (ДНК), а ті - до складу яких входить вуглевод рибоза - рибонуклеїновими кислотами (РНК).

До складу ДНК із п’яти азотистих основ входить чотири - аденін, тимін, гуанін і цитозин. Крім того, в ДНК знайдено деякі мінорні (рідкісні) основи (5-метилцитозин, 5-оксиметилцитозин, 6-метиламінопурин та ін.). В ДНК фага РВ 1 замість тиміну знаходиться урацил.

В переважної більшості організмів молекули ДНК складаються з двох полінуклеотидних ланцюгів або ниток. Однонитчаста ДНК була знайдена у деяких фагів, наприклад, S 13. Окремі нуклеотиди в ланцюг з’єднуються за допомогою фосфорнодиефірного місточку, який з’єднує 5-ий вуглецевий атом дезоксирибози одного нуклеотиду з 3-м вуглецевим атомом дезоксирибози наступного нуклеотиду. Згідно моделі Уотсона-Кріка молекул ДНК нагадує гнучку драбину, що закручена навколо уявної вісі. Бокові сторони цієї драбини - залишки цукру і фосфорної кислоти, перекладини - пари АТ і ГЦ.

З’єднуються між собою два полінуклеотидних ланцюга з допомогою слабких водневих зв’язків. Ці зв’язки утворюються таким чином, що аденін може з’єднуватися лише з тиміном, а гуанін з цитозином. Правда між аденіном і гуаніном, а також між тиміном і цитозином теж можуть утворюватися стійкі пари водневих зв’язків. Але якби один проти одного стояли два пурини чи два піримідини, то це зайняло б досить багато (в одному випадку) або дуже мало (в іншому випадку) простору, і в результаті правильна подвійна спіраль з постійним діаметром не могла б утворитися. Просторові умови не були б порушені у випадках приєднання аденіну до цитозину чи гуаніну до тиміну. Але ні в першому ні в другому випадку не відбулося б утворення водневих зв’язків. Між аденіном і тиміном утворюється два, а між гуаніном і цитозином три водневих зв’язки.

Таким чином, в двохланцюговій молекулі ДНК порядок розміщення азотистих основ в одному з її ланцюгів жорстко визначає порядок розміщення азотистих основ в іншому її ланцюгу, який буде комплементарним до першого ланцюга.

У вищих організмів ДНК в клітинах у вільному вигляді не зустрічається - вона зв’язана з білками, утворюючи комплекс - дезоксирибонуклеопротеїд (ДНП).

До складу нуклеотидів РНК, крім рибози і залишку Н₃РО₄ входить одна з чотирьох азотистих основ (А, Ц, Г, У), тобто РНК замість тиміну містить урацил. Крім чотирьох головних основ в деяких видах РНК виявлені мінорні: амінопурин, 1-метилгуанін, тимін, 5-метилцитозин і ін. Зв’язок між нуклеотидами в ланцюгу РНК здійснюється за рахунок фосфатного місточка між 3 і 5 гідроксилами рибозних компонентів. В даний час відомо декілька видів РНК - рРНК, іРНК, тРНК, і ін.

Рибосомальна РНК міститься в рибосомах. Ця РНК складає 85-90% всієї РНК клітини.

Інформаційна РНК (і-РНК) - однонитчаста молекула, яка утворюється в результаті постсинтетичного перетворення (процесинга) її попередника - гетерогенної РНК, яку ще називають первинним транскриптом або про-мРНК.

Розпочинається цей процес ще тоді, коли синтезуються перші 20-30 нуклеотидів про-мРНК. Саме у цей момент до її 5`-кінця приєднується метильований гуанозин, який отримав назву кеп. Процес "кепування" потрібний для захисту майбутньої іРНК від ендонуклеаз цитоплазми, куди вона вийде із ядра після завершення транскрипції та процесингу. Вважають також, що кеп необхідний для прикріплення іРНК до рибосом. Після завершення транскрипції до 3`-кінця про-мРНК приєднується полі-А - 150-200 аденілових нуклеотидів. Полі-А також виконує захисну роль.

Загальна швидкість включення нуклеотидів в РНК під час інтерфази приблизно в 20 разів перевищує швидкість включення нуклеотидів в ДНК в S фазі.

Наступний етап процесингу отримав назву "сплайсинг". Доцільність цього етапу стане зрозумілою, якщо розглянути структуру гена еукаріот. Так, у 1977-78 роках було з`ясовано, що ці гени мають переривчасту будову (інколи вживають термін «мозаїчну будову»), тобто складаються з ділянок, які кодують генетичну інформацію і які її не кодують. Перші ділянки У. Гільбертом із Гарварда були названі екзонами, другі - інтронами. Слід зазначити, що переривчастість гена може бути досить істотною: наприклад в генах, що кодують ланцюги гемоглобіну три екзони розділені двома інтронами, в гені овальбуміна (білка яйця) - вісім екзонів і сім інтронів, в гені коллагену (білка, що надає еластичності шкірі і сухожиллям) декілька десятків інтронів і екзонів.

Інтронні ділянки частіше всього виявляються довшими ніж екзонні; у звичайному гені загальна протяжність останніх досягає 1000 н.п., тоді як для інтронів ця величина сягає 5000 - 20 000 н.п., а часом і більше.

Переривчасті, або мозаїчні, гени зустрічаються не лише у хребетних, а і взагалі у еукаріот. В останні роки показано, що вони є у деяких архебактерій.

В той же час, не всі гени еукаріот переривчасті. Наприклад гени інтерферону та гени гістонів не мають інтронних і екзонних ділянок.

Під час сплайсингу інтронні ділянки з допомогою мяРНП (малих ядерних рибонуклепротеїдних часточок) вирізаються, а екзонні зшиваються.

Первинний транскрипт може мати довжину більше 50 000 нуклеотидів, а після сплайсингу має від 500 до 3000 нуклеотидів.

Таким чином іРНК «дозріває», після чого вона зв’язується в ядрі з білками інформоферами (відкриті Г.П.Георгієвим з співробітниками) і переноситься в цитоплазму. В цитоплазмі іРНК також зв’язана з спеціальними білками. Такі нуклеопротеїдні часточки в цитоплазмі (відкриті А.С.Спіріним) були названі інформосомами. ІРНК в інформосомі добре захищена від руйнівної дії ферментів і може зберігатися довгий час. Наприклад, глобінова іРНК в еритроциті функціонує 120 діб і більше. Але не всі іРНК входять до складу інформосом. Велика кількість іРНК еукаріот живуть не довго. В процесі існування іРНК в цитоплазмі послідовність полі-А поступово «обгризається» нуклеазами. Вважають, що швидкість відщеплення аденілових нуклеотидів впливає на швидкість розпаду іРНК. При синтезі білка з однією іРНК часто зв’язуються зразу декілька рибосом, утворюючи полісому, про що говорилося раніше.

Вміст іРНК в клітині незначний - близько 3% всієї РНК.

Третій вид РНК - транспортна (тРНК). Транспортною вона називається внаслідок того, що переносить до рибосом амінокислоти тобто транспортує їх. Встановлено, що з тРНК з’єднується лише та амінокислота, яка заряджена енергією, одержаною від АТФ. Для кожної амінокислоти існує одна або декілька тРНК. Всі тРНК характерні загальною властивістю: на одному кінці завжди стоїть гуанін, а на іншому три нуклеотиди АЦЦ. Всі тРНК можуть бути зображені у вигляді листка конюшини, в середній петлі якого розміщується антикодон. Для цієї структури характерна наявність чотирьох зон з спареними основами, трьох петель і вигинів з неспареними основами. В неспарених областях розміщуються незвичайні основи: інозинова, 1-метилінозинова, 1-метилгуанілова, N,N-диметилгуанілова, уридилова, риботимідилова, і дигідроуридилова кислоти. Всі вони не здатні утворювати комплементарні пари, а тому саме в цих місцях і утворюються петлі і вигини.

Транспортні РНК складають близько 10% від всієї РНК, що знаходиться в клітині.

Геном людини містить приблизно 1200 генів різних тРНК і кожну тРНК кодує від 10 до 20 генів (РЖ Генетика человека, 1991, 5я585).

Крім вказаних РНК виділяють ще вірусну РНК, яка характерна для вірусів рослин (віруси рослин мають лише РНК) та деяких вірусів тварин (можуть мати і ДНК). В останні роки в клітинах еукаріот відкрито декілька нових видів РНК, будова і функції яких вивчаються.

Кількість РНК в ядрі нестала і дуже змінюється залежно від функціонального стану клітини, чого не можна сказати про ДНК. Якщо в наборі хромосом в особини даного виду вся генетична інформація закодована у вигляді молекул ДНК, то можна припустити, що вміст ДНК у всіх диплоїдних клітинах особини повинен бути постійним. З допомогою біохімічних та цитофотометричних методів вдалося одержати відомості про постійність вмісту ДНК в клітинах. Так, наприклад, диплоїдні клітини різних тканин птахів містять 2,5х10^-12 г ДНК, тоді як гаплоїдні сперматозоїди містять половину цієї кількості. Загальна кількість ДНК, що входить до складу ядра коливається від виду до виду, хоча у мікроорганізмів кількість ДНК на клітину значно нижча ніж у вищих рослин і тварин. Так, у миші на ядро приходиться майже в 600 разів більшу ДНК, ніж в кишечної палички. Порівнюючи кількість ДНК на клітину у еукаріотичних організмів, важко виявити які-небудь кореляції між ступенем складності організму і кількістю ДНК на ядро. Приблизно однакову кількість ДНК мають такі різні організми, як льон, морський їжак, окунь або бик. Значні коливання кількості ДНК у великих таксономічних групах. Серед вищих рослин кількість ДНК у різних видів може відрізнятися в сотні разів, так як і серед риб, в десятки разів відрізняється кількість ДНК у амфібій.

У деяких амфібій в ядрах кількість ДНК більша, ніж в ядрах людини, в 10-30 разів, хоча генетична конструкція людини незрівнянно складніша ніж у жаби. Таким чином, можна припустити, що «лишня» кількість ДНК у низько організованих організмів або незв’язана з виконанням генетичної ролі, або число генів повторюється в те чи інше число разів.

Ядро клітини, що не ділиться частіше називають інтерфазним ядром. Раніше вважалося, що таке ядро знаходиться в стані спокою, але на основі значної кількості фактів вияснено, що таке уявлення не відповідає дійсності оскільки саме в цей період процеси обміну в ньому проходять найбільш інтенсивно. Основними структурами інтерфазного ядра є ядерна оболонка, ядерний сік, хроматин і ядерце.