Материал: Kurs_Lektsiy_po_Biologii (1)

Смоленский государственный медицинский университет

Кафедра биологии

Курс лекций по биологии

Разработан заведующим кафедрой биологии СГМУ профессором Соловьёвым А.С.

Смоленск, 2021

Лекция 1

Ядро клетки. Структурно-функциональные уровни организации наследственного материала у прокариот и эукариот: генный, геномный, хромосомный. Характеристика ДНК. Молекулярное строение гена у про- и эукариот.

Ядро было открыто и описано в 1831 году английским ботаником Робертом Броуном. Оказалось, что ядро – это обязательная и существенная часть живой клетки всех эукариотических организмов. На протяжении жизненного цикла эукариотической клетки ядро подвергается сложным, но удивительно упорядоченным и постоянным изменениям. Жизненный цикл большинства клеток состоит из интерфазы (период между двумя делениями) и деления, в результате которого образуется две дочерние клетки. Наиболее стабильно ядро в интерфазу. Поэтому мы в начале познакомимся с общим строением ядра, организацией наследственного материала, которое характерно интерфазе – наиболее длительной фазе жизненного цикла клетки. Форма ядра иногда соответствует форме клетки, но может и отличаться. В шаровидных, кубических клетках ядро обычно имеет сферическую форму. В цилиндрических и веретенообразных оно имеет форму элипсоида. Размер ядра обычно прямо пропорционален объему цитоплазмы. Соотношение между объемом ядра и цитоплазмы принято называть ядерно-цитоплазматическим отношением. Большинство клеток имеют по одному ядру, однако существуют двуядерные и многоядерные клетки. В интерфазном ядре выделяют следующие компоненты: ядерную оболочку, ядерный матрикс, ядерный сок, ядрышко и хромосомы. Ядерная оболочка (кариолемма) состоит из двух мембран, между которыми находится околоядерное (перинуклеарное) пространство. Выросты наружной ядерной мембраны соединяются с каналами ЭПС, образуя единую систему сообщающихся каналов. К наружной мембране с внешней стороны прикрепляются рибосомы и полисомы. К внутренней мембране прилегают хромосомы. Ядерная оболочка: 1) отграничивает ядерное содержимое от цитоплазмы 2) обеспечивает двустороннее ядерно-цитоплазматическое взаимодействие; 3) обеспечивает обмен между ядром и цитоплазмой. Через ядерную оболочку осуществляется транспорт веществ из ядра в цитоплазму и в обратном порядке. Ядерные оболочки имеют поры (ядерные поры) через которые в ядро и в обратном направлении поступают крупные молекулы (белки, нуклеиновые кислоты) и субъединицы рибосом. Поры имеют сложную организацию, а транспорт веществ через поры – это довольно сложный процесс. Количество пор зависит от функционального состояния клетки. Если в ядре идут активно синтетические процессы, то количество пор возрастает. В ядерной оболочке типичной клетке млекопитающих содержится 3000-4000 пор. Ионы, низкомолекулярные соединения (сахара, аминокислоты, нуклеотиды), низкомолекулярные белки проникают через ядерную оболочку легко и это не связано с порами. Ядерный матрикс (ядерный скелет) – это сетчатая конструкция, образованная плотноупакованными нитями из нерастворимых белков. Ядерный скелет поддерживает форму ядра. Ядерный сок (кариоплазма, нуклеоплазма) – это однородная масса, заполняющая пространство между структурами ядра. Представляет собой коллоидный раствор белков, белков-ферментов, нуклеотидов, аминокислот, АТФ, ионов, различных видов РНК. Белки – это главный компонент ядерного сока. В ядре клетки может быть одно или несколько сфероидальных телец, получивших название – ядрышки. Основным химическим компонентом ядрышка являются белки. Формируются ядрышки в определенных участках хромосом, локализованных во вторичных перетяжках акроцентрических хромосом у человека (13, 14, 15, 21 и 22-я пары), где содержатся многочисленные копии генов рибосомных РНК. Эти участки называются ядрышковыми организаторами (ядрышко-образующие районы). Количество ядрышек на ядро величина не постоянная. Максимальное их количество не превышает число ядрышковых организаторов. В диплоидных соматических клетках человека количество ядрышковых организаторов 10, а ядрышко может быть одно. Это зависит от функционального состояния клетки. Функция ядрышек – синтез рибосом. Рибосомные РНК, необходимые для сборки рибосом, образуются в зоне ядрышек. Их синтез происходит на генах рибосомных РНК, расположенных в ядрышковых организаторах. Но в ядрышковых организаторах синтезируется только три вида рРНК: 18S рРНК, 5,8S рРНК, 28S рРНК, а гены четвертого вида 5S рРНК располагаются вне ядрышкового организатора. Белки, необходимые для сборки рибосом, поступают из цитоплазмы. После сборки рибосомы разделяются на большую и малую субъединицы и поступают в цитоплазму. Ядрышки – это машины по синтезу рибосом. Имеются данные, что в 1 минуту одно ядрышко синтезирует до 3 тысяч рибосом.

Важнейшим компонентом ядра являются хромосомы. В 80-х годах 19 столетия в ядрах эукариотических клеток были открыты нитевидные структуры, названные В. Вальдейером (1888 г.) хромосомы (от греч. сhroma – цвет, окраска, somo – тело). В дальнейшем было установлено, что главным химическим компонентом хромосом является ДНК. ДНК, как и РНК, это линейный полимер, состоящий из нуклеотидов. Каждый отдельный нуклеотид состоит из углевода, азотистого основания и остатка фосфорной кислоты (рис. 1).

Рис. 1. Мононуклеотид

ДНК отличается от РНК тем, что нуклеотид содержит дезоксирибозу вместо рибозы и азотистые основания представлены аденином (А), гуанином (Г), цитозином (Ц) и тимином (Т). В РНК вместо тимина – урацил (У). Нуклеотиды в полинуклеотидных цепях связаны между собой ковалентными фосфодиэфирными связями, соединяющими 5′-атом углерода одного остатка дезоксирибозы с 3′-атомом углерода следующего остатка. Полинуклеотидные цепи ДНК как и РНК полярны. Читать последовательность азотистых оснований в полинуклеотидной цепи принято от 5′ к 3′ атому углерода сахара. В этой связи первый нуклеотид будет стоять на 5′-конце, а последний на 3′-конце (рис. 2).

Рис. 2. Полярность полинуклеотидной цепи

Молекула ДНК состоит из двух, как правило, правозакрученных спаренных антипараллельных цепей с комплементарной последовательностью нуклеотидов. Таким образом, молекула ДНК представляет собой двойную спираль (биспираль). Полинуклеотидные цепи ДНК антипараллельны, одна цепь идет от 5′ к 3′, другая от 3′ к 5′, если читать с какого-то одного конца (рис. 3).

Рис. 3 Биспираль ДНК

Одна полинуклеотидная цепь биспирали ДНК присоединяется к другой комплементарно. При этом происходит спаривание соответствующих оснований: аденин-тимин, гуанин-цитозин (рис. 4). Между ними имеется химическое сродство и формируются водородные связи (А=Т, Г≡Ц).

Рис. 4. Принцип комплементарности при образовании молекулы ДНК

Такое строение ДНК оказывает существенное влияние на физико-химические свойства ДНК и позволяет объяснить её роль в хранении, передаче наследственной информации из поколения в поколение и использовании генетической программы в развитии и функционировании живых организмов.

В ДНК закодирована вся наследственная информация, молекула ДНК содержит информацию о структуре различных РНК и белков. Функциональной единицей наследственной информации является ген. Ген – это последовательность нуклеотидов ДНК, в которой содержится информация о последовательности аминокислот полипептидной цепи белка, либо нуклеотидной последовательности какого-либо вида РНК, прежде всего рРНК и тРНК. Суммарную ДНК гаплоидного набора хромосом клеток организма определяют как геном организма (нередко говорят геном клетки). Общая длина ДНК гаплоидного хромосомного набора человека в неделящейся клетке составляет около 1 метра. У прокариот геном заключён в единственной кольцевой молекуле ДНК. У эукариот геном сосредоточен в 2-х или большем числе хромосом.

Физический размер генома прокариот не превышает 8х10⁶ пар нуклеотидов (кишечная палочка – 4х10⁶ п.н.). У дрозофилы геном составляет 1,4х10⁸ п.н. Геном человека имеет размер приблизительно 3,3х10⁹ п.н. Таким образом, геном человека включает около трех миллиардов пар нуклеотидов. Из этого следует, что в ходе эволюции количество ДНК в геноме организмов существенно возросло (на два, три порядка), однако общее количество генов не возросло в такой степени. В геноме человека генов, кодирующих белки, примерно в 20 раз больше чем у бактерий (24-25 тысяч), а количество ДНК в геноме человека больше почти на три порядка. Такое непомерное увеличение количества ДНК по отношению к количеству генов в ходе эволюции эукариот определяют как избыточность ДНК. Пока это является одной из нераскрытых полностью загадок организации генома эукариот.

Итак, у высших организмов (как животных, так и растений) только небольшая часть всей ДНК действительно кодирует белки или важнейшие нетранслируемые РНК, такие как транспортные и рибосомные РНК. Эту ДНК принято называть кодирующей ДНК. Функции некодирующих участков ДНК изучены пока недостаточно. Возможно избыточная, некодирующая ДНК в процессе эволюции использовалась для создания новых структурных генов. Сейчас становится ясным, что многие некодирующие участки ДНК вовлечены в процессы транскрипции ДНК или участвуют в регуляции работы генов. В целом необходимо отметить, что геном эукариот устроен очень сложно и до сих пор неясно полностью - зачем он так сложно устроен.

В настоящее время в геноме эукариот (в частности в геноме человека) выделяют три основных компонента или три основных типа ДНК-последовательностей.

1. Уникальные или редко повторяющиеся последовательности нуклеотидов в ДНК (нередко их называют - уникальные гены). Эти последовательности занимают большую часть генома, они составляют 60-70% ядерной ДНК. Встречаются такие последовательности один или несколько раз в геноме. Эти последовательности включают кодирующие участки и внутригенные некодирующие области. Кодирующие участки получили название экзоны, некодирующие участки этих последовательностей названы интронами. Экзоны уникальных генов разделены некодирующими участками – интронами (рис. 5).

Рис. 5. Экзон-интронная структура гена

Экзоны – это кодирующие участки ДНК, которые будут транслироваться в аминокислотные последовательности белка. Количество экзонов в уникальных генах может быть различным. Встречаются гены, имеющие только один экзон. Максимальное число экзонов - 364, но в среднем в уникальных генах около 8 экзонов. В геноме эукариот на долю экзонов приходится 1,2-1,5% ДНК, на долю интронов около 24% ДНК. Однако лишь сумма последовательностей экзонов составляет последовательность гена, которая будет транслироваться в последовательность аминокислот в белке. Многие уникальные последовательности (уникальные гены) уже хорошо изучены. Они образуют основную массу структурных и регуляторных генов. Первым уникальным геном был открыт ген белка глобина, который входит в состав гемоглобина.

2. Умеренно повторяющиеся последовательности генома. Они составляют 10-15% ядерной ДНК. Такие последовательности повторяются сотни и тысячи раз в геноме. Эти последовательности включают гены рибосомных РНК и белков гистонов. Повторяющиеся единицы в этих последовательностях содержат определенный ген (или даже группу генов) и участки некодирующей ДНК, разделяющие гены - спейсеры. Так для белков гистонов в каждой повторяющейся единице 5 генов, которые соответствуют 5 видам гистонов:

3. Высокоповторяющиеся последовательности генома. Они составляет 25-28% ядерной ДНК. Эти последовательности повторяются сотни тысяч и даже миллионы раз в геноме, но каждая копия этих последовательностей относительно короткая (от нескольких пар до нескольких сотен пар нуклеотидов). Это некодирующие последовательности, которые включают ДНК структурного гетерохроматина (центромерные и теломерные районы хромосом).

В целом гены у эукариот занимают 30% всей ДНК, кодирующие области в геноме составляют порядка 3% всей ДНК. На долю кодирующих нуклеотидных последовательностей для белков в геноме приходится около 1,5% ДНК. Так организован ядерный геном эукариот (в том числе человека).

В отличие от эукариот у прокариот кодирующая область гена непрерывна (нет интронов). Ген в ДНК прокариот следует за геном и нет повторяющихся последовательностей. Гены у прокариот занимают 90% ДНК.

В клетках человека также присутствует митохондриальный геном, который представлен кольцевыми молекулами ДНК и составляет 16568 пар нуклеотидов. Митохондриальный геном содержит 13 генов, кодирующих полипептиды (белки), 22 гена для «собственных» транспортных РНК и 2 гена рибосомной РНК (23S и 16S). Особенностью митохондриальных генов является отсутствие в них интронов. В целом ДНК митохондрий составляет около 10% всей ДНК животной клетки.

Лекция 2

Структурная организация хромосом. Гетеро- и эухроматин. Характеристика и классификация хромосом человека.

В прокариотических клетках наследственный материал представлен только молекулой ДНК, чаще кольцевой. В эукариотических клетках ДНК в хромосоме существует в комплексе с другими химическими компонентами и в первую очередь с белками. Этот комплекс получил название хроматин. Большая часть хроматина представлена белками (до 65%), ДНК составляет около 35%. Кроме белков и ДНК в хроматин входит: РНК, липиды, углеводы, ионы металлов (Ca, Mg) и некоторые другие компоненты, но эти вещества находятся в хроматине в малом количестве.

Таким образом, хроматин – это сложная многокомпонентная система. Важную роль в хроматине играют белки. Среди белков хроматина выделяют негистоновые белки и белки гистоны, которые составляют до 80% всех белков хроматина. Гистоны небольшие белки с очень высоким содержанием положительно заряженных аминокислот (лизина и аргинина). Суммарный положительный заряд позволяет гистонам прочно связываться с ДНК. Выделяют 5 типов гистонов: H1; H2A; H2B; H3; H4. Особенностью генов этих белков является отсутствие в их последовательностях интронов. Белки гистоны не только выполняют структурную функцию в хроматине, но и участвуют в механизмах функционирования наследственного материала. Негистоновые белки выполняют структурную, регуляторную и ферментативную функцию в хроматине.

Таким образом, хроматин следует рассматривать как вещество хромосом. Отдельные хромосомы представляют собой хроматин с одной молекулой ДНК и определенной структурной организацией.

Структурная организация эукариотической хромосомы достаточно сложная. Эта сложность связана с тем, что длина молекулы ДНК в составе хромосомы во много раз превышает размер самой хромосомы. В среднем одна метафазная хромосома человека размером 5 мкм содержит молекулу ДНК длинной 5 см., то есть ДНК превышает размер хромосомы примерно в 10 тысяч раз. Чтобы молекула ДНК могла уместиться в хромосоме она должна компактно укладываться в ней, поэтому при формировании хромосомы имеет место компактизация ДНК в ней. Выделяют пять уровней упаковки (компактизации) ДНК в хромосоме или пять уровней структурной организации хромосом.

Первый уровень – это формирование нуклеосом. Формирование нуклеосом можно представить путём накручивания спирально молекул ДНК на белковый остов, состоящий из 8 молекул гистонов четырёх типов: H2A; H2B; H3; H4 (гистоновый октамер, белковый кор). При этом молекула ДНК делает около двух витков вокруг белкового остова и переходит на другой остов. Так формируется повторяющаяся структурная единица хромосомы – нуклеосома (рис. 6).

Рис. 6. Нуклеосома

Участки ДНК, расположенные между нуклеосомами, называют линкерной (связывающей) ДНК. Расположенные рядом друг с другом нуклеосомы образуют довольно толстую нить, которая напоминает «бусины на нитке». При этом происходит 7-кратное укорочение длины молекулы ДНК. Нуклеосома рассматривается как универсальная структурная единица хроматина (хромосомы).

На втором уровне компактизации ДНК нуклеосомная нить закручивается в спираль с образованием соленоидо-подобной структуры (фибриллы). Стабильность этого уровня организации хромосомы обеспечивается гистоном H1, который «сшивает» витки ДНК соленоида. Диаметр хроматиновой фибриллы составляет 30 нм. При этом длина нити ДНК сокращается в 50 раз от исходной (рис. 7).

Рис. 7. Соленоид

Третий уровень компактизации ДНК – это формирование хроматиновых петель (рис. 8). Хроматиновые соленоидо-подобные фибриллы укладываются в виде петель, диаметр фибриллы увеличивается до 300 нм. Степень компактизации при этом составляет 10³, первоначальная длина молекулы ДНК сокращается в 1000 раз. Таким образом, в результате спирализации ДНК и взаимодействия с белками образуется три уровня структурной организации хромосом. Все эти три уровня компактизации ДНК в хромосомах имеют место в интерфазу митотического цикла.