Структура ядра эукариотической клетки. Функции ядра. Репликация ДНК. Лекция 3

План лекции
Структура ядра эукариотической клетки
Функции ядра
Репликация ДНК

Ядро
1.Ядерная оболочка
2. Нуклеоплазма
3. Хроматин
4.Ядрышки
5.Ядерный матрикс

Большинство клеток содержат одно ядро, но существуют многоядерные (зрелые клетки мышц) и безъядерные клетки (например, зрелые эритроциты, тромбоциты, клетки хрусталика глаза).
Форма и вид ядра клетки являются факторами позволяющими отличать разные типы клеток между собой.

Ядро защищает ДНК и участвует в сложных процессах регуляции.
Размеры ядра зависят от количества содержащегося в нем ДНК.

Функции ядра
Хранение генетической информации (репликация, репарация)
Реализация генетической информации (транскрипция, трансляция)

Ядро
1 – ядерная оболочка
2- ядерная пора
3 – конденсированный хроматин
4 – диффузный хроматин
5 – ядрышко
6 – хроматиновые гранулы (РНП)
8 – перихроматиновые фибриллы
9 – кариоплазма (ядерный сок).

Ядерная оболочка
Ядерная оболочка представляет собой двойную мембрану, окружающую ядро.
Между ядерными мембранами – перинуклеарное пространство.
В ядерной оболочке находятся поры (мелкие, крупные, открытые, закрытые).
Через поры транспорт веществ из ядерного матрикса в цитоплазматический матрикс.

Ядерная оболочка выполняет сложную барьерно-рецепторную, а также транспортную и каркасную функцию.
Число ядерных пор зависит от метаболической активности клеток: чем выше синтетические процессы в клетках, тем больше пор на единицу поверхности клеточного ядра.

Хроматин - сложный нуклеопротеидный комплекс, из которого и состоят эукариотические хромосомы.
В состав ядер эукариот входят несколько
физически не связанных хромосом, каждая из которых содержит одну линейную гигантскую молекулу ДНК.
Главными компонентами хроматина являются ДНК и белки, среди которых основную массу составляют гистоны и негистоновые белки.

В среднем в хроматине около 40% приходится на ДНК и около 60 % на белки, среди которых специфические ядерные белки-гистоны.
В неделящихся (интерфазных) ядрах хроматин может равномерно заполнять объем ядра, находясь в деконденсированном состоянии. Этот диффузный хроматин (эухроматин) генетически активен.
Существуют постоянные участки конденсированного хроматина (гетерохроматина)

Нуклеиновые кислоты
Высокополимерные макромолекулярные соединения.
Основная структурная единица нуклеиновых кислот – нуклеотид.

ДНК –полимер, состоящий из мономеров
мономер - нуклеотид

НУКЛЕОТИД
Каждый нуклеотид
состоит из трех
химически различных
частей, соединенных
ковалентными связями.
Пятиуглеродное
сахарное кольцо, пуриновое
или пиримидиновое азотистое
основание, фосфатная группа.

Дезоксирибонуклеотиды –строительные блоки ДНК

Аденин и гуанин – пурины
Цитозин, тимин – пиримидины.
Плоские азотсодержащие гетероциклические молекулы обладающие основными свойствами.

Азотистые основания

Сахар +азотистое основание = нуклеозид
Нуклеотиды соединены в полинуклеотидную
цепь остов которой состоит из
перемежающихся остатков сахара и фосфата.
Через фосфатную группу, атом в 5!-положении
одного пентозного кольца соединен с атомом в
3!-положении следующего пентозного кольца.

ДНК
Имеет структуры:
первичную
вторичную
третичную

С химической точки зрения ДНК – это полинуклеотидная цепь, состоящая из дезоксирибонуклеотидов

Первичная структура ДНК
заключается в том, что ДНК состоит из
нуклеотидных цепей, у которых скелетную основу
составляют чередующиеся сахарные и
фосфатные группы, объединенные
ковалентными 3'-, 5'-фосфодиэфирными
скелетны­ми связями, а боковые группы
представлены тем или иным основанием (одним
из четырех) и присоединяются одна к другой
молекулой сахара.

Для состава ДНК характерны закономерности известные как правила А. Чаргаффа
Сумма нуклеотидов, содержащих пуриновые азотистые основания, равна сумме нуклеотидов, содержащих пиримидиновые азотистые основания.
Содержание аденина равно содержанию тимина, а гуанина — цитозину:

Вторичная структура ДНК
Молекула ДНК построена из двух скрученных направо спиралевидных полинуклеотидных цепей, причем каждый виток спирали соответствует 10 азотистым основаниям или расстоянию в 3,4 нм

Обе цепи объединены в результате закручивания одной цепи вокруг другой по общей оси. Цепи антипаралелльны. 3'—> 5' для одной цепи и 5'—> 3' для другой.
3. Сахарофосфатные группы располагаются на внешней стороне двойной спирали, тогда как основания находятся внутри спирали под прямым углом и вдоль ее оси

Таким образом, ДНК представляет собой
скрученную в правостороннем направлении
двойную спираль, в которой пары азотистых
оснований А—Т и Г—Ц в комплементарных
полинуклеотидных цепях подобны
перекладинам в лестнице, а сахарофосфатные
цепи являются каркасом этой лестницы.

А)
Б)
В)
Г)

Комплементарность азотистых оснований

Формы двойной спирали ДНК

ДНК ЭУКАРИОТ СОДЕРЖИТ
Часто повторяющиеся последовательности нуклеотидов (сателлитная ДНК)
Умеренно повторяющиеся последовательности, кодируют РНК, гистоны и т.д.
Уникальные последовательности несущие информацию о белках

Нуклеоплазма включает кариоплазму – сложный коллоидный раствор (в воде растворены белки, углеводы и т.д.).
В кариоплазме протекают многие процессы, связанные как с ядерным метаболизмом, так и с внутриядерным транспортом белков и РНК.

Хроматин
ДНК + белки = ДНП (дезоксирибонуклеопротеид)
46 линейных молекул ДНК
Белки хроматина – гистоны и негистоновые белки
Эухроматин – активно транскрибируемый в интерфазе.
Гетерохроматин – конденсированный (неактивный) хроматин

Репликация ДНК
Сложный многоступенчатый
процесс, происходящий при
участии большого количества
ферментов.
Происходит в S-период
интерфазы.

Упаковка ДНК в ядре
Для выполнения основных функций ДНК в ядре должна иметь четкую пространственную организацию.

Ведущая роль в упорядочивании организации принадлежит ядерным белкам.
БЕЛКИ
ГИСТОНЫ
НЕГИСТОНОВЫЕ БЕЛКИ

Гистоны – белки характерные только для хроматина.
Это основные или щелочные белки.
Гистоны выполняют регуляторную и структурную роль.

Первый уровень компактизации ДНК - нуклеосомный

Непосредственно с октамером контактирует 145 п.н. и 20-30-40 п.н. между нуклеосомными корами.
Нуклеосомный уровень упаковки свойственен всей эукариотической ДНК, он дает укорочение в 7 раз. Диаметр увеличивается с 20 Å до 110 Å.

А) Две нуклеосомы соединенные линкерной ДНК.
Б) Модель укладки нуклеосом в компактную структуру хроматина.

Второй уровень компактизациии –
30 нм фибрилла

Cоленоидный уровень упаковки
обеспечивается Н1 гистоном.
Этот уровень компактизации, как и первый, не зависит от первичной структуры ДНК.
Н1 взаимодействует с октамерами, сближает их, и еще на него наматывется ДНК.
Происходит сокращение линейного размера ДНК в 6-10 раз. Диаметр увеличивается до 300Å.

Все остальные уровни компактизации связаны с негистоновыми белками.

Третий уровень
структурной организации хроматина -
петлевые домены ДНК

Петельно-доменный уровень компактизации хроматина
Обеспечивается негистоновыми белками.
Они узнают определенные последовательности ДНК и связываются с ними и друг другом, образуя петли по 20-80 тыс. п.н.

Схема различных уровней компактизации хроматина.

Упорядоченная организация хромосомы в трехмерном пространстве ядра необходима:
Для разделения хромосом в митозе.
2. Для упорядочения процессов репликации и транскрипции.

Четвертый уровень упаковки хроматина – хромонемный

Метафазная хромосома
Метафазная хромосома. ДНК уже
удвоена.
Хромосома состоит из двух хроматид.
Каждая из них содержит одну молекулу
ДНК.

Ядрышки
обязательный компонент ядра, обнаруживаются в интерфазных ядрах и представляют собой мелкие тельца, шаровидной формы
Синтез рРНК +белки =РНП рибонуклеопротеид рибосомы

Функции ядра
Хранение генетической информации (репликация, репарация)
Реализация генетической информации (транскрипция, трансляция)

Репликация ДНК
Сложный многоступенчатый процесс, происходящий при участии большого количества ферментов.
Происходит в S-период интерфазы.

Репликативная вилка – это точка в которой разделяются цепи материнской ДНК.
В отдельно взятый момент в ДНК расплетен только маленький участок.

Репликационная вилка