Пішак_Медична біологія_2004. Лауреат и но белівсь ко ї прем І ї мечников І
 Скачать 14.51 Mb.
|
|
1.2,2.14 Ядерце як похідне хромосом Розділ 1. Біологічні основи життєдіяльності людини Рис. 1.45 Ядерце: 1 фібрилярна зона 2 гранулярна зона 3 слабкоза барвлена зона. Гранулярна ділянка складається з часток РНК, які схожі з рибосомами цитоплазми, хоча менших розмірів і менш правильної форми. Зернистість ут- ворена скупченням рибонуклеопротеїдних часток діа- метром 15 нм. Це місце об'єднання рРНК і рибосо мальних білків. Внаслідок цього утворюються найбільш зрілі маленькі і великі субодиниці рибосом. Гранулярний компонент визначає розміри ядерця. Слабкозабарвлена ділянка містить ДНК (неак- тивну), що не транскрибується. Ядерця утворюються спеціальними ділянками деяких хромосом, що мають гени рРНК, ядер цеві гени. Вони нагадують структурні гени і розта- шовані на ДНК деконденсованого хроматину діля- нок, які відповідають вторинним перетяжкам ме тафазних хромосом. Ці ділянки називаються ядер цевими організаторами. У клітинах людини ці функції виконують хромосоми 13,14,15,21 і22,які мають сателіти. Цим пояснюється явище, коли водному ядрі є декілька ядерець. Проте нерідко вони зливаються в одне ядерце. Без'ядерцеві мутанти не здатні до синтезу ри- босомної РНК, у них відсутні гени рибосомної РНК і рибосомна ДНК. Гомозиготні за такою мутацією ембріони нежиттєздатні. Основні функції ядерець: синтез рибосомної РНК • утворення субодиниць рибосом синтез ядерних білків (гістонів). 80 1.2. Молекулярно генетичний і клітинний рівні організації життя 1. Які макроелементи входять до складу клітини? 2. У чому полягає біологічна роль води 3. Які мікроелементи є у складі клітин і яка їх роль у життєдіяльності людини? 4. Яку будову мають мембрани клітини? 5. Поясніть мозаїчну модель клітинної мембрани. 6. Які з органел клітини належать до одно , двомемб ранних, немембранних? 7. Які функції виконують мітохондрії, лізосоми, ри- босоми, комплекс Гольджі? 8. Яку будову має клітинний центр 9. Що таке прелізосоми, лізосоми та постлізосоми? 10. Де утворюються рибосоми та які особливості їх будови? 11. Які є типи ендоплазматичної сітки, чим вони відрізняються між собою 12. У чому полягає відмінність клітинних включень від органел? 13. Як здійснюється потік речовин у клітині? 14. Для чого необхідний потік енергії? 15. Які органели клітин беруть участь у потоку речо- вини, енергії, інформації? 16. Яку будову має ядерна оболонка? Які функції ядра 17. Які знаєте морфологічні типи хромосом 18. Як збудовані і з чого складаються хромосоми? 19. Що таке хроматин Яка відмінність між хроматином і хромосомами 1. Назвіть органелу, яка бере участь в утворенні акросоми: а) рибосома б) мітохондрія; в) комплекс Гольджі; г) ендоплазматичний ретикулум; д) клітинний центр. 2. З якими з органел клітини безпосередньо з' єднана ядер- на оболонка? аз системою трубочок і пухирців комплексу Гольджі; б) з плазматичною мембраною в) з мембранною вакуолею; г) з канальцями ендоплазматичної сітки; д) з лізосомами. 3. Які органели цитоплазми забезпечують фагоцитарну функцію нейтрофілів ? а) рибосоми; б) мітохондрії; в) лізосоми; г) ендоплазматична сітка; д) комплекс Гольджі. 4. Які органели клітини належать до немембранних? а) лізосоми; б) мікротрубочки; в) пластиди; г) мітохондрії; д) комплекс Гольджі. 5. Яка з органел клітини утворює мікроворсинки? а) вакуолі; б) ендоплазматична сітка; в) плазматична мембрана г) пластиди; д) мітохондрії. 6. При ревматизмі у хворих спостерігається руйнування клітин хряща. Яка клітинна органела бере активну участь у цьому патологічному процесі? а) клітинний центр б) лізосома; в) рибосома г) мікротрубочки; д) комплекс Гольджі. 7. У крові хворого виявлено зниження рівня альбумінів і фібриногенезу. Зниження активності яких органел гепа тоцитів печінки найбільш ймовірно викликає це явище? а) лізосом; б) гранулярної ЕПС; в) мітохондрій; г) комплексу Гольджі; д) агранулярног ЕПС. 8. Відомо, що мітохондрії здатні до самовідновлення. Зав- дяки наявності чого є можливим цей процес? а) хромосом б) крист в) подвійної мембрани; г) кільцевої ДНК д) рибосом. 81 Питання для самоконтролю та обговорення Контрольно навчальні завдання Клітини здатні підтримувати високу впоряд- кованість своєї організації завдяки генетичній інформації, що зберігається, відтворюється, реа- лізується й удосконалюється. В основі названих фундаментальних явищ є молекулярні проце- си, що відбуваються за допомогою ДНК і РНК. Вони є генетичним матеріалом для всіх живих організмів, включаючи віруси. Встановлення структури ДНК відкрило нову епоху в біології, так як дозволило зрозу- міти, яким чином живі клітини, а значить і організми, точно відтворюють собі подібних і яку них кодується інформація, яка необхідна для регуляції їх життєдіяльності. Дж. Уотсон і Ф. Крік встановили, що ДНК складається з двох полінуклеотидних ланцюгів, закручених у спіраль. Мономером ланцюга є нуклеотид. Послідовність нуклеотидів визначає послідовність амінокислот у поліпептидному ланцюгу. Одна амінокислота кодується триплетом нуклеотидів (генетичний код. Для передачі генетичної інформації з ядра, де знаходиться ДНК, потрібна іРНК. її синтез на матриці ДНК (транскрипція) необхідний для перенесення інформації до цитоплазми, де на рибосомах відбувається синтез поліпептидно го ланцюга (трансляція), я якому беруть участь іРНК,рРНК,тРНК. Сьогодні відомі будова та функції ДНК і РНК, що дозволяє втручатися в тонкі механіз- ми спадковості з метою лікування багатьох хво- роб людини. Спадковий апарат еукаріотичних клітин і його функціонування на молекулярному рівні 1 . 2 . 3 . 1 . Організація потоку біологічної інформації у клітині. 1.2.3.2. Нуклеїнові кислоти: ДНК і РНК, їх роль у збе- ріганні й перенесенні інформації, хімічна будова і просторова організація, видова специфічність. 1.2.3.3. Реплікація ДНК. 1.2.3.4. Підтримування генетичної стабільності клітин, самокорекція і репарація ДНК. 1.2.3.5. Генетичний код, його основні принципи і вла- стивості: універсальність, триплетність, специфіч- ність, виродженість, колінеарність, односпрямова ність, неперекривність. 1.2.3.6. Транскрипція, процесинг, сплайсинг. 1.2.3.7. Трансляція: ініціація, елонгація, термінація. Посттрансляційні перетворення білків як основа їх функціонування. 1.2.3.8. Будова гена. Гени структурні, регуляторні, синтезу тРНК і рРНК. Мобільні генетичні елементи. 1.2.3.9. Екзонно інтронна організація генів (геному) еукаріотів. 1.2.3.10. Молекулярні механізми реалізації генетич- ної інформації в клітині (експресія генів) та їх регу- ляція. Локуси генів. 1 . 2 . 3 . 1 1 . Ген як одиниця генетичної інформації. 1.2.3.12. Молекулярно генетичне підтримування гомеостазу клітинного середовища. 1.2.3.13. Сучасний стан теорії гена. 1.2.3.14. Молекулярні механізми мінливості в людини. 1.2.3.15. Зміни послідовності нуклеотидів ДНК. 1.2.3.16. Генна інженерія та біотехнологія. 1.2.3 82 1.2. Молекулярно генетичний і клітинний рівні організації життя 1.2.3.1 Організація потоку біологічної інформації у клітині Клітини складаються з білків, на частку яких припадає майже половина сухої речовини. Білки ви- значають структуру, форму і функції клітини. Відо- мо понад 170 амінокислот, проте тільки 20 з них виз- начають поліпептидну молекулу. Білки є полімера- ми, а амінокислоти їх мономерні ланки. Різно- манітність білків необмежена і зумовлена унікаль- ною, властивою для кожного білка амінокислотною послідовністю. Проте в природі не доведено жодного випадку, коли б молекула білка (поліпептиду) синтезувала собі подібну молекулу. Біологічна інформація зберігається в генах у струк- турі ДНК у такій формі, що вона може точно копіюва- тися і передаватися наступним клітинам. Однак гени, так само як і ДНК, не здатні до прямого синтезу полі пептидних ланцюгів. Яким чином полінуклеотиди ДНК, гени) зумовлюють синтез поліпептидів? Як здійснюється потік біологічної інформації? Спадкова інформація ДНК записана в лінійній послідовності нуклеотидів (рис. 1.46). Передача (реплікація) інформації розпочинається поділом двох комплементарних ланцюгів, накожному з яких ут- ворюється нова молекула ДНК. Під час транскрипції Рис. 1.46 Просторова модель ДНК. розгорнутого ланцюга з певних фрагментів ДНК утворюється РНК. Такий первинний транскрипт РНК значно довший за дозрілу молекулу РНК. Очевидно, що значна частина первинного транскрипту РНК руйнується в ядрі і тільки 1/20 його надходить до цитоплазми. Це і є власне мРНК, або ІРНК. Мо- лекули РНК одноланцюгові, вони коротші за ДНК. Кількість утворених молекул РНК з певної ділянки ДНК контролюється регуляторними білками. Отже, ДНК направляє синтез специфічних РНК. Транскрипція генетичної інформації з ДНК на РНК і є першим кроком потоку біологічної інформації. РНК продукт не залишається комплементарно зв'язаним з ДНК матрицею. Щойно після синтезу РНК подвійна спіраль ДНК відновлюється. Наступний крок транс- ляція мРНК. В еукаріотичних клітинах тривалість існу- вання цієї молекули різна від 30 хв. до 10 год. Молекула мРНК покидає ядро, виходить у цитоплазму і скеровує синтез певного білка на рибосомах. Перенесення інформації від мРНК до білка ґрунтується на принципі комплементарності основ, як і перенесення генетичної інформації від ДНК до ДНК, або від ДНК до РНК. Отже, генетична інформація записана в лінійній послідовності нуклеотидів ДНК. За участі РНК ця інформація надходить (транслюється) до рибосом з утворенням поліпептиду з амінокислот. Потік біологічної інформації відбувається такими шляхами ДНК > ДНК » РНК » білок; ДНК » РНК > білок; РНК » ДНК » РНК > білок. 83 1.2.3.2 Нуклеїнові кислоти ДНК і РНК роль у зберіганні й перенесенні інформації; • хімічна будова; • просторова організація; • видова специфічність Вперше нуклеїнові кислоти були виявлені Ф. Мі шером у 1869 році. Розділ 1. Біологічні основи життєдіяльності людини Переконливі докази того, що саме з ДНК повязана передача спадкової інформації, отримані при ви- вченні вірусів. Проникаючи в клітину, вони вносять у неї лише нуклеїнову кислоту з дуже невеликою кіль- кістю білка, а вся білкова оболонка залишається поза клітиною. Отже, введена у клітину ДНК передає ге- нетичну інформацію, необхідну для утворення такого ж біологічного виду. Виявлено, що чиста нуклеї- нова кислота вірусу тютюнової мозаїки може зара- зити рослину і викликає типову картину захворюван- ня. Більш того, вдалося штучно створити вегетативні "гібриди" із вірусів, у яких білковий футляр належить одному виду, а нуклеїнова кислота іншому У таких випадках генетична інформація "гібридів" завжди з точністю відповідала тому вірусу, нуклеїнова кислота якого входила до складу "гібриду". Вагомі докази ролі ДНК у передачі спадкової інформації отримані також в експериментах на мікроорганізмах завдяки явищам трансформації, трансдукції і кон'югації. Трансформація (від лат transformatio пере- творення) включення чужорідної ДНК у геном клітини хазяїна, що призводить до зміни її структур- них і функціональних властивостей. Перенесення спадкової інформації від однієї клітини до іншої здійс- нюється за допомогою ДНК клітини донора. Яви- ще трансформації було виявлено в дослідах англій- ського мікробіолога Гріффітса (1928) (рис. 1.47). Трансдукція ( від лат transductio — переміщен- ня) полягає в тому, що віруси, залишивши бактері- альні клітини, в яких вони паразитували, можуть за- хоплювати частину їх ДНК і, потрапивши в нові клітини, передають новим хазяїнам властивості по- передніх. Це явище вперше було відкрито в дослі- дженнях по зараженню бактерій вірусами. Кон 'югація (від лат conjugatio з'єднання) це перенесення генетичного матеріалу від однієї бактерії до іншої шляхом утворення цитоплазматич- ного містка, переміщення частини ДНК та її інтег- рація з геномом клітини реципієнта. Рис. 1.47 Трансформація. 84 1.2. Молекулярно генетичний і клітинний рівні організації життя Будова молекули ДНК Макромолекула ДНК це два довгі полімерні ланцюги, що складаються з мономерів дезоксирибонуклеотидів, тісно з'єднаних між собою (рис. 1.48). Нитки ДНК з'єднуються водневими зв'язками між азотистими основами двох ланцюгів і утворюють подвійну спіраль ДНК. Таку модель будови ДНК запропонували в 1953 р. Дж. Уот сон і Ф. Крік. Вони використовували також дані, отримані іншими вченими (Р. Франклін, М. Уілкінс, Е. Чаргафф), які за допомогою рентгенівської ди- фракції й інших методів вивчали фізичну та хімічну природу ДНК. Пуринові та піримідинові основи взає- модіють одна з одною. Аденін одного ланцюга дво- ма водневими зв'язками з'єднується з тиміном іншого ланцюга, а гуанін трьома водневими зв'яз- ками з цитозином. Таке сполучення азотистих основ забезпечує міцний зв'язок обох ланцюгів. Два полінуклеотидні ланцюги ДНК антипаралельні. Тобто, 5' кінець одного ланцюга з'єднаний із З' кінцем іншо- го, і навпаки. Генетична інформація записана по- слідовністю нуклеотидів у напрямку від 5' кінця до З' кінця. Така нитка називається "змістовною", саме тут розташовані гени (матричний ланцюг). Дру- гий ланцюг у напрямку 3' 5' вважається "анти змістовним". Він необхідний як "еталон" збережен- ня генетичної інформації і набуває значення у проце- сах реплікації та репарації. Два довгі антипаралельні полімерні ланцюги, що складаються із дезоксирибонуклеотидів, міцно з'єднані між собою водневими зв'язками. В резуль- таті цього утворюється подвійна спіраль, закручена навколо центральної осі. Рентгеноструктурний аналіз показав, що діаметр подвійної спіралі складає 2 нм, відстань між двома завершеними витками 3,4 нм. У кожний виток входить 10 пар нуклеотидів. Відстань між сусідні- ми основами складає 0,34 нм. Нуклеотиди. ДНК це полімерна молекула, мономерами в якій є нуклеотиди. Нуклеотид скла- дається з 1) азотистої основи; 2) моносахариду де- зоксирибози (в нуклеотидах РНК рибози); 3) за- лишку фосфорної кислоти. Азотисті основи бувають двох типів: пуринові аденін (А) і гуанін (Г) і піримідинові тимін (Т) і цитозин (Ц. До складу молекули ДНК входять чотири типи нуклеотидів: дезоксиаденозин монофосфат (дАМФ), Рис. 1.48 Структура ДНК (фрагмент. дезоксигуанін монофосфат (дГМФ), дезокситимі дин монофосфат (дТМФ), дезоксицитозин моно фосфат (дЦМФ). Сполучення нуклеотидів у моле- кулі ДНК відбувається в результаті взаємодії фосфату одного нуклеотиду з гідроксильною групою де- зоксирибози іншого. В результаті утворюється фос фодиефірний зв'язок, що об'єднує нуклеотиди вдов- гий ланцюжок. Скелет ланцюга складається з молекул фосфату і пентоз, що чергуються. Синтез полі нуклеотидного ланцюга відбувається за участю ферменту ДНК полімерази. Цей фермент приєднує фосфатну групу одного нуклеотиду до гідроксиль- ної групи дезоксирибози наступного. Комплементарність пар основ Два полінук- леотидні ланцюги ДНК не є ідентичними, але вони комплементарні один одному (рис. 1.48). Це повязано із строгою відповідністю основ одного лан- цюга основам іншого. Відстань між двома ланцю- гами ДНК 2 нм, що дозволяє вмістити тільки одну пару АТ або ГЦ, які відповідають цим розмірам. Тільки аденін і тимін, а також гуанін і цитозин ма- ють відповідні просторові структури для утворення водневих зв'язків. Концепція специфічного зв'язу- вання пар основ свідчить, що аденін водному лан- цюгу повинен відповідати тиміну в іншому, а гуанін повинен мати навпроти себе цитозин в іншому лан- цюгу. Таким чином, два ланцюги ДНК комплемен- тарні один одному. 85 Розділ 1. Біологічні основи життєдіяльності людини Колінеарність (від лат collineare мітити, направ- ляти) властивість, що зумовлює відповідність між послідовностями триплетів нуклеотидів (кодонів) нуклеїнових кислот і амінокислот поліпептидних лан- цюгів. Тобто, послідовність амінокислот білка, в якій відповідні кодони розташовуються в гені. Це озна- чає, що положення кожної амінокислоти в поліпеп тидному ланцюгу білка залежить від положення відповідного триплету в гені. Генетичний код вва- жається колінеарним, якщо кодони нуклеїнових кислот і відповідні їм амінокислоти білка розташовані в однаковому лінійному порядку. Явище колінеарно сті доведено експерименталь- но. Так, встановлено, що серпоподібноклітинна ане- мія, за якої порушена будова молекули гемоглобіну, зумовлена зміною одного нуклеотиду в його гені, що призводить до заміни однієї амінокислоти на іншу. Гіпотеза про те, що послідовність нуклеотидів у гені визначає послідовність амінокислот білка, була ви- сунута ГА. Гамовим (1954). Дані про колінеарність генів і поліпептидів підтвердили її. Завдяки концепції колінеарності можна визначити порядок нуклеотидів усередині гена і в інформаційній РНК, якщо відо- мий амінокислотний склад поліпептидів, і навпаки, визначивши склад нуклеотидів ДНК, можна перед- бачити амінокислотний склад білка. Цей принцип використовується в методах молекулярної біології. Із цієї концепції видно, що зміна порядку нуклеотидів II. Кількість аденіну і цитозину дорівнює кількості гуаніну і тиміну: А+Ц=Г+Т, або А+Ц/Г+Т=1 III. Кількість аденіну дорівнює кількості тиміну, а кількість гуаніну дорівнює кількості цитозину Примітка. Невеликі відхилення у співвідношенні основ пов'язані зі складністю досліджень. 86 ТАБЛИЦЯ І. СПІВВІДНОШЕННЯ ОСНОВУ ДЕЯКИХ ДНК (за Ф Севджером) Людина, печінка Людина, тимус Людина, сперма Бик, печінка Теля, тимус Лосось, сперма Дріжджі Пневмокок Кишкова паличка Фаг ТАТ ГЦ 1,00 1,00 1,03 1,00 1,15 1,01 1,08 1,14 0,99 1,09 А+Т/Г+Ц 1,54 1,54 1,67 1,37 1,28 1,43 0,95 0,92 1,00 1,87 АТ, або АТ ГЦ, або ГЦ усередині гена (його мутація) призводить до зміни амінокислотного складу білка. Правила Е. Чаргаффа. Вивчаючи хімічний склад ДНК в 1950 році, Ервін Чаргафф (рис. 1.49) сформулював важливі положення щодо структу- ри ДНК І. Молярна частка пуринів (аденіну А і гуа- ніну Г) дорівнює молярній частці піримідинів (цитозину Ц і тиміну Т |