Строение ядра. Строение нуклеиновых кислот. Организация ядерного генома. Строение хромосом. Понятие кариотипа.
Ядро Цитоплазма Цитоплазматическая мембрана (Плазмолемма)
Ядро клетки было открыто в 1831 г. английским ботаником Робертом Брауном. Он открыл его в клетках кожицы орхидных
После утверждения в 20-х годах ХХ в. хромосомной теории наследственности биологи более сорока лет считали, что в нуклеопротеидной структуре хромосом генетическим материалом служат молекулы белка. И лишь исследования 50-60-х гг. прошлого столетия доказали, что на самом деле хранение и передачу наследственной информации осуществляют нуклеиновые кислоты. В 1869 г. швейцарский биохимик Иоганн Фридрих Мишер выделил из ядер клеток вещество, которое состояло из кислого и щелочного компонентов белковой природы. Он назвал это вещество нуклеином. Иоганн Фридрих Мишер (1844-1895) В 1889 г. немецкий гистолог Рихард Альтман обозначил кислый компонент нуклеина термином «нуклеиновая кислота». В конце XIX в. немецкий биохимик Альбрехт Коссель расшифровал химический состав нуклеиновой кислоты, показав, что она содержит фосфорную кислоту, углевод и азотистые основания Альбрехт Коссель (1853-1927)
Это природные высокомолекулярные органические биополимеры, обеспечивающие хранение и передачу наследственной информации. Ф. Левен, Д. Гулланд с сотрудниками (в цикле исследований, проведённых 1900-1932 гг.) установили, что фосфорная кислота, углевод и азотистое основание соединены в блоки в виде мономеров – нуклеотидов, расположенных вдоль линейной молекулы нуклеиновой кислоты. Нуклеиновая кислота, выделенная из ядер клеток, в качестве углевода содержит D- дезоксирибозу. Поэтому она получила название дезоксирибонуклеиновой кислоты – ДНК. Наряду с ядерной была выделена цитоплазматическая нуклеиновая кислота, содержащая в качестве углевода D- рибоз у; она получила название рибонуклеиновой кислоты – РНК.
Углевод Азотистое основание Остаток фосфорной кислоты
рибоза Две группы: дезоксирибоза Только водород Гидроксильная группа
Пиримидиновые: тимин цитозин урацил Пуриновые: аденин гуанин
3' конец 5 ' конец
двухцепочечный высокомолекулярный биополимер. Является носителем генетической информации. Мономер - дезоксирибонуклеотид РНК Одноцепочечный высокомолекулярный биополимер, мономером которого является рибонуклеотид. Виды РНК: Информационная или матричная ( иРНК ) Транспортная ( тРНК ) Рибосомальная ( рРНК )
Признаки РНК ДНК Местонахождение в клетке Ядро, рибосомы, цитоплазма, митохондрии, хлоропласты Ядро, митохондрии, хлоропласты Строение макромолекулы Одинарная полинуклеотидная цепочка Двойная спирально закрученная полинуклеотидная цепь Мономеры Рибонуклеотиды Дезоксирибонуклеотиды Состав нуклеотида Азотистое основание (пуриновое - аденин, гуанин, пиримидиновое - урацил, цитозин ); рибоза (углевод) и остаток фосфорной кислоты Азотистое основание (аденин, гуанин, тимин, цитозин); дезоксирибоза (углевод); остаток фосфорной кислоты Типы нуклеотидов Адениловый (А) Гуаниловый (Г) Уридиловый (У) Цитидиловый (Ц) Адениловый (А) Гуаниловый (Г) Тимидиловый (Т) Цитидиловый (Ц) Свойства Не способна к самоудвоению Способна к самоудвоению по принципу комплементарности : А - Т, Т - А, Г - Ц, Ц - Г. Способна к репарации (самоликвидации поврежденных участков) Функции и-РНК переписывает и передает информацию о первичной структуре белковой молекулы; р-РНК - входит в состав рибосом; т-РНК - переносит аминокислоты к рибосомам. Химическая основа хромосомного генетического материала (гена); хранит и передает информацию о синтезе белка
Описана в 1953 James Watson и Francis Crick Вторичная структура ДНК
Цепи ДНК соединены посредством водородных связей между комплементаными азотистыми основаниями A = T G ≡ C Комплементарность Антипараллельность
Трансформация - изменение наследственных свойств клетки в результате проникновения в нее чужеродной ДНК. Это явление было открыто в 1928г. Ф. Гриффитсом при изучении бактерий. Опыты по исследованию молекулярных механизмов трансформации проведены О.Т. Эйвери, К.М. Маклеода и М. Маккарти в 1944 году Пневмококки штамм S : Вирулентный, образующий полисахаридную капсулу, колонии блестящие Пневмококки штамм R : Авирулентный, без капсулы, колонии матовые
Вывод : под действием трансформирующего фактора живые авирулентные пневмококки приобрели вирулентные свойства штамма S 2. В 1944г Эвери доказал, что этим фактором является ДНК.
Трансдукция (от лат. transduction - перемещение) – процесс переноса фрагмента бактериальной ДНК из клетки – донора в клетку – реципиента бактериофагом, что приводит к изменению наследственных свойств клеток-реципиентов. Явление трансдукции было открыто американскими учёными Д. Ледербергом и Н. Циндером в 1952 году. Известно два пути развития фага в бактериальной клетке: литический – после попадания в бактерию ДНК-фага сразу начинается репликация, синтез белков и сборка готовых фаговых частиц, после чего происходит лизис клетки. Такие фаги называются вирулентными ; лизогенный – попавшая в бактериальную клетку ДНК - фага встраивается в ее хромосому и существует в ней как плазмида, реплицируясь вместе с ДНК клетки-хозяина при каждом делении бактерии. Такие бактериофаги называются умеренными (а явление – лизогения). Схема репликации такого профага подавлена репрессорами, которые сам фаг и синтезирует. При определенных условиях (снижение концентрации репрессора) профаг становится активным и переходит к литическому пути развития.
Первый из экспериментов был выполнен в 1952 году американскими генетиками Джошуа Ледербергом и Нортоном Циндлером. Нобелевская премия «за фундаментальные исследования организации генетического материала у бактерий». Джошуа Ледерберг (1925 г.р ) американский генетик и биохимик http://www.labogen.ru/20_student/020_mol_base_hered/mol_base_hered.html В своём эксперименте они использовали два разных штамма бактерий Salmonella typhimurium, вызывающих тифоидную лихорадку у мышей.
Для эксперимента была использована U-образная трубка, которая в нижней части посредине была разделена бактериальным фильтром, через который бактериальные клетки не могли проникать сквозь из одной части трубки в другую. Трубку заполнили питательной средой. В одну половину этой трубки были помещены бактерии штамма 2А (способный синтезировать триптофан), а в другую половину трубки – бактерии другого штамма – 22А (не способный синтезировать триптофан). После определенного периода инкубации бактерии штамма 22А при посеве на минимальную питательную среду дали небольшое количество колоний, способных синтезировать триптофан (трансдуцированные бактерии).
Функции ДНК : хранение, передача, реализация репликация репарация
Вся масса ДНК Ядро (98-99%) Ядерный геном Цитоплазма (1-2%) Плазмон Линейная ДНК, связанная с белками Митохондриальная ДНК ( mtDNA ) Пластидная ДНК Кольцевая ДНК
Хранение генетической информации. Передача генетической информации. Реализация генетической информации.
Опыты Геммерлинга Объект опыта: одноклеточная водоросль ( Acetabularia ), имеющая форму гриба (шляпка, стебелек, корни). Ядро располагается в основании «стебелька». Если перерезать ножку, то нижняя часть продолжает жить, регенерирует шляпку и полностью восстанавливается после операции. Верхняя же часть, лишенная ядра, живет в течение некоторого времени, но, в конце концов, погибает, не будучи в состоянии восстановить нижнюю часть. Следовательно, ядро необходимо для метаболических процессов, лежащих в основе регенерации и соответственно роста.
Опыты с яйцеклетками лягушек Объект: два подвида лягушек. У одного из них (1 подвид) из яйцеклетки удаляли собственное ядро и на его место вносили ядро 2 подвида. В результате из такой яйцеклетки развивались лягушки с признаками 2 подвида. Таким образом, за хранение и передачу наследственной информации в клетке отвечает ядро.
Опыты Астаурова с тутовым шелкопрядом Астауров Борис Львович Объект: два подвида тутового шелкопряда. У одного подвида берут сперматозоиды, у другого яйцеклетку. После разрушения ядра яйцеклетки, ее оплодотворяют сперматозоидами. Т.к. у шелкопряда имеет место полиспермия (несколько сперматозоидов могут оплодотворять яйцеклетку) в цитоплазме одного подвида формируется ядро с генетическим набором второго подвида. Из такой яйцеклетки развиваются только самцы того подвида, у которых брали сперматозоиды.
ядерной оболочки ( кариолемы ), ядерного сока (или кариоплазмы), ядрышка и хроматина. Строение ядра
Наружная ядерная мембрана Внутренняя ядерная мембрана Перинуклеарное пространство ( 10 - 30 нм ) Наружная мембрана связана с ЭПС. Внутренняя контактирует с хроматином через ядерную ламину
Внутренняя мембрана связана с ядерной ламиной, которая состоит из трех типов белков A, B, and C. Именно с ней контактируют нити хроматина nuclear lamina
возникновение ядрышек связано с ядрышковыми организаторами, расположенными в области вторичных перетяжек спутничных хромосом (13, 14, 15, 21 и 22 пары). Где локализованы гены, кодирующие синтез рибосомальных РНК.
хроматин метафаза интерфаза Хроматин - это одно из возможных структурно-функциональных состояний наследственного материала Хромосома
40% - ДНК, 60% - белков : - 40% гистоновых белков (Н1, Н2а, Н2в, Н3, Н4) - 20% - негистоновых белков.
Уровни укладки ДНК в хромосому Нуклеосомный Хроматиновые фибриллы (соленоид) 30 nm ( нуклеомерный ) Хроматиновые филаменты ( Хроматиновые петли-домены) ( хромомерный ) Суперспирализованные филаменты ( минибенд ) ( хромонемный ) Хромосомный (Метафазная хромасома) 1 2 3 4 5
H1 Нуклеосома - наименьшая единица хроматина и хромосомы Нуклеосомный кор Линкерный участлк H2A, H2B, H3, and H4 Гистоновый октамер Нуклеосомный уровень Двуцепочечная ДНК накручивается вокруг гистоновых белков.
Нуклесомный уровень дает формирование « цепочки из бусинок ». Далее 6 нуклеосом сближаются и соединяются посредством гистонового белка Н1 Второй уровень – Хроматиновая фибрилла 30 nm соленоидный хроматин Хроматиновая конформация из «бусинок» и «супер бусинок» дают структуру эухроматина Дальнейшая упаковка хроматина дает формирование гетерохроматина
Гетерохроматин – спирализованный, конденсированный, неактиывный, нетранскрибируемый, более интенсивно окрашен. Эухроматин – деспирализованный, активный, транскрибируемый, менее окрашенный. Конститутивный Теломеры Центромеры Факультативный - Тельце Барра Хроматин Функции гетерохроматина Регуляция активности генов Сохранение структуры генов
Хроматиновые филаменты ( Хроматиновые петли-домены) Фибриллы формируют петли-домены, которые фиксируются негистоновым белком ( scaffold ). Петли формируются в интерфазе деления. DNA contracts to 300 nm
Минибенд содержит около 18 петель ДНК укорачивается в 10. 000 раз. Минибенды при дальнейшей компактизации дают формирование полухроматид, затем хроматид. Две хроматиды соединяясь формируют метафазную хромосому Суперспирализованные филаменты ( минибенд ) и хромосомный (метафазные хромосомы) Supercoiled filament (Minibend)
1 ДНК = 1 хромосома.
Метацентрические Субметацентрические Акроцентрические Спутничные Телоцентрические
Хромосомы подразделяются на аутосомы (одинаковые у обоих полов). и гетеросомы, или половые хромосомы (разные для мужских и женских особей). Различают : гомологичные хромосомы. Хромосомы одной пары, одинаковы по размерам, форме, составу и порядку расположения генов, но различны по происхождению (одна унаследована от отцовского, другая — от материнского организма). негомологичные - хромосомы из разных пар.
Совокупность числа и морфологии хромосом данного вида называется - КАРИОТИП
Денверская классификация Парижская классификация Классификация хромосом
11-я хромосома человека HBB — β- субъединица гемоглобина 16-я хромосома человека 2-я хромосома человека
Число хромосом Женский организм Мужской организм Соматическая клетка Диплоидный набор, 2n, Всего 46 хромосом: 44 – аутосомы 2 - половые хромосомы 44А ХХ 44А ХУ Половые клетки Гаплоидный набор, n, Всего 23 хромосомs : 22 – аутосомы 1 - половая хромосома Один тип яйцеклеток два типа сперматозоидов
ГЕНОМ Совокупность генов и межгенных участков одной клетки называется геномом. Петля-домен 1 ген Кластер генов (разные) Тандем генов (одинаковые) В нашем организме 100 триллионов (10 14 ) клеток. Которые формируют около 200 разных тканей Все они имеют единый геном - совокупность наследственного материала клетки В геноме около 3 млрд пар нуклеотидов. 30.000 – 40.000 генов (ранее считалось 100.000), а белков в1,5-2 раза больше Транскрибируется только 3 – 5 % всех генов, остальные – это «молчащие» гены.
Структура домена: 1 домен – может содержать 1 ген, 1 домен – может содержать тандем генов - многократные повторы одинаковых генов, 1 домен - может содержать кластер генов - разные гены, которые обеспечивают выполнение одной и той же функцию. Гены одной петли «включаются» в работу одновременно.
Цель международной программы «Геном человека» – секвенировать геном. Т.е. определить нуклеотидную последовательность всех генов. Структуру и функции генома изучает, специальная наука – геномика.
Значение и возможности диагностика и лечение наследственных заболеваний по результатам секвенирования генов; идентификация генов и выявление предрасположенности к заболеваниям; предотвращение отрицательных последствий людей на лекарства (геномная фармакогенетика); геномная дактилоскопия и этногенетика, установление родственных связей.
Характеристика генома. 1. Видоспецифичность. Особенности у каждого вида организмов. 2. Дискретность. Прерывистость. Промотор, структурные гены, терминатор. 3. Избыточность. Достигается за счет наличия интронов умеренно-повторяющихся генов многократно-повторяющихся генов (тандемов) диплоидности ДНК Избыточность генома может формироваться за счет амплификации (материал для эволюции, для образования более сложных генов путем перекомпановки ) 4. Мобильные элементы – это короткие нуклеотидные последовательности, которые активно перемещаются внутри генома. Транспозоны – перенос информации внутри одного генома, вертикальный, из поколения в поколение при участии фермента транспозазы. Ретротранспозоны обеспечивают передачу по горизонтали. Это онкогены, ретровирусы, фаги, эписомы, которые активно перемещаются и переносят участки ДНК от разных видов, от эукариот к прокариотам. Способны к самовоспроизведению, используя механизмы обратной транскрипции.
Спасибо за внимание
