Размещено на http://www.allbest.ru/

Наследственный аппарат клеток

Это клеточная структура, обеспечивающая способность клетки к самовоспроизведению и передачу наследственной (генетической) информации потомству. Все живые организмы на Земле состоят из клеток. Клетка - это та минимальная структура живого, которая обладает всеми жизненными свойствами - способностью к обмену веществ, росту, развитию, передаче генетической информации, саморегуляции и самообновлению. Клетки разных организмов отличаются друг от друга по своим размерам, форме и функциям. Яйцо страуса и икринка лягушки состоят из одной клетки. Мышечные клетки обладают сократимостью, а нервные клетки проводят нервные импульсы. Различия в строении клеток во многом зависят от функций, которые они выполняют в организмах. Чем сложнее устроен организм, тем более разнообразны по своему строению и функциям его клетки. Каждый вид клеток имеет определенные размеры и форму. Сходство в строении клеток различных организмов, общность их основных свойств подтверждают общность их происхождения и позволяют сделать вывод о единстве органического мира, является доказательством родства живой природы. На этом уроке вы заглянете внутрь клетки и узнаете о её «устройстве».

Каждая клетка имеет три обязательные части: клеточную мембрану, цитоплазму и генетический аппарат. Клеточная мембрана ограничивает внутреннее содержимое клетки, защищает его от неблагоприятных влияний окружающей среды, поддерживает определённую форму клеток, обеспечивает обмен веществ между содержимым клетки и внешней средой.

Цитоплазма объединяет все клеточные структуры и обеспечивает их взаимодействие. Генетический аппарат контролирует все процессы жизнедеятельности и определяет способность клетки к самовоспроизведению.

Свойства и функции наследственного материала

Носителем наследственной информации являются нуклеиновые кислоты (главным образом ДНК, исключение - РНК содержащие вирусы). Единицей наследственности является ген, который с точки зрения молекулярной биологии определяется как участок ДНК, характеризирующийся определенной последовательностью нуклеотидов.

Способность ДНК, как химической основы гена, к редупликации обеспечивает передачу наследственной информации из поколения в поколение.

Генетическая информация о первичной структуре белка кодируется с помощью определенной последовательности нуклеотидов в цепи ДНК.

Биосинтез белка является процессом реализации наследственной информации. Образовавшиеся белки - ферменты вступают в цепь биохимических реакций, конечным результатом которых являются формирование фенотипического выражения признака.

Наследственный материал - компоненты клетки, структурно-функциональное единство которых обеспечивает хранение, реализацию и передачу наследственной информации при вегетативном и половом размножении.

Всеми этими свойствами обладают молекулы ДНК или реже РНК (у некоторых вирусов), в которых закодирована наследственная информация.

Основными свойствами наследственного материала являются:

· Способность к изменению генетической информации (мутации).

· Способность к репарации и к передаче ее от поколения к поколению (процесс восстановления природной структуры ДНК, поврежденной при нормальном биосинтезе ДНК в клетке химическими или физическими агентами).

· Способность к реализации - синтезу белка, кодируемого геном при участии двух матричных процессов: транскрипции и трансляции.

· Генетический материал обладает устойчивостью. Устойчивость генетического материала обеспечивается: - диплоидным набором хромосом; - двойной спиралью ДНК; - вырожденностью генетического кода; - повтором некоторых генов; - репарацией нарушенной структуры ДНК.

Функции наследственного материала:

1. Хранение и передача информации

2. Синтез белка, кодируемого геном при участии двух матричных процессов: транскрипции и трансляции.

Динамика структуры хромосом в клеточном цикле

Обязательным компонентом клеточного цикла является митотический цикл, включающий подготовку к делению и само деление. В жизненном цикле есть также периоды покоя, когда клетка только исполняет свой функций и избирает свою дальнейшую судьбу (погибнуть либо возвратится в митотический цикл).

Подготовка клетки к делению, или интерфаза, составляет значительную часть митотического цикла.

Она состоит из трех подпериодов:

1. постмитотический, или пресинтетический - G1,

2. синтетический - S

3. постсинтетический, или премитотический - G2.

Период G1 - самый вариабельный по продолжительности. Вовремя его в клетке активизируются процессы биологического синтеза, в первую очередь структурных и функциональных белков. Клетка растет и готовится к следующему периоду.

Период S - главный в митотическом цикле. В делящихся клетках млекопитающих он длится около 6 - 10 ч. В это время клетка продолжает синтезировать РНК, белки, но самое важное осуществляет синтез ДНК. Редупликация ДНК происходит асинхронно. Но к концу S - периода вся ядерная ДНК удваивается, каждая хромосома становится двунитчатой, то есть состоит из двух хроматид - идентичных молекул ДНК.

Период G2 относительно короток, в клетках млекопитатающих он составляет около 2 - 5 ч. В это время количество центриолей, митохондрией и пластид удваивается, идут активные метаболические процессы, накапливаются белки и энергия для предстоящего деления. Клетка приступает к делению.

Митоз - тип деления клетки, при котором образуются дочерние клетки с таким же набором хромосом, как и у материнской клетки.

Значение митоза: обеспечивает равномерное распределение хромосом между дочерними клетками.

Регуляторная роль компонентов хромосом заключается в «запрещении» или «разрешении» считывания информации с молекулы ДНК.

В первой половине митоза хромосомы состоят из двух хроматид. соединенных между собой в области первичной перетяжки (центромеры) особым образом организованного участка хромосомы, общего для обеих сестринских хроматид. Во второй половине митоза происходит отделение хроматид друг от друга. Из них образуются однонитчатые дочерние хромосомы, распределяющиеся между дочерними клетками.

Гетерохроматин -- участки хроматина, находящиеся в течение клеточного цикла в конденсированном (компактном) состоянии. Особенностью гетерохроматиновой ДНК является крайне низкая транскрибируемость.

Эухроматин - вещество хромосомы, сохраняющее деспирализованное (диффузное) состояние в покоящемся ядре и спирализующееся при делении клеток. Содержит большинство структурных генов организма

Структурная организация хроматина

Хроматин в зависимости от периода и фазы клеточного цикла меняет свою организацию. В интерфазе он выявляется в виде глыбок, рассеянных в нуклеоплазме ядра (в ядерном соке). При переходе клетки к митозу, особенно в метафазе, хроматин приобретает вид интенсивно окрашенных телец -- хромосом. Интерфазную и метафазную формы существования хроматина рассматривают как два различных состояния одного и того же вещества, связанных в митотическом цикле взаимопереходами, и в основе обеих эти форм лежит одна и та же элементарная нитчатая структура. Т.е. хроматин представляет собой спирализованную нить.

Первый уровень спирализации - образование двойной спирали ДНК, построенной по принципу комплементарности (открыт впервые Уотсоном и Криком).

Второй уровень (упаковка молекулы ДНК в нуклеосомную нить с помощью гистоновых и негистоновых белков). Нуклеосомная нить. Этот уровень организации хроматина обеспечивается четырьмя видами нуклеосомных гистонов: Н2А, Н2В, НЗ, Н4. Они образуют напоминающие по форме шайбу белковые тела -- коры, состоящие из восьми молекул (по две молекулы каждого вида гистонов) Молекула ДНК соединяется с белковыми корами, спирально накручиваясь на них. Эти области, расположенные с интервалами в несколько тысяч пар нуклеотидов, играют важную роль в дальнейшей упаковке хроматина, так как содержат нуклеотидные последовательности, специфически узнаваемые различными негистоновыми белками.

Третий уровень. Хроматиновая фибрилла (нуклеомерный уровень). Дальнейшая компактизация нуклеосомной нити обеспечивается гистоном Н1, который сближает белковые коры. В результате образуется более компактная структура, построенная, возможно, по типу соленоида. Такая Хроматиновая фибрилла, называемая также элементарной, имеет диаметр 20--30 нм.

Четвертичный уровень. Интерфазная хромонема. (Хромомерный) Скручивание самой нуклеосомной нити приводит к образованию элементарной хроматиновой фибриллы. Каждая хроматида состоит из одной фибриллы.

Пятый уровень (метафазная хроматида) - при дальнейшей упаковке хроматиновые фибриллы образуют петельные домены, внутри которых встречаются более конденсированные участки.

Таким образом, упакованная хроматиновая фибрилла образует хроматиду, а две хроматиды одну хромосому.

Что такое компактизация ДНК?

ДНК человека состоит из сорока шести хромосом и имеет длину около двух метров. Тем не менее, при таком размере она умещается в ядро клетки. Уровень достигаемого уплотнения превосходит 10000 раз. Процесс укомплектования ДНК получил название компактизация. Взаимодействие структуры ДНК на разных уровнях компактизации влияет на механизм её функционирования. На уровень и конфигурацию компактизации решающее влияние оказывают биохимические и физические величины клеточного окружения. На первом месте по значимости, остаётся совокупность микрочастицы нуклеиновой кислоты и её структура.

Уровни компактизации

В результате научных исследований выделены четыре уровня уплотнения ДНК. Молекула ДНК - это спираль левого направления, диаметр которой 2nm.

Первая ступень: нуклеосомная фибрилла. Электронный микроскоп показал наличие на хроматиновых нитях своеобразных бусин. Сам по себе хроматин и получил название деспирализованная ДНК. Диаметр каждой бусинки укладывался в10-9м и вмещал в себя кусочек из полторы-две сотни парных нуклеотидов и восемь молекул гистонов различной типологии. Такая частица стала называться «нуклеосома». Центральная (сердцевидная) часть нуклеосомы представлена «бусинками», а линкерная часть связывает их в базовую часть ДНК. Объединение сердцевидной и линкерной областей выражает завершенность нуклеосомы. Неодинаковые виды имеют различные размеры целой нуклеосомы. Вторая ступень: соленоид. ДНК сопровождают белки - неотъемлемые сопроводители. Длина хромосомной фибриллы равна соленоиду, что является меньше размера не свёрнутой ДНК в сорок раз. Скручивание в виде спирали нуклеосомной нити позволяет компактно упаковать её вместе с белками. Спираль скручивается неодинаково в разных местах: где-то гуще, где-то слабее. Почему так происходит, генетики ещё не знают. Неопровержимым остаётся то, что существует связь с готовностью функционирования гена и зависимостью соленоидных структур от качественных характеристик среды клетки.

Третья ступень: укладка соленоидов в петли. Опираясь на каркасную ось хромосомы, соленоидные структуры образуют петли. Каждая петля вмещает до девяноста тысяч парных нуклеотинов. Нити её скелета изготавливаются из белков. Учёные назвали их «нуклеонемы». Соединение нуклеонемов и ламинов в ядре является фрагментом ядерного матрикса. Белковый слой (ещё называется ламина) обволакивает ядро сразу под двойной перепонкой. Белки видоизменяются под влиянием свойств физико-химической среды клетки и контролируют вторжения в поры сердцевины.

Четвёртая ступень: формирование хромосом. Как это происходит, до конца не выяснено. Ясно одно: гены становятся активными вследствие сложной трансформации структуры пространственной хромосомы. Влияние строения хроматина на регулирование работы гена чётко просматривается.

Нуклеосомная нить

Нуклеосомная нить -- это уровень организации хроматина, который обеспечивается четырьмя классами гистонов: Н2А, Н2В, НЗ и Н4. Гистоны образуют октамерный белковый комплекс, так называемый нуклеосомный кор (сердцевину), содержащий по две молекулы гистона каждого класса.

Вокруг нуклеосомного кора молекула ДНК, спирально накручиваясь, совершает около двух оборотов (1,75 оборота). При этом в контакте с каждым кором оказывается участок ДНК, состоящий примерно из 146 пар нуклеотидов. Такой комплекс гистонов с ДНК является структурной единицей хроматина и называется нуклеосомой. Диаметр нуклеосомы примерно 10 нм.

Свободные от контакта с гистоновыми октамерами участки ДНК называют связующими или линкерными. Длина линкерного участка может колебаться от 15 до 100 пар нуклеотидов в зависимости от типа клетки. Линкерные участки ДНК могут быть свободными либо связанными с гистоном Н1, который не только способствует компактизации нуклеосомной нити, но и может препятствовать транскрипции ряда генов. Сами гистоны могут подвергаться ковалентной модификации путем фосфорилирования, ацетилирования, метилирования и др. Такая модификация изменяет способность гистонов взаимодействовать с ДНК и тем самым является одним из механизмов регуляции транскрипции генов. В итоге накручивания ДНК на нуклеосомы возникает нуклеопротеиновая структура в виде четок.

Хроматиновая фибрилла. Дальнейшая компактизация нуклеосомной нити обеспечивается пистоном HI, который, соединяясь с линкерной ДНК и двумя соседними белковыми телами, сближает их друг с другом. В результате образуется более компактная структура, построенная, возможно, по типу соленоида. Такая Хроматиновая фибрилла, называемая также элементарной, имеет диаметр 20--30 нм

ХРОМОМЕРЫ -- утолщённые, плотно спирализованные участки нитей ДНК (хромонем) из которых состоит хромосома. Интенсивно окрашиваются ядерными красителями. Под микроскопом хромомеры хорошо различимы в профазе митоза и мейоза, когда имеют вид темноокрашенных гранул, расположенных в определённом порядке (вдоль нити хромосомы). В хромомерах находится до 95 % всей ДНК хромосомы, остальные же 5 % ДНК содержатся в деспирализованных межхромомерных участках. Форма, размеры и число хромомер строго постоянны для каждой хромосомы и образуют картину хромомер, имеющую видовую, тканевую и возрастную специфичность. Размеры хромомер составляют от 500 нм до 0,5 мкм у разных организмов, масса ДНК в них соответственно -- от 10³ до 10⁶ пар нуклеотидов.

ХРОМОНЕМА -- это спиральная структура, которую удаётся увидеть в декомпактизованных митотических хромосомах в световой микроскоп. Хромонема является одним из высших уровней компактизации хроматина, представляя собой фибриллярное образование диаметром около 0,1 -- 0,3 мкм. Эта структура содержит несколько более низких уровней компактизации дезоксинуклеопротеида, таких как нуклеосомный уровень, фибриллы толщиной 30 нм, петлевые домены и так далее. Хромонемный уровень конденсации дезоксинуклеопротеида встречается в хромосомах животных и растений. Хромонемный уровень компактизации в естественных условиях может быть обнаружен в профазе и телофазе митоза.

Петлевые домены ДНК - третий уровень структурной организации хроматина.

Расшифровка принципа строения элементарных хромосомных компонентов - нуклеосом и 30 нм фибрилл - еще мало что дает для понимания основ трехмерной организации хромосом, как в интерфазе, так и в митозе. Сорокакратное уплотнение ДНК, которое достигается при сверхспиральном характере ее компактизации, совершенно еще недостаточно для получения реального уровня уплотнения ДНК. Следовательно, должны существовать более высокие уровни компактизации ДНК, которые в конечном счете должны определять размеры и общие характеристики хромосом. Такие высшие уровни организации хроматина были обнаружены при искусственной его деконденсации, когда было найдено, что поддержание их связано с негистоновыми белками. В этом случае специфические белки связываются с особыми участками ДНК, которые в местах связывания образуют большие петли или домены. Таким образом, следующие более высокие уровни компактизации ДНК связаны не с ее дополнительной спирализацией, а с образованием поперечной петлистой структуры, идущей вдоль интерфазной или митотической хромосомы. Как уже указывалось, сложная структура ядра или нуклеоида прокариот организована в виде иерархии петлевых доменов ДНК, связанных с небольшим количеством специальных белков. Петлевой принцип упаковки ДНК обнаруживается также и у эукариотических клеток. Признаки петлевой доменной организации хроматина можно наблюдать с помощью электронного микроскопа после помещения ядер или хромосом в солевые растворы низкой ионной силы в присутствии низких концентраций двухвалентных катионов. В своих основаниях петли ДНК связаны негистоновыми белками ядерного матрикса, в состав которых могут входить как ферменты репликации ДНК, так и транскрипции. Такая петельно-доменная структура хроматина обеспечивает не только структурную компактизацию хроматина, но и организует функциональные единицы хромосом - репликоны и транскрибируемые гены. Комплекс белков, участвующих в такой структурно-функциональной организации хроматина, относится к белкам ядерного матрикса.

ПОЛИТЕННЫЫЕ ХРОМОСОМЫ. По другому их называют гигантскими хромосомами так они содержат больше ДНК чем обычные хромосомы. Они не изменяют своей формы на протяжении всего митотического цикла и достигают длины до 0,5 мм, а толщины до 25 мкм. Они встречаются, например, в слюнных железах двукрылых (мух, комаров), в макронуклеусе инфузории и в тканях завязи бобов. Чаще всего они видны в гаплоидном числе, т.к. гомологичные хромосомы бывают тесно спарены. Клетки с такими хромосомами вырастают до необычно большого размера. Возникают политенные хромосомы вследствие многократно повторяющегося процесса редупликации ДНК. При этом разные участки ДНК редуплицируются в разной степени. При этом циклы редупликации ДНК не сопровождаются делением клетки. По существу, политенные хромосомы представляют собой пучки множества неполностью разделенных, тесно прилежащих друг к другу индивидуальных хроматиновых нитей. В частности, политенные хромосомы слюнных желез личинки Drosophila содержат 1024 таких нити. Итак, интерфазные политенные хромосомы хорошо видны в световой микроскоп, хроматиновые петли в них располагаются в линейном порядке, при окрашивании этих хромосом заметны перемежающиеся поперечные полосы: темные - диски и светлые - междисковые участки.

Глоссарий

1. Цитоплазма -- это субстрат для протекания многочисленных химических реакций синтеза и распада веществ.

2. Фибриллы - структурные биологические материалы, встречающиеся почти во всех живых организмах.

3. Ламины - это структурные белки, компоненты ядерной ла-мины - белковой сети, которая лежит под внутренней мембраной ядра и определяет его размер и форму.

4. Нуклеоид - это пространство внутри прокариот клетка, где находится генетическая информация, называемая генофором.

5. Гистоны - это обширный класс ядерных белков, выполняющих две основные функции: участие в упаковке нитей ДНК в ядре и эпигенетическая регуляция таких ядерных процессов, как транскрипция, репликация и репарация

6. Репликация - это самовоспроизведение молекулы ДНК, обеспечивающее точное копирование генетической информации и передачу ее от поколения к поколению.

7. Комплектизация - это процесс укомплектования

8. Ядерный матрикс-это скелетная структура клеточного ядра, поддерживающая форму и некоторые особенности морфологии ядра

9. Соленоид - это цилиндрическое волокно.

10. Фософолирование - это процесс переноса остатка фосфорной кислоты от фосфорилирующего агента-донора к субстрату.

11. Ацетелирование - это введение ацильного остатка RCO- в состав органического соединения

12. Метелирование - это модификация молекулы ДНК без изменения самой нуклеотидной последовательности ДНК, что можно рассматривать как часть эпигенетической составляющей генома.

Использованная литература

1. https://cleancitygroup.ru/dinamika-struktury-hromosom-v-kletochnom-cikle/

2. https://testdnk.pro/informacia/kompaktizaciya-dnk.html

3. https://cyberpedia.su/2x1ddc.html

4. https://studopedia.su/7_18514_petlevie-domeni-dnk--tretiy-uroven-strukturnoy-organizatsii-hromatina.html

5. https://ru.wikipedia.org/wiki/Хромосома

6. https://ru.wikipedia.org/wiki/Хромомеры

7. https://mydocx.ru/1-2798.html

8. https://meduniver.com/Medical/genetika/fibrilli_xromatina_i_nukleosomi.html

9. https://studref.com/609154/matematika_himiya_fizik/strukturnaya_organizatsiya_kletkah_eukariot_prokariot

10. https://zaochnik.com/spravochnik/biologija/genetika/kompaktizatsija-hromosom/

11. https://cyberpedia.su/16x8e19.html

Размещено на Allbest.ru