47d64f4a4ceb3994d9c9ece8e08a3be4 (3)

План:
Значение ядра в жизни клетки
Структурные компоненты ядра
Строение ядерной оболочки
Химический состав и структура хроматина. Понятие о эу- и гетерохроматине
Этапы упаковки хроматина при образовании хромосом
Строение хромосом. Типы метафазных хромосом. Правила хромосом.
Понятие о кариотипе. Международные классификации хромосом человека.
Цитоплазматическая наследственность

Основные структурные компоненты эукариотических клеток.

Р. Браун
Клетки пленки чешуи лука
Клетки слизистой эпителия щеки
Ядро – один из основных структурных компонентов клетки. Открыто в 1831 г. английским ботаником Робертом Брауном. Он открыл его в клетках кожицы орхидных

Функции ядра
Хранение генетической информации (обеспечивается репарацией ДНК)
Передача ген. информации (репликация ДНК и ее распределение при делении клетки)
Реализация ген. информации (транскрипция РНК, образование рибосом)

Каков механизм выполнения этих функций?
Хранение генетической информации – заключается в поддержании в неизменном состоянии структуры ДНК. Это достигается за счет процессов репарации, репликации и рекомбинации (кроссинговер).
Передача генетической информации – реализуется в ходе митоза и мейоза.
Реализация генетической информации – осуществляется через синтез белков в ходе транскрипции и трансляции.
Таким образом, ядро представляет собой не только вместилище генетического материала, но и место, где активно этот материал функционирует и воспроизводится. Поэтому выпадение или нарушение любой из перечисленных функций будет гибельно для клетки в целом, а также может быть отрицательным для организма.

Доказательства роли ядра в передаче наследственной 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

Строение ядерной оболочки
Состоит из двух мембран – наружной и внутренней, между которыми имеется перинуклеарное пространство.
Наружная ядерная мембрана переходит в ЭПС и может быть покрыта рибосомами.
К внутренней мембране прилегает пластинка из промежуточных филаментов – ядерная ламина.
К ней прикрепляются нити хроматина
В ядерной оболочке имеются поры.
Ядерный сок (кариоплазма)– гелеобразный коллоидный раствор.

Ядерная ламина
Внутренняя мембрана связана с ядерной ламиной, которая состоит из трех типов белков A, B, и C. Именно с ней контактируют нити пристеночного хроматина.
Ядерная ламина

Ядерная пора
Наиболее характерной структурой ядерной оболочки является ядерная пора. Поры в оболочке образуют­ся за счет слияния двух ядерных мембран и имеют вид округлых сквозных отверстий, или перфораций, с диаметром около 100 нм.
Число ядерных пор зависит от метаболиче­ской активности клеток: чем выше синтетические процессы в клетках, тем больше пор.
Рис. Общая схема строения ядерных пор (Окштейн, 2003)
1 – ядерный поровый комплекс; 2 – центральная глобула; 3 – ядерная ламина; 4 – глобулярные белки ядерной поры; 5 – внутренняя ядерная мембрана; 6 – внешняя ядерная мембрана.

Строение ядерной поры
Электронограмма ядерной поры
Поровый комплекс образован 3 рядами (слоями) глобулярных белков, в каждом ряду их 8, в центре большая центральная глобула.
Таким образом, образуется воронка, в которой ряды соединяются между собой фибриллярными нитями. За счет этих нитей, при их сокращении, происходит увеличение или уменьшение поры. Глобулы белков – это ферменты и поэтому это ферментативная воронка, которая пропускает не все вещества. Функция ядерной поры: барьерная, регуляторная, транспортная, фиксирующая (для хроматина). В то же время ядерные поры осуществляют избирательный транс­порт.

Ядерный сок
Ядерный сок (кариоплазма) - внутренняя среда ядра, представляющая собой коллоидное (гелеобразное) вязкое вещество, в котором находятся структуры ядра, а также ферменты и нуклеотиды, необходимые для репликации, транскрипции. рН среды ядра – кислая.
Функция ядерного сока: осуществление взаимосвязи ядерных структур и обмен с цитоплазмой клетки.

Ядрышко
Впервые ядрышки были обнаружены Фонтанэ в 1774 г.
Ядрышки – это мелкие, обычно шаровидные тельца, являющиеся непостоянными компонентами ядра - они исчезают в начале деления клетки (профаза) и восстанавливаются после его окончания (телофаза).
Ядрышко

Строение ядрышка
Еще в 1930-х годах рядом исследователей (Мак Клинток, Хейтц, С.Г. Навашин) было показано, что возникновение ядрышек связано с ядрышковыми организато­рами, расположенными в области вторичных перетяжек спутничных хромосом (13, 14, 15, 21 и 22 пары).
Там локализованы гены, кодирующие синтез рибосомальных РНК.
Вторичная перетяжка
ядрышко

Химический состав ядрышка
Основным компонентом ядрышка является белок: на его долю приходится до 70—80% от сухой массы. Такое большое содержание белка и определяет высокую плотность ядрышек. Кроме белка в составе ядрышка обнаружены нуклеиновые кислоты: РНК (5—14%) и ДНК (2-12%). В структуре ядрышка выделяют гранулярный и фибриллярный компоненты.
Функция: синтез р-РНК, из которых на 80% состоят рибосомы.
Число ядрышек может быть различным – 1-5 ядрышек на гаплоидный набор и до 10 на диплоидный набор, причем их количество не строго постоянно даже у одного и того же типа кле­ток. При новообразова­нии ядрышек они могут сливаться друг с другом в одну общую струк­туру, т.е. в пространстве интерфазного ядра отдельные ядрышковые организаторы разных хромосом могут объединяться. Так, в тканях че­ловека могут встречаться клетки с одним ядрышком. Это значит, что они слились.

хроматин
метафаза
интерфаза
Хроматин - это одно из возможных структурно-функциональных состояний наследственного материала
Хромосома

Химический состав хроматина (хромосом)
40% - ДНК,
60% - белков:
40% гистоновые белки (Н1, Н2а, Н2в, Н3, Н4)
20% - негистоновые белки
Следы РНК
Компактизация, спирализация или укладка ДНК в хромосому происходит в результате апаковки
Структурно-функциональной единицей хромосом на молекулярном уровне является нуклеосома.

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

Гистон H1
Нуклеосома - наименьшая единица хроматина и хромосомы
Нуклеосомный кор
Линкерный участок
Гистоновый октамер (H2A, H2B, H3, H4)
Первичный уровень - Нуклеосомный
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 – Нуклеомерный
Хроматиновая конформация из «бусинок» и «супер бусинок» дают структуру эухроматина
Дальнейшая упаковка хроматина дает формирование гетерохроматина
Хроматиновая фибрилла 30 nm
соленоидный хроматин

Хроматиновые филаменты
(Хроматиновые петли-домены)
Фибриллы формируют петли-домены, которые фиксируются негистоновым белком (scaffold).
Петли формируются в интерфазе деления.
DNA contracts to 300 nm
Третичный уровень – Хромомерный

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)
Четвертый и пятый уровень – Хромонемный и Хроматидный (хромосомный)

Гетерохроматин –
спирализованный,
конденсированный,
неактиывный,
нетранскрибируемый, более
интенсивно окрашен.
Эухроматин –
деспирализованный,
активный,
транскрибируемый,
менее окрашенный.
Конститутивный
Теломеры
Центромеры
Факультативный
- Тельце Барра
Классификация хроматина
Функции гетерохроматина
Регуляция активности генов
Сохранение структуры генов

Классификация хроматина
По расположению в ядре:
Пристеночный
Диффузный
Рис. Схема строения клеточного ядра (из учебника Ченцова, 2004)
1 – ядерная оболочка (две мембраны – внутренняя и внешняя, и перинуклеарное пространство); 2 - ядерная пора; 3 – эухроматин; 4 – диффузный гетерохроматин; 5 – проистеночный гетерохроматин; 6 – ядрышко (гранулярный и фибриллярный компоненты, в центральных светлых зонах находится ДНК, кодирующая рРНК); 7 – кариоплазма, ядерный сок

Строение метафазной хромосомы
Термин хромосома был предложен в 1888 г. немецким морфологом В. Вальдейером, который применил его для обозначения внутриядерных структур эукариотической клетки, хорошо окрашивающихся основными красителями (от греч. хрома – цвет, краска, сома – тело).

Строение метафазной хромосомы
1 ДНК = 1 хромосома.
Центромера делит хромосому на два плеча. Короткое плечо обозначается буквой – p, длинное – q. Концы хромосомы защищены теломерными участками. Благодаря теломерам, хромосомы не склеиваются между собой.

Морфологические типы хромосом.
1 – Метацентрические, 2 - Субметацентрические, 3 - Акроцентрические , 4 – Спутничные, 5 - Телоцентрические
1
2
3
4
5
Хромосомы с равными плечами называют равноплечими или метацентрическими; с плечами неодинаковой длины – неравноплечими – субметацентрическими; с одним коротким и вторым почти незаметным – палочковидными или акроцентрическими. В случае полного отсутствия одного плеча хромосомы называются телоцентрическими.
Некоторые хромосомы имеют вторичную перетяжку, отделяющую спутник, и называются спутничными. Вторичные перетяжки называют ядрышковыми организаторами. В них в интерфазе происходит образование ядрышка.

Прямые и косвенные доказательства
роли хромосом в передаче наследственной информации:
Прямыми доказательствами роли ядра являются болезни, связанные с нарушением числа и структуры хромосом
Пример: с. Дауна (47, 21+), с Патау (47, 13+), с. Шерешевского-Тернера (45, ХО)
Косвенные (правила хромосом)
Правило постоянства числа хромосом. Число хромосом и особенности их строения – видовой признак.
Правило парности хромосом. Число хромосом в соматических клетках всегда четное, это связано с тем, что хромосомы составляют пары.
Правило индивидуальности хромосом. Каждая пара хромосом характеризуется своими особенностями. Хромосомы, относящиеся к одной паре, одинаковые по величине, форме и расположению центромер называются гомологичными. Негомологичные хромосомы всегда имеют ряд отличий.
Правило непрерывности хромосом. Хромосомы способны к авторепродукции.

Кариотип — совокупность признаков (число, размеры, форма и т. д.) полного набора хромосом, присущая клеткам данного биологического вида (видовой кариотип), данного организма (индивидуальный кариотип) или линии (клона) клеток.
Термин был предложен в 1924 году русским цитологом Г.А. Левитским.

Кариотип организмов.
Рис. Кариотипы организмов различных видов ( из учебника Чебышева, 2005):
1 – скерды, 2 – дрозофилы, 3 – человека

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.

Кариотипирование – цитогенетический метод изучения хромосом
Для проведения данного исследования берут клетки, обладающие высокой митотической активностью: клетки костного мозга, ткань семенников, кусочки кожи, костный мозг, клетки хориона, клетки амниотической жидкости и др., но чаще всего используют лимфоциты периферической крови. Лимфоциты – это зрелые специализированные клетки. Для того, чтобы увидеть хромосомы в этих клетках, надо стимулировать их клеточное деление.

Классификация хромосом
Хромосомы делят на группы (A,B,C,D,E,F,G), учитывая размеры и положение центромеры,
В основе лежат методы специальной дифференциальной окраски, выявляется характерный порядок чередования поперечных светлых и темных сегментов

Диагностические возможности метода кариотипирования:
выявление изменений числа (Денверская классификация) и структуры (Парижская) хромосом;
определение кариотипа;
определение заболеваний, вызванных геномными и хромосомными мутациями;
определение пола.

Нехромосомная наследственность
Наследственный материал клетки заключен не только в ядре, но также присутствует в цитоплазме.
У прокариот в виде небольших кольцевых фрагментов ДНК – плазмид.
Плазмиды – это внехромосомные генетические элементы, способные существовать и размножаться в клетке автономно от геномной ДНК. Они представляют собой колцевые молекулы ДНК закрученные в суперспираль.
В эукариотических клетках внехромосомная ДНК представлена генетическим аппаратом органелл – митохондрий и пластид (митохондриальная и пластидная наследственность).
Внехромосомная ДНК составляет лишь небольшую часть наследственного материала эукариотической клетки. Например, мтДНК человека содержит 16569 п.н. и на её долю приходится 1-5% всей клеточной ДНК.
Совокупность генов, расположенных в цитоплазматических молекулах ДНК, называют плазмоном. Он определяет особый тип наследования признаков – цитоплазматическое наследование.

Вся масса ДНК
Ядро (98-99%)
Ядерный геном
Цитоплазма (1-2%)
Плазмон
Линейная ДНК, связанная с белками
Митохондриальная ДНК
Пластидная ДНК
Плазмиды – небольшие кольцевые ДНК в цитоплазме прокариот
Кольцевая ДНК

Группы плазмид
- F-плазмиды – отвечают за половой процесс
- R-плазмиды – обеспечивают устойчивость бактерий к антибиотикам
- Tox-плазмиды – факторы патогенности энтеробактерий (вызывают заболевание)
- Co-плазмиды – вызывают гибель бактерий близких видов (борьба за существование)
- плазмиды биодеградации – утилизация продуктов метаболизма.