Тема 4.
Ядро клетки. Деление клетки
4.1. Клеточное ядро
4.1.1. Общие представления о составе и функциях ядра
Ядро – важнейшая структура клетки, содержащая наследственный материал – молекулы ДНК.
4.1.1.1. Ядерная ДНК и хромосомы: введение
I. Количество тех и других
ДНК
|
В ядре любой диплоидной по ДНК соматической клетки человека присутствует
46 молекул ДНК.
|
Хромо-
сомы
|
а) Каждая из молекул ДНК связана с определёнными белками, образуя дезоксинуклеопротеидный тяж – хромосому.
б) Таким образом, хромосом в ядре диплоидной клетки человека – тоже 46.
|
Наборы ДНК и хромосом
|
Наборы хромосом (и содержащихся в них молекул ДНК) во всех диплоидных клетках организма
одни и те же.
|
II. Интерфазные хромосомы
Опреде-
ление
|
а) В неделящейся или только готовящейся к делению клетке хромосомы морфологически неразличимы, т.к. находятся большей своей частью (или целиком) в деконденсированном состоянии.
б) Такие хромосомы называются интерфазными.
|
Сохранение основных свойств
|
а) Тем не менее, и в этом состоянии они сохраняют
структурную и функциональную индивидуальность, а также
определённую упорядоченность расположения в ядре.
б) Так, каждая хромосома крепится к внутренней ядерной мембране обоими своими концами и рядом промежуточных участков. Причём,
места крепления для каждой хромосомы - видимо, свои.
|
III. Метафазные и анафазные хромосомы
Визуали-
зация
|
а) В процессе деления клетки (митоза или мейоза) хромосомы резко конденсируются, в результате чего значительно
укорачиваются и утолщаются.
б) После этого они становятся видимыми даже на светооптическом уровне.
|
Различие формы
|
При конденсации разные хромосомы приобретают разную форму и по этому признаку могут быть идентифицированы.
|
Опреде-
ление
|
а) Морфологию хромосом, как правило, описывают по их состоянию на стадии метафазы или анафазы митоза.
б) Соответственно, хромосомы на этих стадиях называются метафазными и анафазными.
|
Гомология хромосом
|
а) Изучение этих хромосом, в частности, показывает, что
хромосомы попарно гомологичны друг другу,
а состав одной (23-й) пары хромосом зависит от пола человека.
б) Очевидно, это относится и к интерфазным хромосомам.
|
Подробней структуру хромосом мы рассмотрим позже.
4.1.1.2. Характеристика хромосомной ДНК
I. Строение
|
Двойная спираль
|
Любая из молекул хромосомной (ядерной) ДНК – очень протяжённая линейная структура, состоящая из двух полинуклеотидных цепей, которые
являются взаимно комплементарными
и закручены в двойную спираль.
|
Компле-
ментар-
ность
|
а) Комплементарность означает, что
против аденилового нуклеотида одной цепи всегда стоит тимидиловый нуклеотид другой цепи,
а против гуанилового нуклеотида всегда стоит цитидиловый.
б) В этих пaрах (А-Т и Г-Ц) нуклеотиды как бы дополняют друг друга по своей пространственной конфигурации,
что обеспечивает максимально плотную упаковку цепей в двойной спирали.
|
Длина
|
а) Молекулы хромосомных ДНК существенно различаются
по количеству в них нуклеотидных пар (н.п.)
и, соответственно, по своей длине.
б) Поэтому различаются по длине и хромосомы – как интерфазные, так и метафазные.
в) Средняя же длина одной молекулы ДНК человека –
4 см (120.000.000 н.п).
г) Следовательно, общая протяжённость всех 46 молекул ДНК, находящихся в хромосомах одной клетки, – примерно 185 см.
|
Объясне-
ние высокой длины ДНК
|
Такая огромная (для молекулярного уровня) длина обусловлена тем, что совокупность внутриядерных молекул ДНК (а значит, и ядро каждой клетки) содержит информацию обо всём организме человека, а именно о
развитии,
структуре и
функционировании
всех его систем и органов.
|
II. Информационная функция ядерной ДНК
|
Информа-
ция в ДНК
|
Конкретно, в наборе молекул ядерной ДНК каждой клетки содержится следующая информация:
о первичной структуре (последовательности аминокислот) всех белков организма (исключение – некоторые белки митохондрий, кодируемые митохондриальной ДНК; п. 3.3.2.2),
о первичной структуре (последовательности нуклеотидов) примерно 60 видов транспортных РНК(тРНК) и 4 видов рибосомных РНК(рРНК),
а также, видимо, о программе использования данной информации в разных клетках в разные моменты онтогенеза.
|
Этапы передачи инфор-
мации
|
Передача информации о структуре белка включает 3 этапа:
транскрипцию ДНК – образование на участке ДНК как на матрице матричной РНК (мРНК), а точнее, её предшественника (пре-мРНК);
созревание мРНК (процессинг) и перемещение её в цитоплазму.
трансляцию мРНК(п. 3.3.1.3.) – синтез на рибосомах (в цитоплазме) полипептидной цепи (т.е. последовательности аминокислот) в соответствии с последовательностью нуклеотидных триплетов (кодонов) в мРНК.
|
Строение РНК
|
Напомним: РНК любого вида (мРНК, рРНК, тРНК) представляет собой одиночную цепь, состояшую из рибонуклеотидов – адениловых, уридиловых, гуаниловых и цитидиловых.
|
1. а) Обнаружить ДНК в клеточных ядрах можно с помощью метода Фёльгена (п. 1.1.4). –
б) При этой окраске
ДНК окрашивается в вишнёвый цвет,
а прочие вещества и структуры - в зелёный.
2. а) На снимке мы видим, что, действительно, в ядрах (1) клеток содержится ДНК.
б) Исключения составляют ядрышки (2):
в них содержание ДНК низкое,
отчего они, как и цитоплазма (3), имеют на препарате зелёный цвет.
|
1. Препарат - дезоксирибо-
нуклеиновая кислота (ДНК) в ядре клетки. Окраска по методу Фёльгена.
Полный размер
|
4.1.1.3. Функции ядра и внутриядерные процессы
|
Из вышесказанного ясно, что ядро соматической клетки должно выполнять 2 ключевые функции:
обеспечивать использование информации ДНК в самой клетке – в том объёме, в каком это необходимо данной клетке при данных условиях,
и сохранять наследственный материал для его продолжительного функционирования и для передачи дочерним клеткам (образующимся при делении исходной).
|
I. Использование информации ДНК
|
Основные процессы
|
В рамках реализации данной функции в ядрах происходят указанные ранее процессы:
1. транскрипцияопределённых участков ДНК (синтез пре-мРНК),
2. созревание (процессинг) мРНК,
3. синтез и созревание тРНК и рРНК.
|
Суть
процес-
синга
|
а) Пре-мРНК обычно содержат
не только кодирующие последовательности нуклеотидов – экзоны,
но и некодирующие – интроны(чередующиеся с экзонами).
б) Поэтому одно из событий созревания пре-мРНК – это т.н. сплайсинг:
вырезание интронов и
сшивание экзонов в единую цепь мРНК.
в) Затем к концам этой цепи присоединяются дополнительные последовательности, которые необходимы
для связывания с рибосомами и
для защиты мРНК от преждевременного разрушения экзонуклеазами.
|
Другие процессы в ядре
(той же направ-
ленности)
|
К прочтению информации ДНК имеют отношение также следующие внутриядерные процессы:
4. формирование субъединиц рибосом (из рРНК и поступающих из цитоплазмы рибосомных белков) и
5. разнообразные регуляторные процессы(в том числе модификация ДНК и хромосомных белков), изменяющие активность разных участков ДНК.
|
II. Сохранение и воспроизведение наследственного материала
Эту функцию ядра также обеспечивает целая серия процессов.
|
1. Репарация ДНК
|
а) Репарация ДНК – это обнаружение и исправление возникающих повреждений структуры ДНК.
б) Репарация совершается практически постоянно, но её эффективность
меньше 100%
и к тому же у взрослых людей постепенно снижается – примерно на 1% за год.
|
2. Реплика-
ция ДНК
|
а) Репликация (удвоение) ДНК происходит перед любым делением клетки (кроме второго деления мейоза).
б) В продуктах репликации – дочерних молекулах ДНК
одна из цепей оказывается старой,
а вторая – новой (синтезированной на первой по принципу комплементарности).
Это означает, что репликация является
полуконсервативным процессом.
|
3. Конден-
сация хромосом
|
Конденсация хромосом
осуществляется уже в ходе деления клетки, в его начальной фазе,
и облегчает последующее расхождение хромосом к полюсам делящейся клетки.
|
III. Уничтожение ядром своего наследственного материала
|
а) И ещё очень важный процесс может быть инициирован в ядре:
разрушение ДНК внутриядерными эндонуклеазами.
б) Это имеет место в ходе апоптоза – клеточного “самоубийства”, которое запускается
или тогда, когда в ДНК клетки накапливается слишком много неустранимых повреждений,
или по команде специальных химических сигналов, улавливаемых рецепторами плазмолеммы.
в) Более подробно апоптоз рассматривается в конце этой темы
|
IV. Особенности процессов в ядрах созревающих половых клеток
В ядрах созревающих половых клеток тоже могут происходить все перечисленные процессы – но с рядом особенностей.
|
1-2. Репарация и апоптоз
|
а) В указанных клетках значительно ужесточаются (по сравнению с соматическими клетками) требования к качеству наследственного материала, передаваемого потомству.
б) Поэтому, как считают, резко повышаются
интенсивность репарационных процессов
и вероятность апоптоза.
|
3. Конден-
сация хромосом
|
а) При созревании сперматозоидов происходит гораздо более значительное уплотнение хромосом, чем при делениях клеток.
б) Такая сверхконденсация хромосом достигается
путём смены хромосомных белков.
|
4-5. Конъюга-
ция и
кросс-
синговер
|
а) Кроме того, добавляются новые процессы – конъюгация и кроссинговер.
б) Они совершаются в ходе особого деления – мейоза – и заключаются в том, что гомологичные хромосомы
вначале прилегают друг к другу (это обозначается термином “конъюгация”),
а затем обмениваются некоторыми своими участками (кроссинговер).
в) Данный обмен повышает разнообразие генетического материала в половых клетках.
|
Таким образом, процессы, происходящие в клеточных ядрах, очень разнообразны и исключительно важны.
4.1.1.4. Выявление транскрипции в клеточных ядрах
Все вышеназванные процессы могут быть выявлены с помощью специальных методик. Продемонстрируем это на примере транскрипции ДНК, т.е. матричного синтеза РНК.
I. Принцип метода
|
Мечение уридином
|
а) Экспериментальным животным in vivo вводят в кровь раствор радиоактивного уридина.
б) Данное соединение в клетках превращается в Н3–УТФ (уридинтрифосфат) - один из четырёх нуклеотидов, используемых при синтезе РНК.
в) Поэтому вскоре после введения метки она оказывается в составе новосинтезированных цепей РНК.
Замечание. - При синтезе ДНК вместо уридилового нуклеотида используется тимидиловый;
так что Н3–УТФ включается только в РНК.
|
Последу-
ющие проце-
дуры
|
а) Через определённое время животных забивают и готовят срезы изучаемых тканей.
б) Срезы покрывают фотоэмульсией. В местах нахождения радиоактивного соединения
происходит разложение фотоэмульсии
и образуются гранулы серебра.
Т.е. последние являются маркёрами радиоактивной метки.
в) Затем срез (после промывки и закрепления) красят как обычный гистологический препарат.
|
2. Препарат - включение Н3–уридина в РНК. Окраска гематоксилин-эозином.
|
1. а) На представленном снимке мы видим, что меченое вещество (2) сосредоточено, главным образом, в ядрах (1) клеток.
б) Это и отражает тот факт, что
в ядрах происходит синтез всех видов РНК - мРНК, тРНК и рРНК.
|
Полный размер
|
2. Наличие метки в других частях препарата объясняется, например, тем, что
какая-то часть меченого вещества (Н3–уридина) не успела включиться в состав РНК,
а какая-то часть новообразованной РНК, наоборот, уже успела выйти из ядра в цитоплазму.
|
4.1.1.5. Структурные компоненты интерфазного ядра
|
3. Препарат - структура клеточного ядра. Клетки печени. Окраска гематоксилин-эозином.
|
Теперь обратимся к строению интерфазного ядра.
а) Будем использовать обычный препарат печени.
б) В печёночных клетках хорошо видны округлые ядра (1), окрашенные гематоксилином в фиолетовый цвет.
в) В ядрах же выявляется ряд структур.
|
Полный размер
|
1. Хроматин
|
а) В соответствии с вышеизложенным,
главный компонент ядра - это хромосомы,
но в интерфазе при световой микроскопии различить их по отдельности невозможно.
| |
Скачать 0.79 Mb.