3. Генетический аппарат вирусов и фагов

Вирусы — это внеклеточная форма жизни, обладающая соб­ственным геномом и способная к воспроизведению только в клет­ках живых организмов.

Вирион (или вирусная частица) состоит из одной или не­скольких молекул ДНК или РНК, заключенных в белковую обо­лочку (капсид), иногда содержащую также липидные и углеводные компоненты.

Вирусы размножаются только после инфицирования живых клеток. Различные вирусы проникают в животные и растительные клетки, а также бактерии (вирусы бактерий называются бактерио­фагами). Вирусы являются внутриклеточными паразитами на гене­тическом уровне и используют для своего размножения белок- синтезирующий аппарат клетки-хозяина.

Жизненный цикл вируса начинается с проникновения внутрь клетки. Для этого он связывается со специфическими рецепторами на ее поверхности и либо вводит свою нуклеиновую кислоту внутрь клетки, оставляя белки вириона на ее поверхности, либо проникает целиком в результате эндоцитоза. В последнем случае после проникновения вируса внутрь клетки следует его «раздева­ние» — освобождение геномных нуклеиновых кислот от белков оболочки. В результате этой процедуры вирусный геном становится доступным для ферментных систем клетки, обеспечивающих экс­прессию генов вируса. Именно после проникновения вирусной геномной нуклеиновой кислоты в клетку заключенная в ней гене­тическая информация расшифровывается генетическими система­ми хозяина и используется для синтеза компонентов вирусных час­тиц. По сравнению с геномами других организмов вирусный геном относительно мал и кодирует лишь ограниченное число белков, в основном белки капсида и один или несколько белков, участвую­щих в репликации и экспрессии вирусного генома. Необходимые метаболиты и энергия поставляются хозяйской клеткой.

Геном вирусов, заключенный внутри вирионов, может быть представлен ДНК или РНК, последние могут быть одно- и двуцепочечными, кольцевыми и линейными.

По сложности строения генома вирусы широко варьируют. - от фага Q_p (РНК-содержащий вирус бактерий), имеющего 4 гена, до вируса оспы (ДНК-содержащий вирус), геном которого насчиты­вает около 250 генов. Кроме того, все гены вирусов могут быть за­ключены в одной молекуле нуклеиновой кислоты или распределены по нескольким молекулам, которые вместе и составляют геном та­кого вируса. Например, у реовирусов геном представлен двуцепо- чечной РНК и состоит из 10 молекул (или сегментов). Геномы ви­русов, содержащих одноцепочечную РНК, также могут быть либо цельными (ретровирус), либо сегментированными (вирус гриппа). Геном РН К -содержат их вирусов представлен только линейными молекулами РНК.

Все известные ДНК-содержащие вирусы позвоночных имеют геном, заключенный в одной молекуле ДНК, линейной или кольце­вой, одно- или двуцегючечной.

У некоторых вирусов, например у вируса гепатита В, геном представлен кольцевой молекулой двуцепочечной ДНК, в обеих цепях которой в разных местах обнаружены одноцепочечные участ­ки.

4.Генетический аппарат эукариотической клетки

Ядро эукариотических клеток

Термин «ядро» впервые был применен Брауном в 1833 г. для обозначения шаровидных постоянных структур в клетках растений.

Ядерный аппарат эукариотических клеток имеет ряд отличий от прокариотических: ДНК-содержащий компонент отделен от цитоплазмы ядерной оболочкой; количество ДНК в ядрах эукариот в тысячи раз больше, чем в составе нуклеоидов бактерий; ДНК эукариот представляет собой сложный нуклеопротеидный комплекс, образующий специальную структуру - хроматин, из которого и состоят эукариотические хромосомы. Далее, в состав ядер эукариот входят несколько физически не связанных хромосом, каждая из которых содержит одну линейную гигантскую молекулу ДНК. Каждая хромосомная ДНК представляет собой полирепликонную структуру, т.е. содержит множеств автономно реплицирующихся участков. Синтез и образование транскриптов эукариотических клеток сопровождаются процессами вторичной их перестройки, «созревания», включающей в себя как фрагментацию (процессинг), так и сращивание отдельных фрагментов ДНК (сплайсинг). В ядрах не происходит синтеза белков, т.е. в эукариотических клетках процессы синтеза ДНК и РНК разобщены от процесса синтеза белков.

Клеточное ядро состоит из ядерной оболочки, отделяющей его от цитоплазмы, хроматина, ядрышка и других продуктов синтетической активности, ядерного белкового остова (матрикса) и кариоплазмы (или ядерного сока). Эти основные компоненты встречаются практически во всех неделящихся клетках эукариотических одно- или многоклеточных организмов.

Главный компонент ядер — хроматин, является структурой, выполняющей генетическую функцию клетки, в хроматиновой ДНК заложена практически вся генетическая информация. Ядерная оболочка выполняет сложную барьерно-рецепторную, а также транспортную и каркасную функции. Нехроматиновый ядерный белковый остов (матрикс) обеспечивает не только пространственное расположение хромосом в ядре, но и участвует в их функциональной активности. Одним из хромосомных участков, определяющих синтез рРНК и образование клеточных рибосом, является ядрышко. Между всеми этими компонентами заключена жидкая фаза клеточного ядра - кариоплазма, в которой протекают многие процессы, связанные как с ядерным метаболизмом, так и с внутриядерным транспортом белков и РНК.

При наблюдении многих живых клеток, особенно растительных, или же клеток после фиксации и окраски внутри ядра выявляются зоны плотного вещества, которое хорошо окрашиваются разными красителями, особенно основными. Благодаря этому свойству выявленный компонент ядра получил название «хроматин».

В отличие от прокариотических клеток ДНК-содержащий материал хроматина эукариот может пребывать в двух альтернативных состояниях: деконденсированном в интерфазе и в максимально уплотненном во время митоза, в составе митотических хромосом.

В неделящихся (интерфазных) клетках хроматин, выявляемый с помощью светового микроскопа, может равномерно заполнять объем ядра или же располагаться отдельными сгустками (хромоцентры). Нередко он особенно четко обнаруживается на периферии ядра или образует внутри ядра переплетения довольно толстых (около 0,3 мкм) и длинных тяжей в виде внутриядерной сети. Такие ядра часто встречаются в клетках растений.

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 деконденсированы, эти зоны называют диффузным хроматином. При неполном разрыхлении хромосом в интерфазном ядре видны участки конденсированного хроматина (иногда называемого гетерохроматином). Многочисленными работами показано, что степень деконденсации хромосомного материала — хроматина, в интерфазе может отражать функциональную нагрузку этой структуры. Чем более диффузен хроматин интерфазного ядра, тем выше в нем синтетические процессы. При стимуляции этих клеток к синтезу ДНК по мере включения предшественника ДНК 3Н-тимидина происходит постепенная деконденсация хроматина. Таким же образом меняется структура хроматина при синтезе РНК. Падение синтеза ДНК и РНК в клетках обычно сопровождается увеличением зон конденсированного хроматина. В эритроцитах низших позвоночных практически весь хроматин ядер находится в конденсированном состоянии, и в этих ядрах не происходит синтеза ни РНК, ни ДНК. Если же ядра этих клеток стимулировать к синтезу РНК, например в гетерокарионах, то они переходят в диффузное состояние.

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

Исходя из этого, можно считать, что хромосомы клеток могут находиться в двух структурно-функциональных состояниях: в рабочем, частично или полностью деконденсированном, когда с их участием в интерфазном ядре происходят процессы транскрипции и редупликации, и в неактивном - в состоянии метаболического покоя при максимальной их конденсации, когда они выполняют функцию распределения и переноса генетического материала в дочерние клетки.