Молекулярная организация и функционирование биосистем

Размещено на http://www.allbest.ru/

Молекулярная организация и функционирование биосистем

1. Четвертичная структура ДНК. Хромосомы

Четвертичная структура ДНК - это укладка нуклеосом в хроматин, так что молекула ДНК длинной в несколько сантиметров складывается до 5 нм. Хроматин на окрашенных препаратах клетки представляет собой сеть тонких тяжей (фибрилл), мелких гранул или глыбок. Основу хроматина составляют нуклеопротеины - длинные нитевидные молекулы ДНК (40%), соединенные со специфическими белками - гистонами (40%). Гистоны - это основной класс нуклеопотеинов, ядерных белков, необходимых для сборки и упаковки нитей ДНК в хромосомы. Существует пять различных видов гистонов: Н1, Н2А, Н2В, Н3, Н4. Гистоны обогащены аминокислотами с положительно заряженными (аргинин, лизин) и гидрофобными (валин и т.п.) радикалами. При этом благодаря радикалам аргинина и лизина гистоны взаимодействуют с ДНК, а благодаря гидрофобным радикалам друг с другом. Гистоны выполняют важную структурообразующую функцию.

В состав хроматина входит также РНК, кислые белки (вероятно кислые белки тоже играют структурную роль, участвуя в образовании высших, наднуклеомерных, уровней укладки хромосом), липиды и минеральные вещества (Ca?+ и Mg?+), а также фермент ДНК-полимераза, необходимый для репликации ДНК. В процессе деления ядра нуклеопротеины спирализуются, укорачиваются, в результате уплотняются и формируются в компактные палочковидные хромосомы, которые становятся заметны при наблюдении в световой микроскоп. Хромосома - это наиболее компактная форма наследственного материала клетки (по сравнению с нитью ДНК укорочение составляет примерно 1600 раз). У большинства эукариот ДНК скручивается до такой степени только на время деления.

Строение хромосом. У каждой хромосомы имеется первичная перетяжка - центромера (утонченный неспирализованный участок), которая делит хромосому на два плеча. В области первичной перетяжки располагается фибриллярное тельце - кинетохор, который регулирует движение хромосом при клеточном делении: к нему прикрепляются нити веретена деления, разводящие хромосомы к полюсам.

Рис. 1. Строение хромосомы: 1 - первичная перетяжка (ценромера); 2 - плечи хромосомы; 3 - молекулы ДНК; 4 - теломеры

В зависимости от расположения перетяжки выделяют три основные вида хромосом:

1. Равноплечие - с плечами равной длины;

2. Неравноплечие - с плечами неравной длины;

3. Одноплечие (палочковидные) - с одним длинным и другим очень коротким, едва заметным плечом.

Рис. 2. Основные виды хромосом: 1 ? равноплечие хромосомы; 2 - неравноплечие хромосомы; 3 - одноплечие хромосомы

Вторичная перетяжка - ядрышковый организатор, содержит гены рРНК, имеется у одной - двух хромосом в геноме. Этот участок хромосомы контролирует синтез ядрышка.

Теломеры - концевые участки хромосом, содержащие до 10 тысяч пар нуклеотидов с повторяющейся последовательностью ТТАГГГ. Теломеры не содержат генов, они:

· защищают концы хромосом он действия нуклеаз - ферментов, разрушающих ДНК.

· обеспечивают прикрепление концов хромосом изнутри к ядерной оболочке.

· защищают гены от концевой недорепликации.

Каждой клетке того или иного вида живых организмов свойственны определенные число, размеры и форма хромосом. Совокупность хромосом соматической клетки, типичной для данной систематической группы грибов, животных или растений, называют хромосомным набором или кариотипом.

Число хромосом в зрелых половых клетках называют гаплоидным набором и обозначают буквой n. Соматические клетки содержат двойное число хромосом (диплоидный набор), обозначаемое как 2n. Клетки, имеющие более двух наборов хромосом, являются полиплоидными (4n, 8n и т.д.). Парные хромосомы, то есть одинаковые по форме, структуре и размерам, но имеющие разное происхождение (одна материнская, другая отцовская), называются гомологичными.

Количество хромосом в кариотипе не связано с уровнем организации живых организмов: примитивные формы могут иметь большее число хромосом, чем высокоорганизованные, и наоборот. В геноме у человека присутствует 23 пары хромосом: 22 пары аутосомных хромосом, а также пара половых хромосомы X и Y. У человека мужской пол является гетерогаметным и определяется наличием Y хромосомы. Нормальные диплоидные соматические клетки имеют 46 хромосом.

2. Индукция и репрессия синтеза ферментов

гаплоидный хромосома фермент молекулярный

Индукция фермента - это относительное увеличение скорости синтеза фермента в ответ на появления химического соединения. В большинстве случаев регуляция путем индукции характерна для катаболических путей, где в качестве индукторов выступают обычно субстраты этих путей.

У бактерий доказана индукция ферментов (т.е. синтез ферментов) при добавлении в питательную среду субстратов этих ферментов. В бактериальных клетках имеются ферменты, количества которых могут резко меняться в зависимости от состава питательных веществ среды. Это происходит в результате того, что гены, детерминирующие эти ферменты, включаются или выключаются по мере надобности. Их называют индуцибельными. При отсутствии в среде субстратов этих ферментов, последние содержатся в клетке в следовых количествах. Если в среду добавить вещество, служащее субстратом определенного фермента, происходит быстрый синтез этого фермента в клетке, то есть имеет место индукция синтеза фермента.

Индуцированный синтез ферментов у микроорганизмов был описан в 30-х гг., но механизм этого процесса долгое время оставался непонятен. Индуцированный синтез ферментов лежит в основе широко известного явления адаптации организмов к различным условиям. Успехи, достигнутые в расшифровке механизмов регуляции клеточного метаболизма, позволили объяснить природу этого явления, его механизм и роль в клетке.

Репрессия ферментов - это подавления синтеза какого-либо фермента в присутствии определенного (порогового) количества продукта, образуемого в цепи метаболических реакций с его участием.

Репрессия может быть координированной, то есть синтез каждого фермента данного пути в одинаковой степени подавляется конечным продуктом. Часто синтез ферментов одного пути репрессируется в разной степени. В разветвленных биосинтетических путях механизмы репрессии могут быть модифицированы, чтобы лучше обеспечить регуляцию нескольких конечных продуктов из общего исходного субстрата. Синтез многих ферментов в таких путях репрессируется только при совместном действии всех конечных продуктов. Если реакция на общем участке разветвленного пути катализируется изоферментами, синтез каждого из них находится под контролем «своего» конечного продукта.

Механизм репрессии конечным продуктом на уровне транскрипции стал проясняться с 50-х гг. XX в. Большой вклад в это внесли работы Ф. Жакоба и Ж. Моно. Было показано, что наряду со структурными генами, кодирующими синтез ферментов, в бактериальном геноме существуют специальные регуляторные гены.

Кроме репрессии конечным продуктом, характерной для анаболических путей, описан тип репрессии, называемой катаболитной и заключающейся в том, что быстро используемые клеткой источники энергии способны подавлять синтез ферментов других путей катаболизма, участвующих в метаболизировании сравнительно медленно используемых источников энергии. Катаболитную репрессию можно рассматривать как приспособление клетки к использованию в первую очередь наиболее легко доступных источников энергии. В присутствии такого источника энергии потребление других субстратов, менее «удобных» для клетки, временно приостанавливается, и пути катаболизирования этих субстратов временно выключаются.

Механизмы индукции и репрессии предохраняют клетку от напрасной траты аминокислот и энергии на образование ненужных в данных условиях ферментов, однако, когда появляется необходимость, эти ферменты могут быстро синтезироваться.

Список литературы

1. Албертс Б., Брей Д., Льюис Дж., Рэфф М., Робертс К., Уотсон Дж. Молекулярная биология клетки: В 3-х т. 2-е изд., перераб. и доп. Т. 1. Пер. с англ. Изд. «Мир» ? Москва 1994 г. - 517 с.

2. Албертс Б., Брей Д., Льюис Дж., Рэфф М., Робертс К., Уотсон Дж. Молекулярная биология клетки: В 3-х т. 2-е изд., перераб. и доп. Т. 2. Пер. с англ. Изд. «Мир» ? Москва 1993 г. - 539 с.

3. С.Б. Бокуть, Н.В. Герасимович, А.А. Милютин. Молекулярная биология: молекулярные механизмы хранения, воспроизведения и реализации наследственной информации: учеб. пособие. Изд. «Высшая школа» ? Минск 2005 г. - 463 с.

4. Льюин Б. Гены. Пер. с англ. Изд. «Мир» ? Москва 1987 г. - 544 с.

5. В.К. Плакунов. Основы энзимологии. Изд. «Логос» ? Москва 2001 г. - 128 с.

6. В. Эллиот, Д. Эллиот. Биохимия и молекулярная биология. Пер. с англ. Изд. МАИК «Наука / Интерпериодика» ? Москва 2002 г. - 446 с.

Размещено на Allbest.ru