Ядро клетки. Структурно-функциональные уровни организации наследственного материала про- и эукариот.

1. Ядерная оболочка, особенности организации и функции.

Ядерная оболочка состоит из 2 мембран: наружной и внутренней. Между ними - перинуклеарное пространство.

В ядерной оболочке есть поры. Они имеют сложное строение. Чем активнее клетка, тем пор больше. Через поры идет транспорт веществ в ядро и из него. Крупные молекулы (белки, субъединицы рибосом) транспортируются через ядерные поры, а небольшие молекулы (сахара) через саму клеточную мембрану.

Функции ядерной оболочки:

1. ограничение содержимого ядра от цитоплазмы

2. обеспечение ядерно-цитоплазматического взаимодействия

3. регуляция транспорта веществ и органелл

2. Перечислить компоненты интерфазного ядра и охарактеризовать ядерный матрикс.

Компоненты интерфазного ядра: ядерная оболочка, ядерный матрикс, ядерный сок, ядрышко, хромосомы. Ядерный матрикс (ядерный скелет) – это сетчатая конструкция, образованная плотноупакованными нитями из нерастворимых белков. Ядерный скелет поддерживает форму ядра.

3. Что представляют собой по химической природе ядрышки, их функция. У каких хромосом человека формируются ядрышки.

В ядре клетки может быть одно или несколько сфероидальных телец, получивших название – ядрышки. Основным химическим компонентом ядрышка являются белки. Функция ядрышек – синтез рибосом. Рибосомные РНК, необходимые для сборки рибосом, образуются в зоне ядрышек. Их синтез происходит на генах рибосомных РНК, расположенных в ядрышковых организаторах. Ядрышки – это машины по синтезу рибосом. Имеются данные, что в 1 минуту одно ядрышко синтезирует до 3 тысяч рибосом.

Ядрышки формируются в области вторичных перетяжек спутничных хромосом человека (13, 14, 15, 21 и 22 пары). 

Эти участки называются ядрышковыми организаторами и содержат гены, кодирующие синтез рибосомальных РНК. 

4. Охарактеризовать ядерно-цитоплазматический транспорт веществ.

1. активный транспорт, требующий затрат энергии, а также специальных белков-рецепторов,

2. пассивный транспорт, протекающий путем простой диффузии молекул через канал ядерной поры.

Активный транспорт. Путём активного транспорта через ядерные поры могут проходить гораздо более крупные молекулы и целые надмолекулярные комплексы. Так, рибосомные субъединицы Молекулы РНК, синтезируемые в ядре, поступают через поры в цитоплазму, а в ядро попадают белки.

Пассивный транспорт. Молекулы небольших размеров (ионы, метаболиты, мононуклеотиды и т. д.) способны пассивно диффундировать в ядро. Пропускная способность ядерных пор для пассивной диффузии может изменяться в зависимости от типа клетки и стадии клеточного цикла.

5. В чем сущность полярности и антипараллельности полинуклеотидных цепей молекулы ДНК.

Полярность: в полинуклеотидной цепи первый нуклеотид будет стоять на 5'-конце,а последний на 3'-конце. Полярность цепи играет важную роль при синтезе ДНК: удлинение цепи возможно только путём присоединения новых нуклеотидов к свободному 3'-концу.

Антипараллельность – это противоположная направленность двух полинуклеотидных цепей двойной спирали: 5'-конец одной цепи соединяется с 3'-концом другой, и наоборот.

6. В чем сущность комплементарности при формировании молекулы ДНК.

Молекула ДНК состоят из двух полинуклеотидный цепочек, которые соединены водородными связями. Водородные связи возникают между азотистыми основаниями. Притом, аденин одной цепи соединяется 2мя водородными связями с тимином другой цепи, а гуанин 3мя водородными связями с цитозином. Эта закономерность и составляет сущность комплементарности.

7. Дать определение гена и генома с точки зрения молекулярной генетики. Перечислить компоненты генома человека.

Ген – это последовательность нуклеотидов ДНК, в которой содержится информация о последовательности аминокислот полипептидной цепи белка, либо нуклеотидной последовательности какого-либо вида РНК, прежде всего рРНК и тРНК. Суммарную ДНК гаплоидного набора хромосом клеток организма определяют как геном организма. В геноме эукариот (в т.ч. человека) выделяют 3 компонента - 3 типа последовательности ДНК: 

1. уникальная или редко повторяющаяся последовательность, 

2. умеренно повторяющаяся последовательность, 

3. высоко повторяющаяся последовательность. 

8. Что представляет собой физический размер генома человека и каков он в числовом выражении.

Геном человека имеет размер приблизительно 3,3х109 п.н. Таким образом, геном человека включает около трех миллиардов пар нуклеотидов. Из этого следует, что в ходе эволюции количество ДНК в геноме организмов существенно возросло (на два, три порядка), однако общее количество генов не возросло в такой степени.

9. В чем сущность избыточности ДНК у эукариот. Каковы возможные функции избыточной ДНК.

В геноме человека генов, кодирующих белки, примерно в 20 раз больше, чем у бактерий (24-25 тысяч), а количество ДНК в геноме человека больше почти на три порядка. Такое непомерное увеличение количества ДНК по отношению к количеству генов в ходе эволюции эукариот определяют как избыточность. Возможно избыточная, некодирующая ДНК в процессе эволюции использовалась для создания новых структурных генов. Сейчас становится ясным, что многие некодирующие участки ДНК вовлечены в процессы транскрипции ДНК или участвуют в регуляции работы генов.

10. Как надо понимать экзонно-интронное строение уникальных генов. Что представляет собой экзон и сколько их может быть в уникальной последовательности.

Экзонно-интронное строение – это чередование кодирующих участков (экзонов) с некодирующими участками (интронами) генов.

Экзон – это кодирующие участки ДНК, которые будут транслироваться в аминокислотные последовательности белка. Количество экзонов в уникальных генах может быть различным. Максимальное количество экзонов – 364, но в среднем в уникальных генах около 8 экзонов. В геноме эукариот на долю экзонов приходится 1,2-1,5%.

11. Охарактеризовать умеренно повторяющиеся последовательности генома человека. Гены каких молекул находятся в этих последовательностях.

1. Они составляют 10-15% ядерной ДНК.

2. Повторяются сотни и тысячи раз в геноме.

3.Включают гены рибосомных РНК и белков гистонов (Н).

4.Повторяющиеся единицы в этих последовательностях содержат определенный ген (или даже группу генов) и участки некодирующей ДНК, разделяющие гены - спейсеры. Так для белков гистонов в каждой повторяющейся единице 5 генов, которые соответствуют 5 видам гистонов: H1 спейсер H2A спейсер H2B спейсер H3 спейсер H4

12. Охарактеризовать высоко повторяющиеся последовательности генома человека.

1. Они составляет 25-28% ядерной ДНК.

2. Повторяются сотни тысяч и даже миллионы раз в геноме, но каждая копия этих последовательностей относительно короткая (от нескольких пар до нескольких сотен пар нуклеотидов).

3. Это некодирующие последовательности, которые включают ДНК структурного гетерохроматина (центромерные и теломерные районы хромосом)

13. В чем особенность организации генома прокариот по сравнению с геномом эукариот.

Прокариоты	Эукариоты
1.На гены приходится 90 % ДНК	На гены приходится 30% ДНК.
2.Кодирующая область непрерывна 9 нет интронов)	Большинство имеют экзон-интронную структуру
3.Ген следует за геном	Кодирующая область составлет 3%
4.Нет повторяющихся последовательностей	Есть повторяющиеся последовательности (у человека около 50%)

14. Характеристика генома митохондрий.

В клетках человека также присутствует митохондриальный геном, который представлен кольцевыми молекулами ДНК и составляет 16568 пар нуклеотидов. Митохондриальный геном содержит 13 генов, кодирующих полипептиды (белки), 22 гена для «собственных» транспортных РНК и 2 гена рибосомной РНК (23S и 16S). Особенностью митохондриальных генов является отсутствие в них интронов. В целом ДНК митохондрий составляет около 10% всей ДНК животной клетки.

15. Что представляет собой хроматин, химический состав, особенности белков хроматина и их функции.

В эукариотических клетках ДНК в хромосоме существует в комплексе с другими химическими компонентами и в первую очередь с белками. Этот комплекс получил название хроматин. Большая часть хроматина представлена белками (до 65%), ДНК составляет около 35%. Кроме белков и ДНК в хроматин входит: РНК, липиды, углеводы, ионы металлов (Ca, Mg) и некоторые другие компоненты, но эти вещества находятся в хроматине в малом количестве.

В состав хроматина входят: белки-гистоны и негистоновые белки.

Белки-гистоны составляют около 80% от всех белков. Они составляют около 80% всех белков хроматина. Являясь положительно заряженными основными белками, они достаточно прочно соединяются с молекулами ДНК, несущими отрицательный заряд, чем препятствуют считыванию биологической информации, заключенной в ДНК. В этом состоит их регуляторная роль. Кроме того, гистоны выполняют структурную функцию, принимая участие в компактизации ДНК.

Негистоновые белки выполняют функции: 

1. структурная

2. регуляторная  

3. ферментативная

16. Представить типы белков-гистонов и определить их значение в организации и функционировании хромосом.

Выделяют 5 типов гистонов: H1; H2A; H2B; H3; H4. Особенностью генов этих белков является отсутствие в их последовательностях интронов. Белки гистоны не только выполняют структурную функцию в хроматине, но и участвуют в механизмах функционирования наследственного материала. Негистоновые белки выполняют структурную, регуляторную и ферментативную функцию в хроматине.

17. Перечислить уровни компактизации ДНК в хромосоме.

Выделяют пять уровней упаковки (компактизации) ДНК в хромосоме или пять уровней структурной организации хромосом:

• Первый уровень – это формирование нуклеосом.

• Второй уровень – образование из нуклеосмной нити соленоидо-подобной структуры (фибриллы).

• Третий уровень компактизации ДНК – это формирование хроматиновых петель

• Четвёртый уровень – формирование хроматид.

• Пятый уровень – образование метафазных хромосом.

18. Что представляет собой нуклеосома и как она формируется.

Нуклеосома – повторяющаяся структурная единица хромосомы. Формирование нуклеосом можно представить путём накручивания спирально молекул ДНК на белковый остов, состоящий из 8 молекул гистонов четырёх типов: H2A; H2B; H3; H4 (гистоновый октамер, белковый кор). При этом молекула ДНК делает около двух витков вокруг белкового остова и переходит на другой остов. Часть ДНК, связывающая 2 нуклеосомы, получила название – линкерная нить. При этом происходит 7-кратное укорочение ДНК. 

19. Что представляет собой второй уровень компактизации ДНК в хромосоме.

На втором уровне компактизации ДНК нуклеосомная нить закручивается в спираль с образованием соленоидо-подобной структуры (фибриллы). Стабильность этого уровня организации хромосомы обеспечивается гистоном H1, который «сшивает» витки ДНК соленоидаПри этом длина нити ДНК сокращается в 50 раз от исходной.

20. Что представляет собой третий уровень компактизации ДНК в хромосоме.

Третий уровень компактизации ДНК – это формирование хроматиновых петель (рис. 3). Хроматиновые соленоидо-подобные фибриллы укладываются в виде петель, диаметр фибриллы увеличивается до 300 нм. Степень компактизации при этом составляет 103 , первоначальная длина молекулы ДНК сокращается в 1000 раз.

21. Что представляют собой 4-й и 5-й уровни компактизации ДНК в хромосоме.

На четвёртом уровне компактизации ДНК фибриллы с хроматиновыми петлями многократно складываются и превращаются в хроматиды диаметром 700 нм. Длина молекулы ДНК в хроматиде сокращается в 2-3 тысячи раз от исходной.

На пятом уровне наблюдается максимальная степень компактизации ДНК с образованием метафазных хромосом. При такой упаковке происходит укорочение метафазных хромосом по сравнению с размерами заключённой в них молекулы ДНК примерно в 10 тысяч раз.

22. Что представляет собой центромеры хромосом и какие функции они выполняют.

В метафазной хромосоме можно выделить центромеру (первичную перетяжку), которая делит хромосому на два плеча. Они обеспечивают: удержание хромосом; правильность выстраивания хромосом по экватору в метафазу; прикрепление к веретену деления; отвечают за контроль наступления анафазы. В центромерах локализованы повторяющиеся последовательности нуклеотидов генома.

23. Представить классификацию хромосом в зависимости от положения центромеры.

В зависимости от положения центромеры хромосомы человека делятся на четыре типа: 1) метацентрические хромосомы, обладающие плечами примерно равной длины (равноплечие); 2) субметацентрические хромосомы с плечами неравной длины (умеренно неравноплечие); 3) очень субметацентрические хромосомы (выражено неравноплечие); 4) акроцентрические хромосомы с очень коротким вторым плечом.

24. Что представляет собой ядрышко-образующие районы хромосом, их предназначение. Перечислить хромосомы человека, имеющие эти районы.

Ядрышко образуется в определенных участках некоторых хромосом - в ядрышковых организаторах (ядрышко-образующих районах). Они располагаются в области вторичных перетяжек некоторых хромосом и содержат гены, кодирующие рРНК.  У человека ядрышковые организаторы имеют 13,14,15 и 21,22 пары хромосом.

25. Структурная организация и функциональная значимость теломерных районов хромосом.

Теломеры – концевые участки хромосом. Они расположены на обоих концах линейной хромосомы. В теломерных районах хромосом локализованы в основном двунитевые некодирующие повторы (ТТАГГГ)n, заканчивающиеся 3′-однонитевым участком. Основными функциями теломер являются: сохранение целостности хромосомы; обеспечение её полной репликации. Кроме того, теломеры: а) участвуют в прикреплении хромосом к ядерному матриксу; б) способствуют конъюгации хромосом и кроссинговеру в профазу мейоза I; в) способствуют удержанию сестринских хроматид в метафазу митоза

26. Конститутивный (структурный) гетерохроматин, его локализация в хромосомах и функциональное назначение.

Конституционный (сруктурный) гетерохроматин стабильно выявляется в хромосомах в зоне центромеры. Он в целом генетически инертный, так как не содержит активно транскрибируемых генов.  Он содержит многократно повторяющиеся последовательности ДНК, которые выполняют, как правило, структурную функцию.

27. Что представляет собой факультативный гетерохроматин, пример.

Факультативный гетерохроматин – это гетерохроматизированные эухроматические районы хромосом. Примером факультативного гетерохроматина является тельце полового хроматина (тельце Барра), которое образуется в клетках гомогаметного пола (у женщин). При этом одна из двух Х-хромосом сворачивается, плотно укладывается, хорошо прокрашивается и выглядит в виде тельца у ядерной оболочки.

28. Что представляет собой эухроматин интерфазных хромосом, его функциональная значимость

Эухроматин – это менее конденсированные районы хромосом. Обычно эухроматин не виден в световой микроскоп, либо виден в виде слабоокрашенных структур. Эухроматин транскрипционно активен, содержит функционирующие гены.

29. Дать определение кариотипа. Что представляет собой кариотип человека?

Кариотип - Хромосомный набор клеток данного вида организмов с характерным числом, морфологическими особенностями отдельных хромосом. В кариотипе человека 23 пары хромосом. 22 пары хромосом одинаковы у мужчин и женщин - аутосомы. Одна пара хромосом – половые хромосомы, у мужчин это хромосомы Х и У, у женщин - две Х хромосомы.

30. Дифференциальное окрашивание хромосом, его сущность и возможности.

Для исследования хромосом человека у него берут лейкоциты крови, и обрабатывают их специальными веществами, которые запускают митоз (митогенами). Через 48 часов клетки будут на стадии метафазы, и деление останавливают с помощью веществ, которые разрушают нити веретена деления (колхицин). Затем производят дифференциальное окрашивание хромосом – используют специальные красители, которые избирательно поглощаются определёнными участками хромосомы. При микроскопировании хромосом они выглядят полосатыми, более сильно окрашенные участки хромосом называются районами, или бэндами.

31. Что такое бенд при дифференциальной окраске хромосом. Определите положение представленного участка хромосомы: 1p31

Бэнд – это участок хромосомы, отличающийся от соседних по интенсивности окраски при использовании метода дифференциальной окраски.

1p31 – первый бенд, локализованный в третьем районе короткого плеча хромосомы 1.

32. Какие хромосомы человека относятся к 1-2 группам согласно принятой классификации, их характеристика.

    Группа	Хромосомы	Описание
    А(1)	1-3	Большие, метацентрические
    В(II)	4,5	Большие, очень субметацентрические

33. Какие хромосомы человека относятся к 3-4 группам согласно принятой классификации, их характеристика.

    Группа	Хромосомы	Описание
    С(III)	6-12, Х	Среднего размера, субметацентрические
    D(IV)	13-15	Среднего размера, акроцентрические со спутниками

34. Какие хромосомы человека относятся к 5-7 группам согласно принятой классификации, их характеристика.

Группа	Хромосомы	Описание
E(V)	16-18	Маленькие, 16 хромосома – метацентрическая, 17 и 18 - субметацентрические
F(VI)	19,20	Маленькие, метацентрические
G(VII)	21,22, Y	Маленькие, акроцентрические со спутниками Маленькая, акроцентрическая без ступников