а - Центральная догма молекулярной биологии

Лекция № .

Количество часов: 2

Центральная догма молекулярной биологии

1) Транскрипция

2) Трансляция

В начале 50-х годов Ф. Крик сформулировал центральную догму молекулярной биологии. Согласно этой концепции генетическая информация от ДНК к белкам передается через РНК по схеме: ДНК - РНК - белок.

Первый этап биосинтеза происходит в ядре и носит название транскрипции (переписывание).

Рекомендуемые материалы

Транскрипция - биосинтез молекул РНК на матрице ДНК.  Этот процесс катализируется ферментом РНК-полимеразой.  Фермент узнает знак начала транскрипции - промотор - и присоединяется к нему. Промотор ориентирован таким образом, что РНК-полимераза проходит через данный генетический участок в определенном направлении. Фермент расплетает двойную спираль ДНК и копирует, начиная с промотора, одну из ее цепей.  По мере движения РНК-полимеразы растущая цепь РНК отходит от матрицы и двойная спираль ДНК позади фермента восстанавливается. В процессе транскрипции синтезируется про-м-РНК - предшественник зрелой м-РНК, участвующей в трансляции.  Про-м-РНК имеет большие размеры и содержит фрагменты, не кодирующие синтез полипептидной цепи. Эти фрагменты получили название интронов, кодирующие фрагменты называются экзонами.  Процесс вырезания интронов и сращивания в строгом порядке экзонов называется сплайсингом.  В процессе сращивания образуется зрелая м-РНК Транспорт м-РНК из ядра в цитоплазму осуществляется через ядерные поры.  Зрелые эукариотические м-РНК обычно кодируют только одну полипептидную цепь.

Следующий этап биосинтеза происходит в цитоплазме на рибосомах и носит название трансляция.

Трансляция - синтез полипептидных цепей белков на матрице м-РНК согласно генетическому коду.  В процессе трансляции информация о строении белка переводится с нуклеотидного кода м-РНК в определенную последовательность аминокислот в синтезируемых белках.  Биосинтез белка осуществляется сложным макромолекулярным комплексом.  Аминокислоты доставляются в рибосомы т-РНК.  При синтезе белка м-РНК входит в состав полирибосомы (на ней одновременно ведут синтез от нескольких до 100 рибосом).

Таким образом, транскрипция и трансляция пространственно разобщены.  Транскрипция протекает в ядре, а трансляция - в цитоплазме.

Клетка как таковая обладает огромным числом разнообразных функций, как мы уже говорили, часть из них – общеклеточные, часть – специальные, характерные для особых клеточных типов. Главными рабочими механизмами выполнения этих функций являются белки или их комплексы с другими биологическими макромолекулами, такими, как нуклеиновые кислоты, липиды и полисахариды. Так, известно, что процессы транспорта в клетке разнообразных веществ, начиная с ионов, кончая макромолекулами, определяются работой специальных белков или липопротеиновых комплексов в составе плазматической и иных клеточных мембран. Практически все процессы синтеза, распада, перестройки разных белков, нуклеиновых кислот, липидов, углеводов происходит в результате активности специфических для каждой отдельной реакции белков-ферментов. Синтезы отдельных биологических мономеров, нуклеотидов, аминокислот, жирных кислот, сахаров и др. также осуществляются огромным числом специфических ферментов – белков. Сокращение, приводящее к подвижности клеток или к перемещение веществ и структур внутри клеток, осуществляется также специальными сократительными белками. Многие реакции клеток в ответ на воздействие внешних факторов (вирусов, гормонов, чужеродных белков и др.) начинается с взаимодействия этих факторов со специальными клеточными белками-рецепторами.

Белки – это основные компоненты практически всех клеточных структур. Множество химических реакций внутри клетки определяется множеством ферментов, каждый из которых ведет одну или несколько отдельных реакций. Структура каждого отдельно взятого белка строго специфична, что выражается в специфичности их первичной структуры – в последовательности аминокислот вдоль полипептидной, белковой цепи. Причем специфичность этой аминокислотной последовательности безошибочно повторена во всех молекулах данного клеточного белка.

Такая правильность в воспроизведении однозначной последовательности аминокислот в белковой цепи детерминируется структурой ДНК того генного участка, который в конечном счете отвечает за структуру и синтез данного белка. Эти представления служат основным постулатом молекулярной биологии, ее «догмой». Информация о будущей молекуле белка передается в места его синтеза (в рибосомы) посредником – информационной РНК (иРНК), нуклеотидный состав которой отражает состав и последовательность нуклеотидов генного участка ДНК. В рибосоме строится полипептидная цепь, последовательность аминокислот в которой определяется последовательностью нуклеотидов в иРНК, последовательностью их триплетов. Тем самым центральная догма молекулярной биологии подчеркивает однонаправленность передачи информации: только от ДНК к белку, с помощью промежуточного звена, иРНК (ДНК ® иРНК ® белок). Для некоторых РНК-содержащих вирусов цепь передачи информации может идти по схеме РНК – иРНК – белок. Это не меняет сути дела, так как детерминирующим, определяющим звеном здесь является также нуклеиновая кислота. Обратные пути детерминации от белка к нуклеиновой кислоте, к ДНК или РНК неизвестны.

Для того чтобы в дальнейшем перейти к изучению структур клетки, связанных со всеми этапами синтеза белков, нам необходимо кратко остановиться на основных процессах и компонентах, определяющих это явление.

В настоящее время на основании современных представлений о биосинтезе белков можно дать следующую общую принципиальную схему этого сложного и многоступенчатого процесса (рис. 16).

Главная, «командная», роль в определении специфической структуры белков принадлежит дезоксирибонуклеиновой кислоте – ДНК. Молекула ДНК представляет собой чрезвычайно длинную линейную структуру, состоящую из двух взаимозакрученных полимерных цепей. Составными элементами – мономерами – этих цепей являются четыре сорта дезоксирибонуклеотидов, чередование или последовательность которых вдоль цепи уникальная и специфична для каждой молекулы ДНК и каждого ее участка. Различные достаточно длинные участки молекулы ДНК ответственны за синтез разных белков. Тем самым одна молекула ДНК может определить синтез большого числа функционально и химически различных белков клетки. За синтез каждого одного типа белков ответствен лишь определенный участок молекулы ДНК. Такой участок молекулы ДНК, связанный с синтезом одного какого-либо белка в клетке, часто обозначают термином «цистрон». В настоящее время понятие цистрон рассматривают как эквивалентное понятию ген. В уникальной структуре гена – в определенном последовательном расположении его нуклеотидов вдоль цепи – заключена вся информация о структуре одного соответствующего белка.

Из общей схемы белкового синтеза видно (см. рис. 16), что начальным пунктом, с которого начинается поток информации для биосинтеза белков в клетке, является ДНК. Следовательно, именно ДНК содержит ту первичную запись информации, которая должна сохраняться и воспроизводиться от клетки к клетке, из поколения в поколение.

Кратко касаясь вопроса о месте хранения генетической информации, т.е. о локализации ДНК в клетке, можно сказать следующее. Уже давно известно, что, в отличие от всех прочих компонентов белоксинтезирующего аппарата, ДНК имеет особую, весьма ограниченную локализацию: местом ее нахождения в клетках высших (эукариотических) организмов будет клеточное ядро. У низших (прокариотических)организмов, не имеющих оформленного клеточного ядра, ДНК также отмешана от остальной части протоплазмы в виде одного или нескольких компактных нуклеотидных образований. В полном соответствии с этим ядро эукариот или нуклеоид прокариот издавна рассматривается как вместилище генов, как уникальный клеточный органоид, контролирующий реализацию наследственных признаков организмов и их передачу в поколениях.

Основной принцип, лежащий в основе макромолекулярной структуры ДНК, - это так называемый принцип комплементарности (рис. 17). Как уже упоминалось, молекула ДНК состоит из двух взаимозакрученных цепей. Эти цепи связаны друг с другом посредством взаимодействия их противолежащих нуклеотидов. При этом по структурным соображениям существование такой двутяжной структуры оказывается возможным только в том случае, если противолежащие нуклеотиды обеих цепей будут стерически комплементарны, т.е. будут своей пространственной структурой дополнять друг друга. Такими взаимодополняющими – комплементарными – парами нуклеотидов являются пара А-Т (аденин-тимин) и пара Г-Ц (гуанин-цитозин).

Следовательно, согласно этому принципу комплементарности, если в одной цепи молекулы ДНК мы имеем некую последовательность четырех сортов нуклеотидов, то во второй цепи последовательность нуклеотидов будет однозначно детерминирована, так что каждому А первой цепи будет соответствовать Т во второй цепи, каждому Т первой цепи – А во второй цепи, каждому Г первой цепи – Ц во второй цепи и каждому Ц первой цепи – Г во второй цепи.

Видно, что указанный структурный принцип, лежащий в основе двутяжного строения молекулы ДНК, позволяет легко понять точное воспроизведение исходной структуры, т.е. точное воспроизведение информации, записанной в цепях молекулы в виде определенной последовательности из 4 сортов нуклеотидов. Действительно, синтез новых молекул ДНК в клетке происходит только на базе уже имеющихся молекул ДНК. При этом две цепи исходной молекулы ДНК начинают с одного из концов расходиться, и на каждом из разошедшихся однотяжных участков начинает собираться из присутствующих в среде свободных нуклеотидов вторая цепь в точном соответствии с принципом комплементарности. Процесс расхождения двух цепочек исходной молекулы ДНК продолжается, и соответственно обе цепи дополняются комплементарными цепями. В результате, как видно на схеме, вместо одной возникают две молекулы ДНК, в точности идентичные исходной. В каждой получившейся «дочерней» молекуле ДНК одна цепь, как видно, целиком происходит от исходной, а другая является заново синтезированной.

Главное, что еще раз необходимо подчеркнуть, это то, что потенциальная способность к точному воспроизведению заложена в самой двутяжной комплементарной структуре ДНК как таковой, и открытие этого, безусловно, составляет одно из главных достижений биологии.

Однако проблема воспроизведения (редупликации) ДНК не исчерпывается констатацией потенциальной способности ее структуры к точному воспроизведению своей нуклеотидной последовательности. Дело в том, что ДНК сама по себе вовсе не является самовоспроизводящей молекулой. Для осуществления процесса синтеза – воспроизведения ДНК по описанной выше схеме необходима деятельность специального ферментативного комплекса, носящего название ДНК-полимеразы. По-видимому, именно этот фермент осуществляет последовательно идущий от одного конца молекулы ДНК к другому процесс расхождения двух цепей с одновременной полимеризацией на них свободных нуклеотидов по комплементарному принципу. Таким образом, ДНК, подобно матрице, лишь задает порядок расположения нуклеотидов в синтезирующихся цепях, а сам процесс ведет белок. Работа фермента в ходе редупликации ДНК представляет собой на сегодня одну из наиболее интересных проблем. По-видимому, ДНК-полимераза как бы активно ползет вдоль двутяжной молекулы ДНК от одного ее конца к другому, оставляя позади себя раздвоенный редуплицированный «хвост». Физические принципы такой работы данного белка пока не ясны.

Однако ДНК и отдельные ее функциональные участки, несущие информацию о структуре белков, сами непосредственного участия в процессе создания белковых молекул не принимают. Первым этапом на пути к реализации этой информации, записанной в цепях ДНК, является так называемый процесс транскрипции, или «переписывания». В этом процессе на цепи ДНК, как на матрице, происходит синтез химически родственного полимера – рибонуклеиновой кислоты (РНК). Молекула РНК представляет собой одну цепь, мономерами которой являются четыре сорта рибонуклеотидов, которые рассматриваются как небольшая модификация четырех сортов дезоксирибонуклеотидов ДНК. Последовательность расположения четырех сортов рибонуклеотидов в образующейся цепи РНК в точности повторяет последовательность расположения соответствующих дезоксирибонуклеотидов одной из двух цепей ДНК. Таким путем нуклеотидная последовательность генов копируется в виде молекул РНК, т.е. информация, записанная в структуре данного гена, целиком переписывается на РНК. С каждого гена может сниматься большое, теоретически неограниченное количество таких «копий» – молекул РНК. Эти молекулы, переписанные во многих экземплярах как «копии» генов и стало быть несущие ту же информацию, что и гены, расходятся по клетке. Они уже непосредственно входят в связь с белоксинтезирующими частицами клетки и принимают «личное» участие в процессах создания белковых молекул. Другими словами, они переносят информацию от места, где она хранится, в места ее реализации. Соответственно эти РНК обозначают как информационные или матричные РНК, сокращенно мРНК (или иРНК).

Выяснено, что цепь информационной РНК синтезируется, прямо используя соответствующий участок ДНК в качестве матрицы. Синтезируемая цепь мРНК при этом точно копирует по своей нуклеотидной последовательности одну из двух цепей ДНК (принимая, что урацилу (У) в РНК соответствует его производное тимин (Т) в ДНК). Это происходит на основе того же структурного принципа комплементарности, который определяет редупликацию ДНК (рис. 18). Оказалось, что когда происходит синтез мРНК на ДНК в клетке, то в качестве матрицы для образования цепи мРНК используется лишь одна цепь ДНК. Тогда каждому Г этой цепи ДНК будет соответствовать Ц в строящейся цепи РНК, каждому Ц цепи ДНК – Г в цепи РНК, каждому Т цепи ДНК – А в цепи РНК и каждому А цепи ДНК – У в цепи РНК. В итоге получающаяся цепь РНК будет строго комплементарна к матричной цепи ДНК и, следовательно, идентичная по последовательности нуклеотидов (принимая Т = У) второй цепи ДНК. Таким образом происходит «переписывание» информации с ДНК на РНК, т.е. транскрипция. «Переписанные» сочетания нуклеотидов цепи РНК уже непосредственно определяют расстановку соответствующих, кодируемых ими аминокислот в цепи белка.

Здесь, как и при рассмотрении редупликации ДНК, в качестве одного из наиболее существенных моментов процесса транскрипции необходимо указать на его ферментативный характер. ДНК, являющаяся матрицей в этом процессе, целиком определяет расположение нуклеотидов в синтезирующейся цепи мРНК, всю специфичность образуемой РНК, но сам ход процесса осуществляется особым белком – ферментом. Этот фермент называется РНК-полимеразой. Его молекула имеет сложную организацию, позволяющую ему активно продвигаться вдоль молекулы ДНК, одновременно синтезируя цепочку РНК, комплементарную к одной из цепей ДНК. Молекула ДНК, служащая матрицей, при этом не расходуется и не изменяется, сохраняясь в прежнем виде и будучи всегда готова для такого переписывания с нее неограниченного количества «копий» – мРНК. Поток этих мРНК от ДНК к рибосомам и составляет тот поток информации, который обеспечивает программирование белоксинтезирующего аппарата клетки, всей совокупности ее рибосом.

Таким образом, рассмотренная часть схемы описывает поток информации, идущий от ДНК в виде молекул мРНК к внутриклеточным частицам, синтезирующим белки. Теперь мы обратимся к потоку иного рода – к потоку того материала, из которого должен создаваться белок. Элементарными единицами – мономерами – белковой молекулы являются аминокислоты, которых имеется 20 различных сортов. Для создания (синтеза) белковой молекулы свободные аминокислоты, присутствующие в клетке, должны быть вовлечены в соответствующий поток, поступающий в белоксинтезирующую частицу, и уже там расставлены в цепочку определенным уникальным образом, диктуемым информационной РНК. Такое вовлечение аминокислот – строительного материала для создания белка – осуществляется через присоединение свободных аминокислот к особым молекулам РНК относительно небольшого размера. Эти РНК, служащие для присоединения к ним свободных аминокислот, не будут информационными, а несут иную- адапторную – функцию, смысл которой будет виден дальше. Аминокислоты присоединяются к одному из концов небольших цепочек трансферных РНК (тРНК), по одной аминокислоте на одну молекулу РНК.

Для каждого сорта аминокислоты в клетке существуют  свои специфические, присоединяющие только этот сорт аминокислоты молекулы адапторных РНК. В таком навещенном на РНК виде, аминокислоты и поступают в белоксинтезирующие частицы.

Центральным моментом процесса биосинтеза белка является слияние этих двух внутриклеточных  потоков – потока информации и потока материала – в белоксинтезирующих частицах клетки. Эти частицы называются рибосомами. Рибосомы представляют собой ультрамикроскопические биохимические «машины» молекулярных размеров, где из поступающих аминокислотных остатков, согласно плану, заключенному в информационной РНК, собираются специфические белки. Хотя на данной схеме (рис. 19) изображена лишь одна частица, каждая клетка сдержит тысячи рибсом. Количество рибосом определяет общую интенсивность белкового синтеза в клетке. Диаметр одной рибосомной частицы около 20 нм. По своей химической природе рибосома – рибонуклеопротеид: она состоит из особой рибосомной РНК (это третий известный нам класс РНК в дополнение к информационным и адапторным РНК) и молекул структурного рибосомного белка. Вместе это сочетание нескольких десятков макромолекул образует идеально организованную и надежную «машину», обладающую свойством прочитывать информацию, заключенную в цепи мРНК, и реализовать ее в виде готовой белковой молекулы специфического строения. Поскольку существо процесса состоит в том, что линейная расстановка 20 сортов аминокислот в цепи белка однозначно детерминируется расположением четырех сортов нуклеотидов в цепи химически совсем иного полимера – нуклеиновой кислоты (мРНК), то этот процесс, происходящий в рибосоме, принято обозначать термином «трансляция», или «перевод» - перевод как бы с 4-буквенного алфавита цепей нуклеиновых кислот на 20-буквенный алфавит белковых (полипептидных) цепей. Как видно, в процессе трансляции участвуют все три известных класса РНК: информационная РНК, являющаяся объектом трансляции, рибосомная РНК, играющая роль организатора белоксинтезирующей рибонуклеопротеидной частицы – рибосомы, и адапторные РНК, осуществляющие функцию переводчика.

Процесс синтеза белка начинается при образовании соединений аминокислот с молекулами адапторных РНК, или тРНК. При этом сначала происходит энергетическая «активация» аминокислоты за счет ее ферментативной реакции с молекулой аденозинтрифосфата (АТФ), а затем «активированная» аминокислота соединяется с концом относительно недлинной цепочки тРНК, приращение химической энергии активированной аминокислоты запасается при этом в виде энергии химической связи между аминокислотой и тРНК.

Но одновременно с этим решается и вторая задача. Дело в том, что реакцию между аминокислотой и молекулой тРНК ведет фермент, обозначаемый как аминоацил-тРНК-синтетаза. Для каждого из 20 сортов аминокислот существуют свои особые ферменты, осуществляющие реакцию с участием только данной аминокислоты. Таким образом, существует не менее 20 ферментов (аминоацил-тРНК-синтетаза), каждый из которых специфичен для одного сорта аминокислоты. Каждый из этих ферментов может вести реакцию не с любой молекулой тРНК, а лишь с теми, которые несут строго определенное сочетание нуклеотидов в своей цепи. Таким образом, благодаря существованию набора столь специфических ферментов, различающих, с одной стороны, природу аминокислоты и, с другой – нуклеотидную последовательность тРНК, каждый из 20 сортов аминокислот оказывается «приписанным» только определенным тРНК с данным характерным нуклеотидным сочетанием.

Схематически некоторые моменты процесса биосинтеза белка, насколько мы их представляем на сегодняшний день, даны на рис. 19.

Здесь прежде всего видно, что молекула информационной РНК соединена с рибосомой или, как говорят, рибосома «запрограммирована» информационной РНК. В каждый данный момент непосредственно в самой рибосоме находятся лишь относительно короткий отрезок цепи мРНК. Но именно этот отрезок при участии рибосомы может взаимодействовать с молекулами адапторных РНК. И здесь снова главную роль играет уже дважды разбиравшийся выше принцип комплементарности.

В этом и состоит объяснение механизма того, почему данному триплету цепи мРНК соответствует строго определенная аминокислота. Видно, что необходимым промежуточным звеном, или адаптором, при «узнавании» каждой аминокислотой своего триплета на мРНК является адапторная РНК (тРНК).

Далее на схеме (см. рис. 19) видно, что в рибосоме помимо рассмотренной только что молекулы тРНК с навешенной аминокислотой находится еще одна молекула тРНК. Но, в отличие от рассмотренной выше молекулы тРНК, эта молекула тРНК своим концом присоединена к концу находящейся в процессе синтеза белковой (полипептидной) цепочки. Такое положение отражает динамику событий, происходящих в рибосоме в процессе синтеза белковой молекулы. Эту динамику можно представить себе следующим образом. Начнем с некоего промежуточного момента, отраженного на схеме и характеризующегося наличием уже начавшей строиться белковой цепочки, присоединенной к ней тРНК и только что вошедшей в рибосому и связавшейся с триплетом новой молекулы тРНК с соответствующей ей аминокислотой. По-видимому, сам акт присоединения молекулы тРНК к расположенному в данном месте рибосомы триплету мРНК приводит к такой взаимной ориентации и тесному контакту между аминокислотным остатком и строящейся цепью белка, что между ними возникает ковалентная связь. Связь возникает таким образом, что конец строящейся белковой цепи, на схеме присоединенный к тРНК, переносится от этой тРНК на аминокислотный остаток поступившей аминоацил-тРНК. В результате «правая» тРНК, сыграв роль «донора», окажется свободной, а белковая цепь – переброшенной на «акцептор» - «левую» (поступившую) аминоацил-тРНК, в итоге белковая цепь окажется удлиненной на одну аминокислоту и присоединенной к «левой» тРНК. Вслед за этим происходит переброска «левой» тРНК вместе со связанным с ней триплетом нуклеотидов мРНК «вправо», тогда прежняя «донорная» молекула тРНК окажется вытесненной отсюда и уйдет из рибосом, на ее месте появится новая тРНК со строящейся цепью белка, удлиненной на один аминокислотный остаток, а цепь мРНК будет продвинута относительно рибосомы на один триплет вправо. В результате продвижения цепи мРНК на один триплет вправо в рибосоме появится следующий вакантный триплет (УУУ), и к нему немедленно по комплементарному принципу присоединится соответствующая тРНК с аминокислотой (фенилаланил-тРНК). Это опять вызовет образование ковалентной (пептидной) связи между строящейся цепью белка и фенилаланиновым остатком и вслед за этим продвижение цепи мРНК на один триплет вправо со всеми вытекающими отсюда последствиями и т.д. Таким путем осуществляется последовательно, триплет за триплетом, протягивание цепи информационной РНК через рибосому, в результате чего цепь иРНК »прочитывается» рибосомой целиком, от начала до конца. Одновременно и сопряженно с этим происходит последовательное, аминокислота за аминокислотой, наращивание белковой цепочки. Соответственно в рибосому одна за другой поступают молекулы тРНК с аминокислотами и выходят молекулы тРНК без аминокислот. Оказываясь в растворе вне рибосомы, свободные молекулы тРНК снова соединяются с аминокислотами и опять несут их в рибосому, сами же, таким образом, циклично обращаясь без разрушения и изменения.

Клеточное  ЯДРО

1. Общая характеристика интерфазного ядра.  Функции ядра

2. Ядерная оболочка, строение и функциональное значение

3. Строение и функции хроматина и хромосом

4. Ядрышко.  Кариоплазма.  Ядерный белковый матрикс

1. Общая характеристика интерфазного ядра

Ядро - это важнейшая составная часть клетки, которая имеется практически во всех клетках многоклеточных организмов. Большинство клеток имеет одно ядро, но бывают двуядерные и многоядерные клетки (например, поперечно-полосатые мышечные волокна).  Двуядерность и многоядерность обусловлены функциональными особенностями или патологическим состоянием клеток.  Форма и размеры ядра очень изменчивы и зависят от вида организма, типа, возраста и функционального состояния клетки. В среднем объем ядра составляет приблизительно 10% от общего объема клетки.  Чаще всего ядро имеет округлую или овальную форму размером от 3 до 10 мкм в диаметре.  Минимальный размер ядра составляет 1 мкм (у некоторых простейших), максимальный - 1 мм (яйцеклетки некоторых рыб и земноводных).  В некоторых случаях наблюдается зависимость формы ядра от формы клетки.  Ядро обычно занимает центральное положение, но в дифференцированных клетках может быть смещено к периферийному участку клетки.  В ядре сосредоточена практически вся ДНК эукариотической клетки.

Основными функциями ядра являются:

1) Хранение и передача генетической информации;

2) Регуляция синтеза белка, обмена веществ и энергии в клетке.

Таким образом, ядро является не только вместилищем генетического материала, но и местом, где этот материал функционирует и воспроизводится. Поэтому нарушение любой из этих функций приведет к гибели клетки. Все это указывает на ведущее значение ядерных структур в процессах синтеза нуклеиновых кислот и белков.

Одним из первых ученых продемонстрировавших роль ядра в жизнедеятельности клетки был немецкий биолог Хаммерлинг. В качестве экспериментального объекта Хаммерлинг использовал крупные одноклеточные морские водоросли Acetobularia mediterranea и А. crenulata.  Эти близкородственные виды хорошо отличаются друг от друга по форме «шляпки».  В основании стебелька находится ядро. В одних экспериментах шляпку отделяли от нижней части стебелька.  В результате было установлено, что для нормального развития шляпки необходимо ядро. В других экспериментах стебелек с ядром одного вида водоросли соединялся со стебельком без ядра другого вида. У образовавшихся химер всегда развивалась шляпка, типичная для того вида, которому принадлежало ядро.

Общий план строения интерфазного ядра одинаков у всех клеток.  Ядро состоит из ядерной оболочки, хроматина, ядрышек, ядерного белкового матрикса и кариоплазмы (нуклеоплазмы).  Эти компоненты встречаются практически во всех неделящихся клетках эукариотических одно- и многоклеточных организмов.

2. Ядерная оболочка, строение и функциональное значение

Ядерная оболочка (кариолемма, кариотека) состоит из внешней и внутренней ядерных мембран толщиной по 7 нм.  Между ними располагается перинуклеарное пространство шириной от 20 до 40 нм.  Основными химическими компонентами ядерной оболочки являются липиды (13-35%) и белки (50-75%). В составе ядерных оболочек обнаруживаются также небольшие количества ДНК (0-8%) и РНК (3-9%).  Ядерные оболочки характеризуются относительно низким содержанием холестерина и высоким - фосфолипидов. Ядерная оболочка непосредственно связана с эндоплазматической сетью и содержимым ядра. С обеих сторон к ней прилегают сетеподобные структуры. Сетеподобная структура, выстилающая внутреннюю ядерную мембрану, имеет вид тонкой оболочки и называется ядерной ламиной.  Ядерная ламина поддерживает мембрану и контактирует с хромосомами и ядерными РНК. Сетеподобная структура, окружающая наружную ядерную мембрану, гораздо менее компактна. Внешняя ядерная мембрана усеяна рибосомами, участвующими в синтезе белка. В ядерной оболочке имеются многочисленные поры диаметром около 30-100 нм.  Количество ядерных пор зависит от типа клетки, стадии клеточного цикла и конкретной гормональной ситуации. Так чем интенсивнее синтетические процессы в клетке, тем больше пор имеется в ядерной оболочке. Ядерные поры довольно лабильные структуры, т.  е.  в зависимости от внешнего воздействия способны изменять свой радиус и проводимость. Отверстие поры заполнено сложноорганизованными глобулярными и фибриллярными структурами. Совокупность мембранных перфораций и этих структур называют ядерным поровым комплексом.  Сложный комплекс пор имеет октагональную симметрию. По границе округлого отверстия в ядерной оболочке располагаются три ряда гранул, по 8 штук в каждом: один ряд лежит средство построения концептуальных моделей стороны ядра, другой - средство построения концептуальных моделей стороны цитоплазмы, третий расположен в центральной части пор.  Размер гранул около 25 нм.  От гранул отходят фибриллярные отростки.  Такие фибриллы, отходящие от периферических гранул, могут сходиться в центре и создавать как бы перегородку, диафрагму, поперек поры.  В центре отверстия часто можно видеть так называемую центральную гранулу.

Ядерно-цитоплазматический транспорт

Процесс транслокации субстрата через ядерную пору (для случая импорта) состоит из нескольких стадий.  На первой стадии транспортирующийся комплекс заякоривается на обращенной в цитоплазму фибрилле.  Затем фибрилла сгибается и перемещает комплекс ко входу в канал ядерной поры.  Происходит собственно транслокация и освобождение комплекса в кариоплазму.  Известен и обратный процесс - перенос веществ из ядра в цитоплазму.  Это в первую очередь касается транспорта РНК синтезируемого исключительно в ядре. Также существует другой путь переноса веществ из ядра в цитоплазму.  Он связан с образованием выростов ядерной оболочки, которые могут отделяться от ядра в виде вакуолей, а затем содержимое их изливается или выбрасывается в цитоплазму.

Таким образом, обмен веществ между ядром и цитоплазмой осуществляется двумя основными путями: через поры и путем отшнуровывания.

Функции ядерной оболочки:

1. Барьерная.  Эта функция заключается в отделении содержимого ядра от цитоплазмы. В результате оказываются пространственно разобщенными процессы синтеза РНК/ДНК от синтеза белка.

2. Транспортная. Ядерная оболочка активно регулирует транспорт макромолекул между ядром и цитоплазмой.

3. Организующая. Одной из основных функций ядерной оболочки является ее участие в создании внутриядерного порядка.

3. Строение и функции хроматина и хромосом

Наследственный материал может находиться в ядре клетки в двух структурно-функциональных состояниях:

1. Хроматин. Это деконденсированное, метаболически активное состояние, предназначенное для обеспечения процессов транскрипции и редупликации в интерфазе.

2. Хромосомы. Это максимально конденсированное, компактное, метаболически неактивное состояние, предназначенное для распределения и транспортировки генетического материала в дочерние клетки.

Хроматин. В ядре клеток выявляются зоны плотного вещества, которые хорошо окрашиваются основными красителями. Эти структуры получили название "хроматин" (от греч. «хромо» – цвет, краска).  Хроматин интерфазных ядер представляет собой хромосомы, находящиеся в деконденсированном состоянии.  Степень деконденсации хромосом может быть различной.  Зоны полной деконденсации называются эухроматином.  При неполной деконденсации в интерфазном ядре видны участки конденсированного хроматина, называемого гетерохроматином. Степень деконденсации хроматина в интерфазе отражает функциональную нагрузку этой структуры. Чем "диффузнее" распределен хроматин в интерфазном ядре, тем интенсивнее в нем синтетические процессы. Уменьшение синтеза РНК в клетках обычно сопровождается увеличением зон конденсированного хроматина. Максимальная конденсация конденсированного хроматина достигается во время митотического деления клеток. В этот период хромосомы не выполняют никаких синтетических функций.

В химическом отношении хроматин состоит из ДНК (30-45%), гистонов (30-50%), негистонных белков (4-33%) и небольшого количества РНК.  ДНК эукариотических хромосом представляет собой линейные молекулы, состоящие из тандемно (друг за другом) расположенных репликонов разного размера.  Средний размер репликона около 30 мкм.  Репликоны - участки ДНК, которые синтезируются как независимые единицы. Репликоны имеют начальную и терминальную точки синтеза ДНК. РНК представляет собой все известные клеточные типы РНК, находящиеся в процессе синтеза или созревания. Гистоны синтезируются на полисомах в цитоплазме, причем этот синтез начинается несколько раньше редупликации ДНК. Синтезированные гистоны мигрируют из цитоплазмы в ядро, где и связываются с участками ДНК.

В структурном отношении хроматин представляет собой нитчатые комплексные молекулы дезоксирибонуклеопротеида (ДНП), которые состоят из ДНК, ассоциированной с гистонами. Хроматиновая нить представляет собой двойную спираль ДНК, окружающую гистоновый стержень. Она состоит из повторяющихся единиц – нуклеосом. Количество нуклеосом огромно.

Хромосомы (от.  греч.  хромо и сома) - это органоиды клеточного ядра, являющиеся носителями генов и определяющие наследственные свойства клеток и организмов.

Хромосомы представляют собой палочковидные структуры разной длины с довольно постоянной толщиной. У них имеется зона первичной перетяжки, которая делит хромосому на два плеча.  Хромосомы с равными называют метацентрическими, с плечами неодинаковой длины - субметацентрическими. Хромосомы с очень коротким, почти незаметным вторым плечом называются акроцентрическими.

В области первичной перетяжки находится центромера, представляющая собой пластинчатую структуру в виде диска. К центромере прикрепляются пучки микротрубочек митотического веретена, идущие в направлении к центриолям.  Эти пучки микротрубочек принимают участие в движении хромосом к полюсам клетки при митозе. Некоторые хромосомы имеют вторичную перетяжку. Последняя обычно расположена вблизи дистального конца хромосомы и отделяет маленький участок, спутник. Вторичные перетяжки называют ядрышковыми организаторами.  Здесь локализована ДНК, ответственная за синтез р-РНК.  Плечи хромосом оканчиваются теломерами, конечными участками. Теломерные концы хромосом не способны соединяться с другими хромосомами или их фрагментами. В отличие от них разорванные концы хромосом могут присоединяться к таким же разорванным концам других хромосом.

Размеры хромосом у разных организмов варьируют в широких пределах.  Так, длина хромосом может колебаться от 0,2 до 50 мкм.  Самые мелкие хромосомы обнаруживаются у некоторых простейших, грибов. Наиболее длинные - у некоторых прямокрылых насекомых, у амфибий и у лилейных. Длина хромосом человека находится в пределах 1,5-10 мкм.

Число хромосом у различных объектов также значительно колеблется, но характерно для каждого вида животных или растений. У некоторых радиолярий число хромосом достигает 1000-1600. Рекордсменом среди растений по числу хромосом (около 500) является папоротник ужовник, 308 хромосом у тутового дерева. Наименьшее количество хромосом (2 на диплоидный набор) наблюдается у малярийного плазмодия, лошадиной аскариды. У человека число хромосом составляет 46, у шимпанзе, таракана и перца – 48, плодовая мушка дрозофила – 8, домашняя муха – 12, сазана – 104, ели и сосны – 24, голубя  - 80.

Кариотип (от греч.  Карион - ядро, ядро ореха, операторы - образец, форма) - совокупность признаков хромосомного набора (число, размер, форма хромосом), характерные для того или иного вида.

Особи разного пола (особенно у животных) одного и того же вида могут различаться по числу хромосом (различие чаще всего на одну хромосому).  Даже у близких видов хромосомные наборы отличаются друг от друга или по числу хромосом, или по величине хотя бы одной или нескольких хромосом. Следовательно, структура кариотипа может быть таксономическим признаком.

Ещё посмотрите лекцию "5.3. Уравнение Бернулли для потока реальной жидкости" по этой теме.

Во второй половине 20 века в практику хромосомного анализа стали внедряться методы дифференциального окрашивания хромосом. Считается, что способность отдельных участков хромосом к окрашиванию связана с их химическими различиями.

4. Ядрышко.  Кариоплазма.  Ядерный белковый матрикс

Ядрышко (нуклеола) - обязательный компонент клеточного ядра эукариотных организмов.  Однако имеются некоторые исключения.  Так ядрышки отсутствуют в высокоспециализированных клетках, в частности в некоторых клетках крови.  Ядрышко представляет собой плотное тельце округлой формы величиной 1-5 мкм.  В отличие от цитоплазматических органоидов ядрышко не имеет мембраны, которая окружала бы его содержимое.  Размер ядрышка отражает степень его функциональной активности, которая широко варьирует в различных клетках.  Ядрышко  является производным хромосомы.  В состав ядрышка входят белок, РНК и ДНК.  Концентрация РНК в ядрышках всегда выше концентрации РНК в других компонентах клетки.  Так концентрация РНК в ядрышке может быть в 2-8 раз выше, чем в ядре, и в 1-3 раза выше, чем в цитоплазме.  Благодаря высокому содержанию РНК, ядрышки хорошо окрашиваются основными красителями.  ДНК в ядрышке образует большие петли, которые носят название «ядрышковые организаторы».  От них зависит образование и количество ядрышек в клетках.  Ядрышко неоднородно по своему строению.  В нем выявляются два основных компонента: гранулярный и фибриллярный.  Диаметр гранул около 15-20 нм, толщина фибрилл – 6-8 нм.  Фибриллярный компонент может быть сосредоточен в центральной части ядрышка, а гранулярный - по периферии.  Часто гранулярный компонент образует нитчатые структуры - нуклеолонемы толщиной около 0, 2 мкм.  Фибриллярный компонент ядрышек представляет собой рибонуклеопротеидные тяжи предшественников рибосом, а гранулы - созревающие субъединицы рибосом.  Функция ядрышка заключается в образовании рибосомных РНК (рРНК) и рибосом, на которых происходит синтез полипептидных цепей в цитоплазме.  Механизм образования рибосом следующий: на ДНК ядрышкового организатора образуется предшественник рРНК, который в зоне ядрышка одевается белком.  В зоне ядрышка происходит сборка субъединиц рибосом.  В активно функционирующих ядрышках синтезируется 1500-3000 рибосом в минуту.  Рибосомы из ядрышка через поры в ядерной оболочке поступают на мембраны эндоплазматической сети.  Количество и образование ядрышек связано с активностью ядрышковых организаторов.  Изменения числа ядрышек могут происходить за счет слияния ядрышек или при сдвигах в хромосомном балансе клетки.  Обычно в ядрах содержится несколько ядрышек.  В ядрах некоторых клеток (ооциты тритонов) содержится большое количество ядрышек.  Это явление получило название амплификации. Оно заключается в организации систем управления качеством, что происходит сверхрепликация зоны ядрышкового организатора, многочисленные копии отходят от хромосом и становятся дополнительно работающими ядрышками.  Такой процесс необходим для накопления огромного количества рибосом на яйцеклетку. Благодаря этому обеспечивается развитие эмбриона на ранних стадиях даже при отсутствии синтеза новых рибосом.  Сверхчисленные ядрышки после созревания яйцевой клетки исчезают.

Судьба ядрышка при делении клеток.  По мере затухания синтеза р-РНК в профазе происходит разрыхление ядрышка и выход готовых рибосом в кариоплазму, а затем и в цитоплазму.  При конденсации хромосом фибриллярный компонент ядрышка и часть гранул тесно ассоциируют с их поверхностью, образуя основу матрикса митотических хромосом. Этот фибриллярно-гранулярный материал переносится хромосомами в дочерние клетки.  В ранней телофазе по мере деконденсации хромосом происходит высвобождение компонентов матрикса.  Его фибриллярная часть начинает собираться в мелкие многочисленные ассоциаты - предъядрышки, которые могут объединяться друг с другом.  По мере возобновления синтеза РНК предъядрышки превращаются в нормально функционирующие ядрышки.

Кариоплазма (от греч.  < карион > – орех, ядро ореха), или ядерный сок, в виде бесструктурной полужидкой массы окружает хроматин и ядрышки.  Ядерный сок содержит белки и различные РНК.

Ядерный белковый матрикс (ядерный скелет) - каркасная внутриядерная система, которая служит для поддержания общей структуры интерфазного ядра объединения всех ядерных компонентов.  Представляет собой нерастворимый материал, остающийся в ядре после биохимических экстракций. Он не имеет четкой морфологической структуры и состоит на 98% из белков.