план по истории. 1. Ядерная оболочка. Особенности организации и функции. Ядерная оболочка (кариолемма)
 Скачать 205.08 Kb.
|
|
1.Ядерная оболочка. Особенности организации и функции. Ядерная оболочка (кариолемма) состоит из двух мембран, между которыми находится околоядерное (перинуклеарное) пространство. Выросты наружной ядерной мембраны соединяются с каналами ЭПС, образуя единую систему сообщающихся каналов. К наружной мембране с внешней стороны прикрепляются рибосомы и полисомы. К внутренней мембране прилегают хромосомы. Ядерная оболочка: 1) отграничивает ядерное содержимое от цитоплазмы 2) обеспечивает двустороннее ядерноцитоплазматическое взаимодействие; 3) обеспечивает обмен между ядром и цитоплазмой. Через ядерную оболочку осуществляется транспорт веществ из ядра в цитоплазму и в обратном порядке. Ядерные оболочки имеют поры (ядерные поры) через которые в ядро и в обратном направлении поступают крупные молекулы (белки, нуклеиновые кислоты) и субъединицы рибосом. Поры имеют сложную организацию, а транспорт веществ через поры – это довольно сложный процесс. Количество пор зависит от функционального состояния клетки. Если в ядре идут активно синтетические процессы, то количество пор возрастает. В ядерной оболочке типичной клетке млекопитающих содержится 3000-4000 пор. Ионы, низкомолекулярные соединения (сахара, аминокислоты, нуклеотиды), низкомолекулярные белки проникают через ядерную оболочку легко и это не связано с порами. 2.Механизмы ядерно-цитоплазматических транспортных потоков. Поток информации. Благодаря ему клетка способна сохранять наследственную информацию, эволюционировать и передавать эту информацию следующим поколениям. В этом потоке участвуют: ядро (ДНК хромосом), макромолекулы (переносят инфу в цитоплазму, мРНК), цитоплазматический аппарат трансляции (рибосомы и полисомы, тРНК, ферменты активации аминокислот). На завершающем этапе потока полипептиды, синтезированные на полисомах, приобретают третичную или четвертичную структуру и используются как катализаторы или структурные белки. Кроме основного по количеству заключённой инфы ядерного генома, в эукариотических клетках функционируют геномы митохондрий и хлоропластов (у зелёных растений). Внутриклеточный поток энергии. У разных групп организмов обеспечивается или брожением, или фото/хемосинтезом, или дыханием. У животных клеток – дыхательный обмен. Он включает реакции расщепления глюкозы, жирных кислот и аминокислот и использование выделяемой при расщеплении энергии для создания АТФ (аденозинтрифосфат). Энергия АТФ, непосредственно или в составе других макроэргических* соединений преобразуется в тот или иной вид работы: химическую (синтез), осмотическую (поддержание перепадов концентрации вещ-в), электрическую, механическую, регуляторную. *Макроэргическое соединение – соединение, в хим. связях которого заключена энергия в форме, доступной для использования в биологических процессах. Особое место в дыхательном обмене принадлежит митохондриям – выполняют функцию окислительного фосфорилирования, а также матриксу цитоплазмы – в нём протекает бескислородное расщепление глюкозы (анаэробный глюколиз). По сравнению с аэробным глюколизом, анаэробный менее эффективен. Из-за неполного окисления, для нужд клетки извлекается не больше 10% энергии. Недоокисленные продукты (пируват) поступают в митохондрии, где в условиях полного окисления, сопряжённого с фосфолированием АДФ до АТФ, отдают для нужд клетки оставшуюся энергию. У растительных клеток –фотосинтез – преобразование энергии солнечного света в энергию хим. связей органических вещ-в. Механизмы энергообеспечения клетки очень эффективны. КПД работы хлоропласт – 25%, митохондрий – 45-60%, в то время как у паровой машины – 8%, а у двигателя внутреннего сгорания 17%. Внутренний поток веществ. Реакции дыхательного обмена снабжают клетку не только энергией, но и строительными блоками для синтеза разнообразных молекул. Ими являются многие продукты расщепления пищевых вещ-в. Особая роль в этом принадлежит одному из этапов дыхательного обмена – циклу Кребса, осуществляемому в митохондриях. Через него проходит большая часть углеродных скелетов соединений, служащих промежуточными продуктами в синтезе хим. компонентов клетки. В данном цикле происходит выбор пути превращения того или иного соединения, а также переключение обмена клетки с одного пути на другой, например, с углеводного на жировой. Таким образом, дыхательный обмен составляет ведущее звено внутреннего потока вещ-в, объединяющего метаболические пути расщепления и образования углеводов, белков, жиров, нуклеиновых кислот. 3.Компоненты интерфазного ядра: ядерный матрикс, ядерный сок, ядрышки, хромосомы. Ядерный матрикс (ядерный скелет) – это сетчатая конструкция, образованная плотноупакованными нитями из нерастворимых белков. Ядерный скелет поддерживает форму ядра. Ядерный сок (кариоплазма, нуклеоплазма) – это однородная масса, заполняющая пространство между структурами ядра. Представляет собой коллоидный раствор белков, белков-ферментов, нуклеотидов, аминокислот, АТФ, ионов, различных видов РНК. Белки – это главный компонент ядерного сока. В ядре клетки может быть одно или несколько сфероидальных телец, получивших название – ядрышки. Основным химическим компонентом ядрышка являются белки. Формируются ядрышки в определенных участках хромосом, локализованных во вторичных перетяжках акроцентрических хромосом у человека (13, 14, 15, 21 и 22-я пары), где содержатся многочисленные копии генов рибосомных РНК. Эти участки называются ядрышковыми организаторами (ядрышко-образующие районы). Количество ядрышек не постоянно. Максимальное их количество не превышает число ядрышковых организаторов. В диплоидных соматических клетках человека количество ядрышковых организаторов 10, а ядрышко может быть одно. Это зависит от функционального состояния клетки. 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. Но в ядрышковых организаторах синтезируется только три вида рРНК: 18S рРНК, 5,8S рРНК, 28S рРНК, а гены четвертого вида 5S рРНК располагаются вне ядрышкового организатора. Белки, необходимые для сборки рибосом, поступают из цитоплазмы. После сборки рибосомы разделяются на большую и малую субъединицы и поступают в цитоплазму. Имеются данные, что в 1 минуту одно ядрышко синтезирует до 3 тысяч рибосом. Важнейшим компонентом ядра являются хромосомы. Были открыты 80-х годах 19 века, названы В. Вальдейером (1888 г.). Позже было установлено, что главным химическим компонентом хромосом является ДНК. ДНК, как и РНК, это линейный полимер, состоящий из нуклеотидов. Каждый отдельный нуклеотид состоит из углевода, азотистого основания (аденин, гуанин, тимин, цитозин) и остатка фосфорной кислоты. 4.Молекула ДНК – главный хим. компонент хромосом: хим. состав, первичная, вторичная и третичная структуры ДНК. Комплиментарность при формировании молекулы ДНК. Сущность полярности и антипараллельности полинуклеотидных цепей молекулы ДНК. ДНК, как и РНК, это линейный полимер, состоящий из нуклеотидов. Каждый отдельный нуклеотид состоит из углевода, азотистого основания (аденин, гуанин, тимин, цитозин) и остатка фосфорной кислоты. Нуклеотиды в полинуклеотидных цепях связаны между собой ковалентными фосфодиэфирными связями, соединяющими 5′-атом углерода одного остатка дезоксирибозы с 3′-атомом углерода следующего остатка. Полинуклеотидные цепи ДНК как и РНК полярны. Читать последовательность азотистых оснований в полинуклеотидной цепи принято от 5′ к 3′ атому углерода сахара. Молекула ДНК состоит из двух, как правило, правозакрученных спаренных антипараллельных цепей с комплементарной последовательностью нуклеотидов. Таким образом, молекула ДНК представляет собой двойную спираль (биспираль). Полинуклеотидные цепи ДНК антипараллельны, одна цепь идет от 5′ к 3′, другая от 3′ к 5′, если читать с какого-то одного конца. Одна полинуклеотидная цепь биспирали ДНК присоединяется к другой комплементарно. При этом происходит спаривание соответствующих оснований: аденин-тимин, гуанин-цитозин. Между ними имеется химическое сродство и формируются водородные связи (А=Т, Г≡Ц). Общая длина ДНК гаплоидного хромосомного набора человека в неделящейся клетке составляет около 1 метра. У прокариот геном заключён в единственной кольцевой молекуле ДНК. У эукариот геном сосредоточен в 2-х или большем числе хромосом. Первичная структура ДНК – это последовательность расположения нуклеотидов в полинуклеотидной цепи ДНК. Вторичная структура ДНК стабилизируется водородными связями между комплементарными парами оснований и представляет собой двойную спираль из двух антипараллельных цепочек, закрученных вправо вокруг одной оси. Третичная структура ДНК – суперсперализация ДНК. Двойная спираль ДНК на некоторых участках может подвергаться дальнейшей спирализации с образованием суперспирали или открытой кольцевой формы, что часто вызвано ковалентным соединением их открытых концов. Суперспиральная структура ДНК обеспечивает экономную упаковку очень длинной молекулы ДНК в хромосоме. 5.Геном организма (клетки). Физ. размер генома человека. Ген с точки зрения молекулярной генетики. Функциональной единицей наследственной информации является ген. 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 называют геномом организма (нередко говорят геном клетки). Общая длина ДНК гаплоидного хромосомного набора человека в неделящейся клетке составляет около 1 метра. Геном человека имеет размер приблизительно 3,3х109 п.н. 6.Избыточность ДНК у эукариот. Возможные функции избыточной ДНК. Непомерное увеличение количества ДНК по отношению к количеству генов в ходе эволюции эукариот определяют как избыточность ДНК. Функции некодирующих участков ДНК изучены пока недостаточно. Возможно избыточная 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. 7. Компоненты генома человека: уникальные (редко повторяющиеся), умеренно повторяющиеся и высокоповторяющиеся последовательности. Их организация и функции. 1. Уникальные или редко повторяющиеся последовательности нуклеотидов в ДНК. Эти последовательности занимают большую часть генома, они составляют 60-70% ядерной ДНК. Встречаются такие последовательности один или несколько раз в геноме. Эти последовательности включают кодирующие участки и внутригенные некодирующие области. Кодирующие участки получили название экзоны, некодирующие участки этих последовательностей названы интронами. Экзоны уникальных генов разделены некодирующими участками – интронами. Экзоны – это кодирующие участки ДНК, которые будут транслироваться в аминокислотные последовательности белка. Количество экзонов в уникальных генах может быть различным. Встречаются гены, имеющие только один экзон. Максимальное число экзонов - 364, но в среднем в уникальных генах около 8 экзонов. В геноме эукариот на долю экзонов приходится 1,2-1,5% ДНК, на долю интронов около 24% ДНК. Однако лишь сумма последовательностей экзонов составляет последовательность гена, которая будет транслироваться в последовательность аминокислот в белке. Многие уникальные последовательности (уникальные гены) уже хорошо изучены. Они образуют основную массу структурных и регуляторных генов. Например, белок глобин, который входит в состав гемоглобина. 2. Умеренно повторяющиеся последовательности генома. Они составляют 10-15% ядерной ДНК. Такие последовательности повторяются сотни и тысячи раз в геноме. Эти последовательности включают гены рибосомных РНК и белков гистонов. Повторяющиеся единицы в этих последовательностях содержат определенный ген (или даже группу генов) и участки некодирующей ДНК, разделяющие гены - спейсеры. 3. Высокоповторяющиеся последовательности генома. Они составляет 25-28% ядерной ДНК. Эти последовательности повторяются сотни тысяч и даже миллионы раз в геноме, но каждая копия этих последовательностей относительно короткая (от нескольких пар до нескольких сотен пар нуклеотидов). Это некодирующие последовательности, которые включают ДНК структурного гетерохроматина (центромерные и теломерные районы хромосом). 8.Митохондриальный геном. 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. 9.Принципиальные отличия генома про и эукариот. 1.У прокариот геном заключён в единственной кольцевой молекуле ДНК. У эукариот геном сосредоточен в 2-х или большем числе хромосом. 2. Гены у эукариот занимают 30% всей ДНК, кодирующие области в геноме составляют порядка 3% всей ДНК. На долю кодирующих нуклеотидных последовательностей для белков в геноме приходится около 1,5% ДНК. 3. У прокариот кодирующая область гена непрерывна (нет интронов). Ген в ДНК прокариот следует за геном и нет повторяющихся последовательностей. Гены у прокариот занимают 90% ДНК. 4. У эукариот 15-50% ДНК – повторяющиеся последовательности. 10.Хим. компоненты хромосом (хроматина): ДНК, белки, белки-гистоны. Хроматин – сложная многокомпонентная система. Хроматин – комплекс ДНК и других хим. компонентов, в первую очередь белков. 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. Хроматин – сложная многокомпонентная система. Среди белков хроматина выделяют негистоновые белки и белки гистоны (до 80% всех белков хроматина). Гистоны небольшие белки с очень высоким содержанием положительно заряженных аминокислот (лизина и аргинина). Суммарный положительный заряд позволяет гистонам прочно связываться с ДНК. Выделяют 5 типов гистонов: H1; H2A; H2B; H3; H4. Особенностью генов этих белков является отсутствие в их последовательностях интронов. Белки гистоны выполняют структурную функцию в хроматине, участвуют в механизмах функционирования наследственного материала. Негистоновые белки выполняют структурную, регуляторную и ферментативную функции в хроматине. 11.Уровни структурной организации хромосом (уровни компактизации ДНК в хромосоме): нуклеосомы, соленоидно-подобные фибриллы, хроматиновые петли, хроматиды, метафазные хромосомы. Выделяют пять уровней упаковки (компактизации) ДНК в хромосоме или пять уровней структурной организации хромосом. Первый уровень – формирование нуклеосом. 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). *Остов - внутренняя опорная часть предмета, на к-рой укрепляются другие части его; костяк. При этом молекула ДНК делает около двух витков вокруг белкового остова и переходит на другой остов. Так формируется повторяющаяся структурная единица хромосомы – нуклеосома. Участки ДНК, расположенные между нуклеосомами, называют линкерной (связывающей) ДНК. Расположенные рядом друг с другом нуклеосомы образуют довольно толстую нить, напоминающую «бусины на нитке». При этом происходит 7-кратное укорочение длины молекулы ДНК. Нуклеосома рассматривается как универсальная структурная единица хроматина (хромосомы). 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 соленоида. Диаметр хроматиновой фибриллы составляет 30 нм. При этом длина нити ДНК сокращается в 50 раз от исходной. Третий уровень компактизации ДНК – это формирование хроматиновых петель. Хроматиновые соленоидо-подобные фибриллы укладываются в виде петель, диаметр фибриллы увеличивается до 300 нм. Первоначальная длина молекулы ДНК сокращается в 1000 раз. В результате спирализации ДНК и взаимодействия с белками образуется три уровня структурной организации хромосом. Все эти три уровня компактизации ДНК в хромосомах существуют в интерфазе митотического цикла. 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. Благодаря такой суперспирализации достигается плотная упаковка наследственного материала, что важно при расхождении хромосом в митозе. При такой упаковке происходит укорочение метафазных хромосом по сравнению с размерами заключённой в них молекулы ДНК примерно в 10 тысяч раз. 12.Метафазные хромосомы. Центромеры и плечи хромосом. Функции центромер. Классификация хромосом в зависимости от положения центромеры. Спутничные хромосомы.  В метафазу хромосомы имеют вид цилиндрических телец, которые интенсивно окрашиваются основными красителями. В метафазной хромосоме можно выделить центромеру (первичную перетяжку), которая делит хромосому на два плеча. Центромеры 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. В зависимости от положения центромеры, хромосомы человека делят на четыре типа: 1) метацентрические, обладающие плечами примерно равной длины (равноплечные); 2) субметацентрические, с плечами неравной длины (умеренно неравноплечные); 3) очень субметацентрические (выражено неравноплечные); 4) акроцентрические, с очень коротким вторым плечом.  Некоторые хромосомы содержат вторичные перетяжки. Часть хромосомы, которая отделяется вторичной перетяжкой получила название – спутник. Хромосомы, которые имеют спутник называют спутничными. Спутничными хромосомами у человека являются 13-15, 21-22 хромосомы. В коротких плечах спутничных хромосом локализованы ядрышко-образующие районы хромосом (ЯОР). На препаратах метафазных хромосом активные ЯО-районы выявляются как вторичные перетяжки и окрашиваются азотнокислым серебром. 13.Структурная организация теломерных участков хромосом. Функции теломер. Особое значение имеют концевые участки хромосом - теломеры. Они расположены на обоих концах линейной хромосомы. В теломерных районах хромосом локализованы в основном двунитевые некодирующие повторы (ТТАГГГ)n, заканчивающиеся 3′-однонитевым участком. Основные функции теломер: 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. 14. Интерфазный хроматин. Эухроматин и гетерохроматин. Интерфазная хромонема. Следующий уровень структурной организации генетического материала обусловлен укладкой хроматиновой фибриллы в петли. В их образовании, по-видимому, принимают участие негистоновые белки, которые способны узнавать специфические нуклеотидные последовательности вненуклеосомной ДНК, отдалённые друг от друга на растояние в несколько тысяч пар нуклеотидов. Эти белки сближают указанные участки с образованием петель из расположенных между ними фрагментов хроматиновой фибриллы. Участок ДНК, соответствующий одной петле, содержит от 20000 до 80000 п. н. Возможно, каждая петля является функциональной единицей генома. В результате такой упаковки хроматиновая фибрилла диаметром 20-30 нм преобразуется в структуру диаметром 100-200 нм, называемую интерфазной хромонемой. Неодинаковая степень компактизации разных участков интерфазных хромосом имеет большое функциональное значение. В зависимости от состояния хроматина выделяют эухроматиновыеучастки хромосом, отличающиеся меньшей плотностью упаковки в неделящихся клетках и потенциально транскрибируемые, и гетерохроматиновыеучастки, характеризующиеся компактной организацией и генетической инертностью. В их пределах транскрипции биологической информации не проходит. 15. Структурный (конститутивный) и факультативный гетерохроматин. Конститутивный гетерохроматин содержится в околоцентромерных и теломерных участках всех хромосом, а также на протяжении нескольких внутренних фрагментов отдельных хромосом. Он образован только нетранскрибируемой ДНК. Вероятно его роль заключается в поддержании общей структуры ядра, прикреплении хроматина к ядерной оболочке, взаимном узнавании гомологичных хромосом в мейозе, разделении соседних структурных генов, участии в процессах регуляции их активности. Примером факультативного гетерохроматина служит тельце полового хроматина, образуемое в норме в клетках организмов гомогаметного пола (у человека гомогаметным является женский пол) одной из двух X-хромосом. Гены этой хромосомы не транскрибируются. Образование факультативного гетерохроматина за счёт генетического материала других хромосом сопровождает процесс клеточной дифференцировки и служит механизмом выключения из активной функции групп генов, транскрипция которых не требуется в клетках данной специализации. В связи с этим рисунок хроматина ядер клеток из разных тканей и органов на гистологических препаратах различается. 16. Кариотип. Кариотип человека и его характеристика в норме. Хромосомный набор клеток данного вида организмов с характерным числом, морфологическими особенностями отдельных хромосом называется кариотипом. В ядре клеток человека 46 хромосом, из них 22 пары аутосом и пара половых хромосом. Хромосомы, которые относятся к одной паре называют гомологичными. Гомологичные хромосомы абсолютно аналогичны. 17. Дифференциальное окрашивание хромосом, его сущность и возможности. Хромосомные бенды. Внутри семи этих групп хромосом при обычной окраске на основании лишь внешних различий, видимых в простой микроскоп, провести идентификацию хромосом человека очень трудно. Для более точной идентификации хромосом используют дифференциальную окраску хромосом, основанную на избирательном поглощении разными участками хромосом специальных красителей. В результате дифференциального окрашивания по всей длине хромосомы выявляются темные и светлые полосы (бэнды). Бэнд – это участок хромосомы, отличающийся от соседних по интенсивности окраски при использовании метода дифференциальной окраски. Бэнды определенных участков хромосом объединяются в районы. Нумерация районов и бэндов идет от центромеры в обоих плечах хромосомы. При обозначении места локализации бэнда в хромосоме используется соответствующая символика: первая цифра – номер хромосомы, в которой локализован данный бэнд; второй символ (p или q) – плечо хромосомы; третий символ – номер района, в состав которого входит бэнд; четвертый символ – номер бэнда в составе района. Например, 1p31 – первый бэнд, локализованный в третьем районе короткого плеча хромосомы 1 (читается справа налево). 18. Международная классификация хромосом человека, характеристика групп хромосом. Хромосомы человека не очень легко отличить одну от другой. С целью унификации методов идентификации хромосом человека в 1960 г на конференции цитогенетиков в г. Денвере (США) была принята классификация, учитывающая величину хромосом и расположение центромер. В том же году К. Патау дополнил эту классификацию и предложил разделить 23 пары хромосом человека на 7 групп от А до G 1. A (I) (1-3 хромосомы) Большие, метацентрические. 2. B (II) (4,5 хромосомы) Большие, очень субметацентрические. 3. C (III) (6-12 X хромосомы) Среднего размера, субметацентрические. 4. D (IV) (13-15 хромосомы) Среднего размера, акроцентрические со спутниками 5. E (V) (16-18 хромосомы) Маленькие, 16 хромосома – метацентрическая 17 и 18 – субметацентрические 6. F (VI) (19, 20 хромосомы) Маленькие, метацентрические 7. G (VII) (21,22 Y хромосомы) Маленькие, акроцентрические со спутниками Маленькая, акроцентрическая без спутников. |