Строение клетки

В метафазе деления клетки хромосомы имеют наименьшую длину и их легко исследовать, поэтому описание индивидуальных хромосом, как и всего их набора в клетке, дают применительно к их состоянию в этой фазе. Размеры метафазных хромосом у одного и того же вида организмов сильно различаются: хромосомы размерами в доли микрона имеют точечный вид, при длине более 1 мкм они выглядят как палочковидные тела. Обычно это раздвоенные по длине образования, состоящие из двух сестринских хроматид, поскольку в метафазе хромосомы редуплицированы.

Индивидуальные хромосомы набора различаются между собой по длине и другим морфологическим признакам. Методы, применявшиеся до 70-х гг., обеспечивали равномерное окрашивание хромосомы по ее длине. Тем не менее такая хромосома в качестве обязательного элемента структуры имеет первичную перетяжку — участок, где обе хроматиды сужаются, видимо не отделяясь одна от другой, и плохо окрашиваются. Этот район хромосомы называется центромерой, он содержит специализированную структуру — кинетохор, который участвует в формировании нитей веретена деления хромосом. По соотношению размеров лежащих по обе стороны от первичной перетяжки хромосомных плеч хромосомы подразделяются на три типа: метацентрические (со срединно расположенной перетяжкой), субметацентрические (перетяжка смещена от середины), акроцентрические (центромера расположена близко к концу хромосомы). У человека имеются все три типа хромосом. Концы хромосом называют теломерами. По длине хромосом с той или иной степенью постоянства могут встречаться не имеющие отношения к центромере, так называемые вторичные перетяжки. Если они располагаются близко к теломере, отделяемый перетяжкой дистальный участок хромосомы называют спутником, а перетяжку — спутничной. У человека десять со вторичной перетяжкой хромосом, все они являются акроцентрическими, спутники локализованы в коротком плече. Некоторые вторичные перетяжки содержат рибосомные гены и называются ядрышкообразующими, поскольку благодаря их функционированию в продукции РНК в интерфазном ядре формируется ядрышко. Другие вторичные перетяжки образуются гетерохроматиновыми районами хромосом; у человека из таких перетяжек наиболее выражены околоцентромерные перетяжки в 1, 9 и 16-й хромосомах.

Первоначальный метод использования красителя Гимзы и других хромосомных красителей давал равномерную окраску по всей длине хромосомы. С начала 70-х гг. разработан ряд методов окраски и обработки метафазных хромосом, которые позволили обнаружить дифференцированность (деление на светлые итемные полосы) линейной структуры каждой хромосомы по всей еедлине: Q-окраска (Q — от англ.quinacrine акрихин), получаемая спомощью акрихина, акрихин-иприта и других флюорохромов;G-окраска (G — от фамилии Giemsa), получаемая с помощью красителя Гимзы после инкубации препаратов хромосом в специальных условиях; R-окраска (R — от англ. reverse обратный; хромосомы окрашиваются обратно G-окраске). Тело хромосомы оказывается подразделенным на сегменты разной интенсивности окрашивания или флюоресценции. Число, положение и размер таких сегментов специфичны для каждой хромосомы, поэтому любой хромосомный набор может быть идентифицирован. Другие методы позволяют дифференциально окрашивать отдельные специфические районы хромосом. Возможно избирательное окрашивание красителем Гимзы гетерохроматиновых районов хромосомы (С-окраска; С — от centromere центромера), располагающихся рядом с центромерой — С-сегментов (рис. 4). У человека С-сегменты обнаружены в околоцентромерном районе всех аутосом и длинном плече Y-хромосомы. Гетерохроматиновые районы варьируют по величине у разных индивидуумов, обусловливая полиморфизм хромосом. Специфические окраски позволяют выявить в метафазных хромосомах функционировавшие в интерфазе ядрышкообразующие районы, а также кинетохоры.

На электронно-микроскопическом уровне основной ультраструктурной единицей интерфазного хроматина при просвечивающей электронной микроскопии является нить диаметром 20—30 нм. Плотность упаковки нитей различна в участках плотного и диффузного хроматина.

Метафазная хромосома на срезе в просвечивающем электронном микроскопе представляется равномерно заполненной фибриллами 20—30 нм в поперечнике, которые в зависимости от плоскости сечения имеют вид округлых, овальных или удлиненных образований. В профазе и телофазе в хромосоме можно обнаружить более толстые нити (до 300 нм). При электронной микроскопии поверхность метафазной хромосомы представлена хаотично уложенными многочисленными фибриллами разного диаметра, видимыми, как правило, на коротком отрезке. Преобладают нити диаметром 30—60 нм. Изменчивость хромосом в онтогенезе и эволюции. Постоянство числа хромосом в хромосомном наборе и структуры каждой хромосомы — непременное условие нормального развития в онтогенезе и сохранения биологического вида. В течение жизни организма могут происходить изменения числа отдельных хромосом и даже их гаплоидных наборов (геномные мутации) или структуры хромосом (хромосомные мутации). Необычные варианты хромосом, обусловливающие уникальность хромосомного набора индивидуума, применяются в качестве генетических маркеров (маркерных хромосом). Геномные и хромосомные мутации играют важную роль в эволюции биологических видов. Данные, полученные при изучении хромосом, вносят большой вклад в систематику видов (кариосистематику). У животных одним из главных механизмов эволюционной изменчивости является изменение числа и структуры отдельных хромосом. Важное значение имеет также изменение содержания гетерохрома-тина в отдельных или нескольких хромосомах. Сравнительное изучение хромосом человека и современных человекообразных обезьян позволило на основании сходства и различия индивидуальных хромосом установить степень филогенетического родства этих видов и смоделировать кариотип их общего ближайшего предка.                                                                                                   

                                Строение ДНК и РНК

               ДНК

Открытие ее структуры является значительным событием, что привело к возникновению новой отрасли биохимии – молекулярной биологии. В больших количествах ДНК образуется и содержится в ядрах клеток, причем количество молекул и их размеры зависят от вида организма. Например, в ядре клеток млекопитающих этих молекул много и они распределены по 46 хромосомам. Локализация ДНК в хромосомах была впервые установлена Фельгеном в 1924 году с помощью реакции Шиффа. Получены экспериментальные доказательства наличия  ДНК в митохондриях (около 1-2% от суммарной ДНК клеток). Установлено, что эта ДНК кодирует  синтез некоторых структурных белков митохондрий и особых митохондриальных РНК. В других местах ДНК может быть при вирусной инфекции, в яйцеклетках некоторых животных, в базальных тельцах (кинетопластах жгутиковых). Чем сложнее организм, тем большую массу имеет ДНК его клеток. Количество ДНК в клетке зависит от функции и обычно составляет 1-10%. Больше всего ДНК в половых клетках (60%), меньше (0,2%) в миоцитах. В хромосомах высших организмов ДНК связаны с простыми белками – гистонами, альбуминами и другими, образуя дезоксирибонуклеопротеид (ДНП). Такая большая молекула обычно нестойка и, чтобы сохранить ее целостность и неизменность, в процессе эволюции создана репарирующая система, состоящая из ферментов – нуклеаз и лигаз, которые являются ответственными за «дежурный ремонт» молекулы, сшивая ее фрагменты в единое целое.

ДНК – это полимер, полинуклеотид, состоящий из большого количества мононуклеотидов. Молекулярная масса 2х104 – 1х1011 Da. Мононуклеотиды ДНК содержат следующие азотистые основания -  из производных пурина – аденин (А), гуанин (Г), из производных пиримидинов — цитозин (Ц) и тимин (Т). Помимо этих азотистых оснований, в составе ДНК животных и человека открыто минорное пиримидиновое основание — 5-метилцитозин. Азотистые основания связаны с дезоксирибозой и фосфорной кислотой.

Структура ДНК установлена в 1953 году Уотсоном и Криком с помощью математических расчетов, модельных экспериментов и данных рентгеноструктурного анализа. За открытие структуры ДНК Уотсон и Крик в 1962 году были удостоены Нобелевской премии. Согласно модели Уотсона и Крика, остатки дезоксирибоз и фосфатов расположены по хребту 2-х спиралеобразнозакрученных полинуклеотидных цепей, а плоскостные структуры пуриновых и пиримидиновых оснований расположены перпендикулярно оси цепи, образуя как бы ступени спиральной лестницы, причем А всегда соединен с Т двумя водородными связями, а Г с Ц тремя такими же связями. Это явление получило название правила (принципа) комплиментарности и избирательности.

Различают 4 уровня структурной организации ДНК:

Первичная структура – это спирально изогнутая полинуклеотидная цепь с определенным качественным и количественным набором мононуклеотидов, которые связаны фосфодиэфирной связью. Участки ДНК, содержащие генетическую информацию, называются структурными генами.

Вторичная структура – это двухспиральная молекула, полинуклеотидные цепи которой антипараллельны и связаны водородными связями между комплементарными основаниями обоих цепей – показать на табл. или пленке. Один виток спирали равен 3,4 нм и содержит 10 нуклеотидных остатков. Вторичную структуру кроме водородных связей между комплементарными основаниями цепей, поддерживают также силы взаимодействия между основаниями одной цепи. Эти силы включают притягивающие и отталкивающие компоненты. Притягивающие включают взаимодействие между диполями, образованными кратковременными колебаниями электронов соседних атомов. Оттягивающие имеют место когда 2 атома подходят так близко, что их электронные орбитали перекрываются. Силы обусловлены взаимодействием электронов соседних атомов. Вторичную структуру также стабилизирует электростатическое взаимодействие между отрицательно заряженной нитью ДНК и положительно заряженными молекулами гистонов.

Третичная структура ДНК – это намотка ее цепей на гистоны, т.е. суперспирализация. Различают 5 видов гистонов: Н1, Н2А, Н2В, Н3, Н4. Гистоны Н2А и Н2В богаты лизином, а гистоны Н3 и Н4 богаты аргинином. 4 пары молекул этих белков (2Н2А, 2Н2В, 2Н3, 2Н4) образуют шаровидные утолщения — октамеры, на которые наматывается участок ДНК (140 пар оснований образуют 2 витка суперспирали. Образуется нуклеосома, это неактивная часть молекулы ДНК. Между нуклеосомами располагаются участки ДНК, неспирализованные, но они связаны с гистоном Н1. Это активная, т.е работающая часть ДНК. В  процентном соотношении больше неактивной части (97%), а активной части ДНК всего 3%. В сборке нуклеосомы участвует особый ядерный белок – нуклеоплазмин. Это кислый (анионный) пентамерный белок, не связывающийся ни с ДНК, ни с хроматином, но способный обратимо соединяться с гистоновым октамером, блокируя способность гистонов к неспецифическому взаимодействию с ДНК. После завершения сборки нуклеосом нуклеоплазмин высвобождается из гистонового комплекса. С гистонами возможны 3 типа химических реакций – ацетилирование, фосфорилирование и АДФ-рибозилирование. При этом гистоны становятся модифицированными. Ацетилирование гистонов Н3 и Н4 связано с активацией или инактивацией транскрипции гена; ацетилирование Н2А, Н2В, Н3 и Н4 гистонов связано со сборкой хромосом в ходе репликации ДНК; фосфорилирование гистонов Н1 связано с конденсацией хромосом в ходе репликативного цикла; АДФ-рибозилирование гистонов связано с репарацией ДНК.

Четвертичная структура – это укладка нуклеосом в хроматин, так что молекула ДНК длиной в несколько см складывается до 5 нм. Хроматин в химическом плане состоит на 2/3 из простых белков (гистонов – 55%, и негистоновых белков – альбуминов, глобулинов и ферментов – 45%) и 1/3 из ДНК. Хроматин содержит также 10% РНК. Ферменты хроматина участвуют в репликации (например, ДНК-топоизомеразы) и транскрипции (РНК-полимеразы). В фазе покоя хроматин равномерно распределен по всему объему ядра и не обнаруживается обычными микроскопическими методами. В фазе деления клетки хроматин образует компактные частицы – хромосомы, которые видны в обычный микроскоп. Хроматин, содержащий активные гены, называется эухроматином (транскрипционно-активным). ДНК в активном хроматине содержит длинные участки (около 100000 пар оснований), чувствительные к действию нуклеаз. Эти участки называются гиперчувствительными сайтами, или энхансерными элементами. Такие сайты обеспечивают доступность кодирующей цепи для белков, участвующих в процессе транскрипции. Транскрипционно-неактивный хроматин (гетерохроматин) плотно упакован. Существуют 2 типа гетерохроматина: конститутивный и факультативный. Конститутивный гетерохроматин всегда конденсирован и, следовательно, неактивен. Конститутивный гетерохроматин найден в областях, близких к цетромерам и к концевым участкам (теломерам) хромосом. Факультативный гетерохроматин временами конденсирован, а временами разуплотнен, активно транскрибируется, т.е. сходен с эухроматином.

В метафазе хромосомы состоят из 2-х сестринских хроматид, соединенных в центромере. Центромер является регионом, богатым А-Т. он связывает белков. образуемый комплекс называется кинетахор – это якорь для митотического веретена. Каждая сестринская хроматида содержит одну двухцепочечную молекулу ДНК. В интерфазе упаковка молекулы менее плотная, чем в метафазе. Метафазные хромосомы транскрипционно-неактивны.

Теломеры и теломераза

Теломеры представляют собой концы хромосом, которые у человека состоят из повторяющихся последовательностей 6 рядом стоящих мононуклеотидов ТТАГГГ. Эти последовательности складываются в форме ромашки. Теломеры не несут генетической информации, но они обеспечивают функциональную стабильность хромосом: защищают хромосомы от расщепления и предотвращают от слияния. При делении клетки длина теломер уменьшается и к старости теломер почти не остается.

В ряде клеток существует фермент, восстанавливающий длину теломер. Данный фермент называется теломераза, за его открытие Томас Чех получил в 1989 году Нобелевскую премию. Это РНП, состоит из РНК (роль шаблона) и 2-х ПП, формирующих АЦ. Фермент функционирует как обратная транскриптаза – РНКàДНКàбелок. В соматических клетках теломераза отсутствует. Активность этого фермента высока в зародышевых клетках, клетках опухолей. Чем выше активность теломеразы в опухолевых клетках, тем хуже прогноз и злокачественнее опухоль. Разрабатываются лекарственные препараты, ингибирующие теломеразу. Эти препараты в перспективе можно использовать при лечении теломеразо-позитивных опухолей. Благодаря высокой активности теломеразы клетки опухоли быстро и вечно делятся. В связи с ролью теломеразы ученые пытаются решить и проблему старости и вечной жизни – найти препараты, активирующие теломеразу. Но при этом имеется опасность развития рака различной локализации.

Роль ДНК: 1) хранение и передача наследственной информации; 2) биосинтез ферментов, белков и гормонов.

РНК.

РНК – это полинуклеотиды, но состоят только из одной цепи, их мол.масса меньше, чем у ДНК. Кроме этого, они отличаются следующим: 1) количество РНК в клетке зависит от возраста, физиологического состояния, органной принадлежности клетки; 2) в мононуклеотидах РНК содержатся рибоза, вместо тимина урацил; 3) для РНК не характерны правила Чаргаффа; 4) в РНК больше минорных оснований, чем в ДНК, при этом в т-РНК количество минорных оснований приближается к 50.  Все РНК синтезируются на ДНК, этот процесс называется транскрипцией. В зависимости от локализации в клетке, функции различают 4 вида РНК:  м-РНК (матричная, или информационная), транспортная – т-РНК, рибосомальная – р-РНК, малая ядерная РНК (мя-РНК). Каждый вид РНК имеет определенные представители: р-РНК включает 3 представителя (28S, 18S, 5.8S); м-РНК имеет больше всех представителей — 105; т-РНК представлена примерно 50 представителями; мя-РНК имеет около 10 представителей.                                                                                                                                                          

м-РНК                                                                                                                         Открыта в 1961 году Жакобом и Мано. Она составляет всего 5% от общего количества РНК клетки. Эта РНК не имеет жесткой специфической структуры и ее полинуклеотидная цепь образует изогнутые петли. В нерабочем состоянии м-РНК собрана в складки, свернута в клубок, связана с белком; а во время функционирования цепь расправляется. Матричные РНК синтезируются на ДНК в ядре. Процесс называется транскрипция (списывание). Роль м-РНК – она несет информацию об аминокислотной последовательности (т.е. первичной структуры) синтезируемого белка. Место каждой аминокислоты в молекуле белка закодировано определенной последовательностью нуклеотидов в цепи м-РНК, т.е. в м-РНК имеются «кодовые слова» для каждой аминокислоты – триплеты, или кодоны, или генетические коды. Свойства генетического кода: 1) триплетность. Из 4-х возможных мононуклеотидов м-РНК (УМФ, ГМФ, АМФ, ЦМФ) можно построить по правилам перестановки 64 кодона. 61 кодон шифрует 20 аминокислот, а 3 кодона (УАА, УАГ, УГА) не кодируют ни одной аминокислоты. Они играют роль терминирующих (или «стоп-кодонов»), т.к. на них останавливается синтез п/п цепи. Полный кодовый словарь представлен на таблице; 2) неперекрещиваемость – списывание информации идет только в одном направлении; 3) непрерывность – код является линейным, однонаправленным; 4) универсальность, т.е. одна и та же аминокислота у всех живых организмов кодируется одинаковыми кодами у всех живых существ; 5) вырожденность. Первые две буквы кодона определяют его специфичность, третья менее специфична. Известно 20 аминокислот, а кодонов 61, следовательно, большинство аминокислот кодируется несколькими кодонами. М-РНК принимает непосредственное участие в биосинтезе белка. Основной постулат молекулярной биологии, показывающий направление переноса генетической информации. Этот процесс идет с участием фермента ревертазы. С его помощью можно синтезировать участок ДНК по м-РНК и перенести этот синтезированный ген в другие объекты, что используется генной инженерией.