био2. Занятие 11 Ядро клетки. Наследственный аппарат клеток человека

• Название: Занятие 11 Ядро клетки. Наследственный аппарат клеток человека
• Дата: 02.12.2020
• Размер: 28.37 Kb.
• Имя файла: био2.docx
• Тип: Занятие; #156200

ЗАНЯТИЕ  11   Ядро клетки. Наследственный аппарат клеток человека.

 

1,3.Строение и функции ядра.

Ядро находится либо в центре клетки, либо смещено на периферию, его форма зависит от формы клетки. Обычно клетка содержит одно ядро, хотя бывают двуядерные клетки (печень) и многоядерные (остеокласты содержат до 100 ядер). 

   Важным показателем состояния клетки является ядерно-цитоплазматическое соотношение, т.е. отношение объёма ядра к объёму цитоплазмы. Это отношение постоянно, когда оно изменяется (увеличивается объём ядра), клетка начинает делиться.

     Ядро эукариотической клетки имеет собственную мембрану, отграничи­вающую его от цитоплазмы. Мембрана имеет 2 слоя – наружный и внутренний – между ними находится околоядерное (перинуклеарное) пространство, связанное с ЭПС.

Функции ядерной оболочки: 

1. отграничивает содержимое ядра от цитоплазмы

2. обеспечивает взаимодействие (обмен веществ) между ядром и цитоплазмой

Ядерная оболочка имеет отверстия – поры. Но они не сквозные, а заполнены специальными белками. Через поры из ядра в цитоплазму и наоборот осуществляется транспорт молекул крупных белков, молекул РНК и субъедиц рибосом. Сама же мембрана ядерной оболочки обеспечивает прохождение в обоих направлениях низко­молекулярных соединений (аминокислоты, сахара, ионы металлов, нуклеотиды, мелкие белки). Количество пор в оболочке ядра зависит от его активности, в клетке человека обычно имеется 3-4 тыс. пор.

Внутренняя мембрана ядерной оболочки имеет белковую подстилку, к которой крепятся хромосомы. Это обеспечивает их упорядоченное расположение.

Под мембраной находится ядерный матрикс, ядерный сок, ядрышко и хромосомы.

Ядерный матрикс – это сетчатая структура, состоящая из плотно упакованных нитей (фибрилл) белков. Ядерный матрикс является каркасом клетки.

Ядерный сок  (кариоплазма) заполняет всё пространство клетки. Это бесцветная коллоидная слабокислая (рН = 6 – 6.5) масса. В основе ядерного сока лежат белки, липиды, углеводы, нуклеиновые кислоты, минеральные соли. Кариоплазма осуществляет взаимосвязь всех ядерных структур.

Ядрышко – это округлый, уплотнённый, не ограниченный мембраной участок клеточного ядра диамет­ром 1-2 мкм и больше. Форма, размеры и количество ядрышек зависят от функционального состояния ядра: чем крупнее ядрышко, тем выше его активность. В ядре их может содержаться от 1 до 10, а в ядрах дрожжей они отсутствуют. В клетках человека ядрышки образуются в определённых участках хромосом № 13, 14, 15, 21, 22. Эти участки расположены в области вторичной перетяжки хромосомы и называются ядрышковым организатором или ядрышкообразующим районом, их 10 штук.

   Функция ядрышек состоит в синтезе белка и р-РНК и последующей сборке рибосом.

Выделяют 4 типа рРНК: 18S, 28S, 5,8S, 5S. Гены, кодирующие синтез рРНК 18S, 28S, 5,8S  находятся в ядрышкообразующих районах хромосом, а гены, отвечающие за синтез рРНК 5S, находятся в других участках хромосом. В ядрышке собираются обе частицы рибосомы, но выйдя из ядра, рибосома распадается на большую и меньшую субъединицы.

 2. +Ядерно-цитоплазматическим транспортом называется материальный обмен между Клеточное ядром и цитоплазмой клетки. Ядерно-цитоплазматический транспорт можно разделить на две категории: активный транспорт, требующий затрат энергии, а также специальных белков-рецепторов, и пассивный транспорт, протекающий путем простой диффузии молекул через канал ядерной поры.
4.Наследственный аппарат клеток. Химическая и структурная организация хромосом.

Основное вещество ядра – хроматин. Он состоит из ДНК (35%), белков (65%) , а также углеводов, РНК, Мg²⁺(менее 1%).  Белковая часть хроматина представлена кислыми белками и оснОвными белками (гистонами). На  гистоны приходится 80% от всех белков, и они играют важнейшую роль в хроматине. Выделяют пять классов гистонов: Н1, Н2А, Н2Б, Н3, Н4. 

 Т.к. гистоны являются осноОвными или щёлочными белками, они имеют положительный суммарный заряд (благодаря большому содержанию аминокислот лизина и аргенина, которые имеют по две аминогруппы, заряженные положительно). Суммарный заряд ДНК отрицательный (счет остатка фосфорной кислоты), поэтому белки прочно связаны с молекулой ДНК.

Перед митозом хроматин уплотняется за счет спирализации ДНК и приобретает определённую форму и размеры. Теперь он называется хромосомой. Хромосома – структурное образование, хроматин – химический экви­валент хромосом.

Структурная организация хромосом достаточно сложная.

В интерфазном ядре принято выделять 3 уровня структурной организации хромосом:

1) формирование нуклеосом. Белки гистоны H2A, H2B, H3, H4, (по 2 молекулы каждого) образуют остов нуклеосомы (катушку), вокруг этой основы ДНК делает примерно 2 витка (146 п. н.). Соседние нуклеосомы связываются  гистоном H1, так образуется нуклеосомная нить. Диаметр нуклеосомной нити 11нм, размер молекулы ДНК уменьшается в 7 раз. 

2) формирование соленоидоподобных фибрилл. Длина ДНК на этом уровне уменьшается в 50 раз.

3) формирование петель. Соленоидоподобные фибриллы складываются в петли. ДНК человека образует до 2.000 петель. Длина ДНК  уменьшается в 1.000 раз. Эти три уровня спирализации ДНК происходят во время интерфазы. 

4) формирование хроматид; петли ещё больше спирализуются, и диаметр хроматиды становится равным 700нм.

5) образование хромосомы за  счёт объединения хроматид; диаметр хромосомы = 1400нм.

4 и 5 уровни спирализации ДНК происходит во время профазы митоза. В конечном итоге размер ДНК уменьшается в 10.000 раз. 

  Значение компактизации хромосом состоит в облегчении их перемещения  в дочерние клетки во время митоза.

 

5.Характеристика ДНК. Молекулярное строение гена у прокариот и эука­риот. 

Роль хранителя наследственной информации у всех организмов принадлежит ДНК. Эта кислота была открыта в 1869г. Ф. Мишером в ядрах лейкоцитов, но строение её было выяснено только в 1953г. Дж. Уотсоном и Ф. Криком. В своих исследованиях эти учёные опирались на данные рентгеноструктурного анализа молекулы ДНК и на установленное Э. Чаргаффом правило: в молекуле ДНК число пуриновых оснований строго соответствует числу пиримидиновых оснований.

ДНК – полимер, состоящий из десятков (или сотен) миллионов мономеров – дезоксирибонуклеотидов. В состав каждого дезоксирибонуклеотида входит азотистое основание, углевод (сахар дезоксирибоза) и остаток фосфорной кислоты (фосфат). Нуклеотиды ДНК отличаются друг от друга основаниями. Различают пуриновые основания: аденин (А) и гуанин (Г) и пиримидиновые основания: цитозин (Ц) и тимин (Т). Нуклеотиды ДНК называются соответственно: адениловый, гуаниловый, цитидиловый, тимидиловый.

Нуклеотиды ДНК соединены последовательно в цепочку за счет фосфодиэфирных мостиков, образующихся между углеводом одного нуклеотида и остатком фосфорной кислоты соседнего. Иначе говоря, остаток фосфорной кислоты связывает углеводы со­седних нуклеотидов. Это первичная структура ДНК.

Читать последовательность нуклеотидов в ДНК принято от пятого атома сахара  к третьему атому. Поэтому в цепочке ДНК первым будет стоять 5' нуклеотид, а последним  3'нуклеотид. Поэтому полинуклеотидная цепь полярной. 

ДНК – это две цепочки, закрученные вправо и антипараллельные (напротив 5' нуклеотида одной цепочки  расположен 3' нуклеотид второй цепочки). 

В каждой цепочке, основания которых обращены внутрь спирали и образуют пары таким образом, что (А) одной цепи всегда находится про­тив (Т) другой цепи, а (Г) – против (Ц). Между этими парами оснований образуются водородные связи: две меж­ду А и Т и три между Г и Ц. В каждом сочетании оба нуклеотида как бы дополняют друг друга, они комплементарны. Комплементарность – взаимное соответствие в химическом строении молекул, обеспечиваю­щее их взаимодействие. Комплементарные структуры подходят друг к другу как ключ к замку.

Это вторичная структура ДНК.

Двойная спираль ДНК на некоторых участках может подвергаться дальнейшей спирализации с образованием суперспирали. Количественно суперспираль характеризуется  числом сверхвитков  и плотностью сверхвитков. Это обеспечивает экономную упаковку огромной молекулы ДНК в хромосоме: вместо 5 см в вытянутой форме ДНК укладывается в 5 нм. Это третичная структура ДНК.

Данные рентгеноструктурного анализа показали, что молекула ДНК образует правозакрученную спираль диаметром 2 нм; длиной шага – 3,4 нм. В каждый виток входит 10 п.н.

6.Геном клетки. 

В ДНК заложена вся наследственная (генетическая) информация. Структурно-функциональной единицей генетической информации является ген.

 Ген – последовательнось нуклеотидов ДНК, которая содержит информацию о последовательности аминокислот в полипептиде, либо о последовательности нуклеотидов какого-либо вида РНК (прежде всего рРНК и тРНК).

    Геном – суммарная ДНК гаплоидного набора хромосом  клеток организма. У разных организмов геном имеет различные размеры, т.е. разное количество нуклеотидных пар (А – Т, Г– Ц). Так у прокариот в геноме содержится до 8х10⁶ п.н., у эукариот – 10⁶ - 10¹¹ п.н. 

Например, геном кишечной палочки содержит 4х10⁶ п.н., геном дрозофилы – 1,4х10⁸ п.н.,  а геном человека – 3,3х10⁹ п.н.  

   Общая длина ДНК человека в организме  1011 км (почти в тысячу раз больше расстояния от Земли до Солнца). В молекулах ДНК одной клетки человека – 3,3 х 109 п.н. Это и есть физический размер генома человека. В соматической клетке количество ДНК в 2 раза больше: 6,3 х 109 н.п.

Одним из самых боль­ших геномов обладают хвостатые амфибии и двоякодышащие рыбы.

 

7.Молекулярное строение гена у эукариот. Уникальные гены и повторяющиеся последовательности на нити ДНК, их функциональное значение.

В процессе эволюции количество ДНК у эукариотических организмов возросло в 1000 раз, а количество генов увеличилось в гораздо меньшей степени. Например, у бактерий в единственной хромосоме содержится примерно 1.000 генов, а в геноме человека содержится 22-24.000 генов. Такое непомерное увеличение количества ДНК по сравнению с увеличением числа генов называется избыточностью ДНК.

    В эукариотической клетке только 3% ДНК являются генами. Из них 1,2% генов кодируют структуру белков, и 1,8% генов кодируют структуру РНК.

В силу избыточности ДНК у эукариотов в их геноме выделяют 3 класса последовательностей нуклеотидов: 

1) редко повторяющиеся последовательности нуклеотидов (уникальные гены)

2) умеренно повторяющиеся последовательности нуклеотидов

3) высоко (многократно) повторяющиеся последовательности нуклеотидов

Уникальные гены:

а) составляют 60-70% ядерной ДНК, это гены подавляющего числа белков 

   клеток человека

б) встречаются один или несколько раз в геноме

в) представлены структурными генами и внутригенными некодирующими 

  областями

Для уникальных генов характерно экзонно-интронное строение: кодирующий участок – экзон чередуется с не кодирующим участком – интроном. Экзон – это фактически ген. Количество экзонов в уникальном гене различно: от 1  до 364, но в среднем 8.

Умеренно повторяющиеся последовательности нуклеотидов

а) составляют 10-15% ядерной ДНК

б) повторяются в геноме сотни и тысячи раз

в) представлены генами рРНК и белков гистонов (ген – спейсер)

Многократно-повторяющиеся последовательности нуклеотидов

а) составляют  25-28% ядерной ДНК

б) повторяются в геноме сотни тысяч и миллионы раз

в) имеют  размер от нескольких  нуклеотидов до нескольких  сотен

г) входят  в состав структурного гетерохроматина

Предполагаемая роль многократно повторяющихся последовательностей:

а) узнавание гомологичных участков хромосом во время кроссинговера, 

б) разделение структурных и регуляторных генов в кодирующих участках ДНК, 

в) регуляция функции генов.

9. 

Прокариоты	Эукариоты
на гены приходится 90%  ДНК	на гены приходится 30% ДНК
кодирующая область непрерывна (нет интронов)	экзон-интронная структура
ген следует за геном	кодирующая область составляет 3%
нет повторяющихся последовательностей	повторяющиеся последовательности есть (у человека до 50%)

 

Хромосомы максимально спирализованы в метафазу митоза и их можно увидеть в световой микроскоп.

Каждая хромосома состоит из двух хроматид, кото­рые соединяются с помощью первичной перетяжки (центромеры). Центромера состоит из повторяющихся последовательностей нуклеотидов. Функциицентромеры: 

1. удержание хроматид

2. правильное выстраивание хромосом в метафазной пластинке

3. прикрепление хромосом к веретену деления

4. здесь находится участок, который контролирует переход клетки в стадию анафазы

10. 1 — нуклеосомный, 2 — нуклеомерный, 3 — хромомерный, 4 — хроматидный, 5 — хромосомный уровни компактизации ДНК.

11. Теломерные участки хромосом и их функциональная значимость.

Теломерные участки ДНК человека от З'-конца образованы короткими тандемными повторами ТТАГГГ. За ними следуют более протяженные повторяющиеся последовательности, и далее идет участок также повторяющихся последовательностей, уникальных для каждой хромосомы. Ком­плекс ДНК со специфическими белками на концах хромосом называется «теломера». 

   Теломеры обеспечивают:

1. прикрепление хромосом к внутреннему слою ядерной оболочки

2. способствуют конъюгации гомологичных хромосом, а в дальнейшем кроссинговеру

3. «защищают» молекулы ДНК от разрушающего действия ферментов.

 

 12.Характеристика гетерохроматина и эухроматина.

В интерфазных хромосомах выделяют менее спирализованные участки и более спирализованные участки. 

Менее спирализованные участки хромосом   плохо окрашиваются красителями. Они называются эухроматиновыми участками (или эухроматином), т.к. содержат активные гены. Меньшая спирализация эухроматина позволяет быстрее списывать с генов наследственную информацию.

Более спирализованные участки хорошо окрашиваются красителями и выглядят в световой микроскоп в виде глыбок. Эти участки хромосом называются гетерохроматиновыми участками (или гетерохроматином), они не содержат активных генов. Выделяют 2 вида гетерохроматина: структурный (или конститутивный) и факультативный.

Структурный гетерохроматин находится на концах хромосомы и в области центромеры. Он постоянно находится в спирализованном состоянии и выполняет структурную функцию.

Факультативный гетерохроматин. В клетках женского организма в норме находятся 2 «Х» хромосомы, но 1 «Х» хромосома находится в неактивном состоянии в виде гетерохроматина. В световой микроскоп в интерфазном ядре такая хромосома выглядит в виде плотного округлого тельца (тельце Барра или половой хроматин). Т.о. у женщин активна лишь одна половая хромосома, а вторая переходят в состояние гетерохроматина уже в зиготе (на 16 день после оплодотворения).

 

13.В зависимости о положения первичной перетяжки выделяют следующие виды хромосом:

1. Метацентрическая (равноплечая) – центромера делит хромосому на два равных плеча

2. Субметацентрическая (умереннонеравноплечая) – центромера делит хромосому на два слабо неравных плеча

3. Очень субметацентрическая (выраженная неравноплечая) – центромера делит хромосому на два резко неравных плеча.

Акроцентрическая – одно плечо очень короткое.Иногда на одном из плеч хромосомы может находиться вторичная перетяжка, которая отделяет спутник. Такие хромосомы называются спутниковыми, у человека это хромосомы 13,14,15,21,22 пар. Область вторичной перетяжки называется ядрышковым организатором, т.к. здесь образуются ядрышки. 

   На концах хромосом содержатся теломеры, это участки ДНК человека от З'-конца образованные короткими тандемными повторами ТТАГГГ. За ними следуют более протяженные повторяющиеся последовательности, в которых содержится много тимина. Теломеры играют важную роль:

1. прикрепляют хромосому к ядерному матриксу

2. сохраняют целостность хромосомы (защищают ДНК от разрушающего действия ферментов)

3. обеспечивают прохождение репликации хромосом  до конца

4. способствуют конъюгации гомологичных хромосом, а в дальнейшем кроссинговеру

5. удерживают сЕстринские хроматиды в метафазу мейоза

 14. Определение кариотипа. Наследственный аппарат клеток человека. Кариотип человека, характеристика кариотипа человека в норме.

Кариотип – это диплоидный набор хромосом, свойственный соматическим клеткам организмов данного типа и характеризующийся определенным числом, строением и генным составом  хромосом. 

В кариотипе человека 23 пары хромосом. 22 пары хромосом одинаковы у мужчин и женщин, они называются аутосомами. Одна пара хромосом – половые хромосомы, у мужчин это хромосома Х и хромосома У, у женщин это две Х хромосомы.

Число хромосом в гамете, свойственное данному виду, называется гаплоидным (1n), а число хромосом, свойственное зиготе и соматическим клеткам, диплоидным (2n). 

 

15. Идиограмма, принцип построения.

     Рисунки или снимки хромосом, которые располагаются в порядке убывания их размера, носят названия кариограмм или идиограмм.

Хромосомы изучают на стадии метафазы митоза (метафазная пластинка), когда они максимально спирализованы и хорошо видны в световой микроскоп.

Для исследований у человека берут лейкоциты крови, а затем лейкоциты обрабатывают специальными веществами, которые запускают митоз (митогенами). Через 48 часов клетки будут на стадии митоза, и деление останавливают с помощью веществ, которые разрушают нити веретена деления (колхицин). Затем производят дифференциальное окрашивание хромосом – используют специальные красители, которые избирательно поглощаются определёнными участками хромосомы. При микроскопировании хромосом они выглядят полосатыми, более сильно окрашенные участки хромосом называются районами, или бэндами.

Обозначение локализации гена: 12q24.1: – хромосома 12, длинное плечо, район 24, бэнд 1. 

Ген находится  в двенадцатой хромосоме, в её длинномплече, в двадцать четвёртом районе, в первом бэнде. Это ген синтеза фермента фенилаланин-4-гидроксилаза. При его мутации возникает болезнь фенилкетонурия.
16.классификация хромосом человека.

 

Группа ​Номера хромосом ​Виды хромосом

А​    1, 2, 3 ​большие метацентрические 

В​    4, 5​большие очень субметацентрические

С​    6 – 12, Х​средние субметацентрические

D​    13, 14, 15​средние; акроцентрические, спутничные 

E​    16, 17, 18​малые: 16 –метацентрическая, 17 и 18 – 

                                           субметацентрические

F​    19, 20.​малые метацентрические

G​    21, 22, У​малые; акроцентрические спутничные

Примечание:

1. хромосома 21 меньше, чем хромосома 22, хотя в кариограмме стоит впереди её

2.  У- хромосома – это акроцентрическая хромосома, но не спутничная.