Хромосомы, морфология и молекулярная структура

Ядерная ДНК является кодовой формой записи наследственной информации. Линейный генетический код, словами-символами в котором служат тройки (триплеты) нуклеотидов - кодонов, образованные только из четырех букв (А, Г, Т, Ц - это азотистые основания в составе нуклеиновой кислоты, соответственно - аденин, гуанин, цитозин, тимин) позволяет хранить огромное количество информации в ограниченном объеме. Каждая молекула ДНК упакована в надмолекулярную структуру, которая получила название хромосома. Основу хромосомы составляет одна непрерывная двухцепочечная молекула ДНК. На стадии метафазы деления клеток плотноупакованные хромосомы хорошо различимы в световом микроскопе. Каждая хромосома состоит из двух продольных копий­ – сестринских хроматид. В клетках тела двуполых животных и растений каждая хромосома представлена двумя гомологичными хромосомами, происходящими одна от матери, другая от отца. Число хромосом сильно варьирует: от двух до нескольких сотен составляют кариотип у разных видов. Все хромосомы имеют специфические участки: первичную перетяжку – центромеру (участок, где митотическое веретено соединяется с хромосомой), два плеча хромосомы и два концевых теломерных участка или теломеры.

Хейфлик и Мурхед провели эксперименты по культивации фибробластов человеческих эмбрионов. Эти исследователи помещали в питательную среду отдельные клетки. В культуре начиналось деление фибробластов, и когда клеточный слой достигал определённого размера, его делили пополам, диссоциировали клетки и переносили в новый сосуд. Подобные пассажи продолжались до тех пор, пока деление клеток не прекращалось, что происходило в среднем через 50 делений. Клеточное деление прекращалось, а клетки спустя определённое время погибали. Критическое число делений соматических клеток получило название «лимита Хейфлика», который для соматических клеток различных видов позвоночных животных оказался различным и коррелировал с продолжительностью их жизни.

Оловников А. М. в 1971 году выдвинул гипотезу маргинотомии для объяснения феномена лимита Хейфлика. Согласно этой гипотезы лимит Хейфлика объясняется тем, что у эукариот при каждом клеточном делении хромосомы немного укорачиваются. У хромосом имеются особые концевые участки— теломеры, которые после каждого удвоения хромосом становятся немного короче, и в какой-то момент укорачиваются настолько, что клетка уже не может делиться и со временем постепенно теряет жизнеспособность. Концы ДНК— буферная зона, и после каждого деления они укорачиваются. Второе предсказание—природа должна была изобрести компенсаторный механизм в виде особой ДНК-полимеразы, чтобы сохранять концы хромосом в половых клетках. Этот механизм должен так же работать в бессмертных раковых клетках. Позже выяснилось, что этот компенсаторный механизм есть и в стволовых клетках. Эта компенсаторная ДНК-полимераза получила в литературе наименование теломеразы.

Оловников предполагал, что «нестарение» бактерий обусловлено кольцевой формой ДНК, а теломерные последовательности в стволовых и раковых клетках защищены благодаря постоянному их удлинению при каждом делении клетки ферментом теломеразой. В 1998 году вывод о теломерном механизме ограничения числа делений клетки был экспериментально подтверждён. Лимит Хейфлика преодолевается активацией теломеразы.

Совокупность генов характерных для гаплоидного набора хромосом данного вида организма называется геном. Геном любой клетки многоклеточного организма содержит полную генетическую информацию и любая клетка может быть использована для клонирования этого организма. Геном простейших прокариотических организмов, например, бактерии E.coli содержит 1 молекулу ДНК, составленную из 4, 7х10⁶ нуклеотидных пар (одна хромосома). Геном человека составлен из 6х10⁹ пар нуклеотидов, упакованных в 23 пары хромосом в которых содержится 28000 гаплоидных генов. Из них 22 пары аутосомы и 2 отличающиеся друг от друга половые хромосомы - Y-хромосома (мужская) и Х-хромосома (женская). Другие млекопитающие имеют приблизительно такой же по размеру геном (хотя число и размеры хромосом может варьировать). Главной функцией генома является сохранение наследственной информации о структуре и функциях, как всего организма, так и составляющих его систем: органов, тканей, клеток. Сохранность и передача наследственной информации в ряду поколений обеспечивается способностью хромосом удваиваться (реплицироваться) перед каждым делением клетки. Генетическая информация, закодированная в геноме, не только хранится в ядре любой эукариотической клетки, но и постоянно используется в процессе индивидуального развития и жизнедеятельности, как каждой индивидуальной клетки, так и организма в целом. С этой целью в ядре происходит постоянная транскрипция (переписывание) определенных участков нуклеотидной последовательности ДНК с образованием соответствующих последовательностей РНК. Каждый участок молекулы ДНК, на котором синтезируется активная молекула РНК, называется ген. Гены входящие в состав хромосом человека и большинства других животных и растительных организмов могут содержать до 2 млн. нуклеотидных пар, хотя чаще отдельные гены имеют размер около 100 000 нуклеотидных пар. Вместе с тем для кодирования белка среднего размера (300-400 аминокислот) необходима последовательность, содержащая около 1000 пар нуклеотидов. Таким образом, значительная часть любого гена состоит из некодирующих участков ДНК, которые называются интронами. Кодирующие последовательности в генах называются экзонами. Большие гены состоят из длинной вереницы чередующихся экзонов и интронов. Кроме того, в каждом гене имеются регуляторные последовательности ДНК, с которыми связываются регуляторные белки, контролирующие процесс транскрипции.

Кроме ДНК и регуляторных белков в состав хромосом входит большое количество структурных белков, наиболее изученные и многочисленные из которых гистоны. Комплекс структурных белков с ядерной ДНК называют хроматином. Хроматин на окрашенных препаратах клетки представляет собой сеть тонких фибрилл и глыбок. На электронных фотографиях хроматин напоминает бусины на нитке. Элементарной единицей упаковки хроматина является нуклеосома диаметром около 11 нм (рис). Нуклеосома состоит из двойной спирали ДНК, обмотанной вокруг комплекса из восьми нуклеосомных гистонов. Нуклеосомные частицы отделены друг от друга сегментами линкерной ДНК. Общая длина участка ДНК, включенного в нуклеосому животных, составляет около 200 пар нуклеотидов.

Рис. Нуклеосомы хроматина

 

Важнейшая роль гистонов, заключается в том, что они обеспечивают упаковку очень длинных молекул ДНК, их длина у человека варьирует от 1, 7 до 8, 5 см, в компактные структуры, помещающиеся в клеточном ядре и способные осуществлять процесс транскрипции. Особенно компактной и конденсированной становится структура хромосом при делении клеток в фазе клеточного цикла, называемом митоз. Именно в этот период хромосомы можно наблюдать с помощью светового микроскопа. Во всех других стадиях клеточного цикла степень конденсации большинства хромосом сравнительно невелика: они сильно растянуты и спутаны, что делает их невидимыми. В настоящее время считается, что декомпактизация структуры как самой нуклеосомы, так и хроматина в целом происходит вследствие ацетилирования (с помощью ферментов гистонацетилтрансфераз) концевых остатков лизина в гистонах, что нейтрализует их положительный заряд и блокирует их ассоциацию с витками нуклеосомной ДНК

Транскрипция и образование информационной РНК

Наименее конденсированы молекулы ДНК в интерфазных хромосомах и именно в этот период наиболее активно протекают процессы транскрипции, осуществляемые с помощью фермента РНК- полимеразы. В отличие от ДНК пространственная структура РНК однонитчатая. Химически РНК отличатся от ДНК не только присутствием рибозы, но и азотистого основания урацила (вместо тимина). Первичная молекула РНК, синтезированная с любого гена носит название первичного транскрипта. Первичный транскрипт представляет собой точную копию гена, также содержащую, как экзоны, так и интроны. Превращение первичного транскрипта в информационную (матричную) РНК происходит в клеточном ядре и называется процессингом. В ходе процессинга удаляются некодирующие последовательности, а кодирующие соединяются, сращиваются между собой, т.е. сплайсируются (to splice –сращивать) в единую молекулу. Во многих случаях возможны альтернативные варианты компоновки кодирующих участков – альтернативный сплайсинг. Очень важно, что один и тот же первичный транскрипт в результате сплайсинга может образовывать множество различных матричных РНК, и, следовательно, один ген может кодировать несколько белков. Показано, что в процессе дифференцировки клеток происходит изменение схемы сплайсинга многих транскриптов РНК, и таким образом один и тот же ген на разных стадиях развития клетки детерминирует синтез различных белков. Обычно в ядре эукариот можно наблюдать ядрышко – плотное тельце, состоящее из нуклеопротеидов – предшественников рибосом. Ядрышко формируется на определенных участках хромосом, т.н. ядрышковых организаторах, где находятся серии генов, кодирующих рибосомную РНК. Прерибосомная РНК мигрирует в цитоплазму, где происходит сборка рибосом. При митозе ядрышко распадается.

Трансляция – синтез белка

Триплеты для всех 20 аминокислот, входящих в состав природных белков известны. Зная порядок расположения триплетов в молекуле ДНК (генетический код), можно установить последовательность расположения аминокислот в белке. В одной молекуле ДНК может быть закодирована последовательность аминокислот для многих белков. Функциональный отрезок молекулы ДНК, несущий в себе информацию о первичной структуре полипептида, молекулы тРНК или рРНК, называется ген. Различают структурные гены, в которых закодирована информация для синтеза структурных и ферментных белков, и гены с информацией для синтеза тРНК, рРНК.

Процесс биосинтеза белка осуществляется на рибосомах, расположенных преимущественно в цитоплазме. Следовательно, для передачи генетической информации с ядерной ДНК к месту синтеза белка требуется посредник. Таким посредником является иРНК, которая на основе принципа комплементарности синтезируется на одной из цепей молекулы ДНК. Этот процесс получил название транскрипции или переписывания.

Транскрипция происходит не на всей молекуле ДНК одновременно, а лишь на небольшом ее участке, отвечающем определенному гену. При этом часть двойной спирали ДНК раскручивается, обнажая короткий участок одной из цепей, который теперь будет служить матрицей для синтеза иРНК. Вдоль этой цепи движется фермент РНК-полимераза, соединяя между собой нуклеотиды в растущую цепь иРНК, последовательность нуклеотидов которой является точной копией последовательности нуклеотидов матрицы — одного или группы рядом расположенных генов. Так, если в молекуле ДНК имеется азотистое основание цитозин, то в РНК — гуанин, и наоборот. В ДНК комплементарной парой являются аденин и тимин. Однако в состав иРНК вместо тимина входит урацил. Транскрипция может происходить одновременно на нескольких генах одной хромосомы и на генах, расположенных на разных хромосомах.

На специальных генах синтезируются и два других типа РНК — тРНК и рРНК. Начало и конец синтеза всех типов РНК на матрице ДНК строго фиксирован специальными триплетами, которые контролируют запуск (инициирующие) и остановку (терминирующие) синтеза РНК. Триплеты выполняют функцию знаков препинания между генами.

Синтезированная в ядре иРНК отделяется от ДНК и через поры ядерной оболочки поступает в цитоплазму, где прикрепляется к рибосоме.

Молекула иРНК может связываться одновременно с несколькими рибосомами. Их число определяется длиной иРНК. Комплекс из иРНК и рибосом (от 5-6 до нескольких десятков) называется полирибосомой или полисомой. Образование полисом повышает эффективность функционирования иРНК за счет того, что одновременно протекает синтез нескольких идентичных полипептидных цепей. Именно на полисомах происходит синтез белка, или трансляция.

Трансляция начинается со стартового кодона АУГ. Отсюда молекула иРНК прерывисто, триплет за триплетом продвигается через рибосомы, что сопровождается ростом полипептидной цепочки. Число аминокислот в таком белке равно числу триплетов иРНК.

Выстраивание аминокислот в соответствии с кодонами иРНК осуществляется на рибосомах при помощи тРНК — главных агентов синтеза белка. Благодаря определенному расположению комплементарных нуклеотидов цепочка тРНК имеет форму, напоминающую лист клевера. При этом тРНК имеет акцепторный конец, к которому присоединяется активированная энергией АТФ аминокислота.

Активацию аминокислот осуществляют специфичные ферменты аминоацил-тРНК-синтетазы, т. е. для каждой аминокислоты существует свой фермент. Механизм активации заключается в том, что фермент одновременно взаимодействует с соответствующей аминокислотой и АТФ, которая теряет при этом пирофосфат. Тройной комплекс из фермента, аминокислоты и АТФ называется активированной (богатой энергией) аминокислотой, которая способна спонтанно образовать пептидную связь, что приводит к синтезу полипептидов. Данный процесс активации — необходимый этап белкового синтеза, поскольку свободные аминокислоты не могут прямо присоединяться к полипептидной цепи.

В противоположной части молекулы тРНК располагается специфический триплет (антикодон), ответственный за прикрепление к определенному триплету иРНК (кодон).

тРНК с присоединенной к ней активированной аминокислотой антикодоном присоединяется к кодону иРНК. Затем к той же рибосоме прикрепляется вторая тРНК с аминокислотой в соответствии со следующим кодоном. В функциональном центре рибосомы оказываются два триплета (кодона), с которыми взаимодействуют две транспортные РНК. В рибосоме, таким образом, оказались две аминокислоты, между которыми возникает пептидная связь. Первая тРНК, освободившись от аминокислоты, покидает рибосому. Далее к образованному дипептиду аналогичным путем пристраивается третья, четвертая и т.д. аминокислоты, принесенные в рибосому своими тРНК. Процесс продолжается до тех пор, пока в рибосому не попадет один из трех терминирующих кодонов: УАА, УАГ или УГА, — после чего синтез белка прекращается.

Таким образом, последовательность кодонов иРНК определяет последовательность включения аминокислот в цепь белка. После завершения синтеза белка иРНК под действием ферментов распадается на отдельные нуклеотиды.

Таким образом, роль нуклеиновых кислот в биосинтезе белка заключается в преобразовании генетической информации, представленной в виде последовательности нуклеотидов ДНК, в структуру молекулы иРНК, а затем в последовательность аминокислот в молекуле белка. Реакции синтеза иРНК (транскрипция) и белка (трансляция) осуществляются по матрицам (ДНК и иРНК соответственно), поэтому они получили название реакций матричного синтеза.

Каждый этап биосинтеза белка катализируется соответствующими ферментами и снабжается энергией за счет расщепления АТФ. Синтезированные белки поступают в каналы эндоплазматической сети, где происходит их дозревание, приобретение вторичной, третичной и четвертичной структур.

Синтез белковых молекул происходит непрерывно и идет с большой скоростью: за 1 мин образуется от 50 до 60 тыс. пептидных связей. Синтез одной молекулы белка длится всего 3—4 с. В результате половина белков тела человека (в среднем в нем около 17 кг белка) обновляется за 80 суток. За всю жизнь в организме человека белки обновляются около 200 раз. Синтезированная в ядре иРНК отделяется от ДНК и через поры ядерной оболочки поступает в цитоплазму, где прикрепляется к рибосоме.

Весьма интересным представляется вопрос о соотношении кодирующих и некодирующих областей в геноме. Как показывает анализ, у нематоды C.elegans примерно равные доли – 27 и 26% соответственно – занимают в геноме экзоны (участки гена, в которых записана информация о структуре белка или РНК) и интроны (участки гена, не несущие подобной информации и вырезаемые при образовании зрелой РНК). Остальные 47% генома приходится на повторы, межгенные участки и т.д., т.е. на ДНК с неизвестными функциями. Сравнив эти данные с дрожжевым геномом и геномом человека, мы увидим, что доля кодирующих участков в расчете на геном в ходе эволюции резко уменьшается: у дрожжей она очень высока, у человека очень мала.

Лекция 7

⇐ Предыдущая6789101112131415Следующая ⇒

Поделиться: