Основна догма молекулярної біології. Центральна догма молекулярної генетики. Універсальні засоби передачі біологічної інформації

Для того щоб не тільки зрозуміти значення структурних особливостей клітини, а й, головне, розібратися у функціональних відправленнях її окремих компонентів і всієї клітини в цілому, щоб поєднувати вивчення морфології клітини з найголовнішими біохімічними та генетичними особливостями її устрою та роботи, щоб вивчати клітину саме з позицій сучасної клітинної біології, необхідно хоча б стисло згадати основні молекулярно-біологічні закономірності, ще раз коротко звернутися до змісту центральної догми молекулярної біології.

Клітина як така виконує безліч різноманітних функцій. Як ми вже говорили, частина з них – загальноклітинні, частина – спеціальні, характерні для особливих клітинних типів. Головними робочими механізмами виконання цих функцій є білки або їх комплекси з іншими біологічними макромолекулами, такими як нуклеїнові кислоти, ліпіди і полісахариди. Наприклад, відомо, що процеси транспорту в клітині різноманітних речовин, починаючи з іонів і закінчуючи макромолекулами, визначаються роботою спеціальних білків або ліпопротеїнових комплексів, що входять до складу плазматичної та інших клітинних мембран. Практично всі процеси синтезу, розпаду, перебудови різних білків, нуклеїнових кислот, ліпідів, вуглеводів відбуваються внаслідок активності специфічних кожної окремої реакції білків-ферментів. Синтези окремих біологічних мономерів, нуклеотидів, амінокислот, жирних кислот, цукрів та інших сполук також здійснюються величезним числом специфічних ферментів – білків. Скорочення, що призводить до рухливості клітин або переміщення речовин і структур всередині клітин, здійснюється також спеціальними скоротливими білками. Багато реакцій клітин у відповідь на вплив зовнішніх факторів(Вірусів, гормонів, чужорідних білків та ін) починаються з взаємодії цих факторів зі спеціальними клітинними білками-рецепторами.

Білки – це основні компоненти практично всіх клітинних структур. Безліч хімічних реакцій усередині клітини визначається безліччю ферментів, кожен із яких веде одну чи кілька окремих реакцій. Структура кожного окремо взятого білка суворо специфічна, що виявляється у специфічності їх первинної структури - у послідовності амінокислот уздовж поліпептидного, білкового ланцюга. Причому специфічність цієї амінокислотної послідовності безпомилково повторена у всіх молекулах даного клітинного білка.

Така правильність у відтворенні однозначної послідовності амінокислот у білковому ланцюгу детермінується структурою ДНК тієї генної ділянки, яка зрештою відповідає за структуру та синтез даного білка. Ці уявлення є основним постулатом молекулярної біології, її «догмою». Інформація про майбутню молекулу білка передається до місць його синтезу (в рибосоми) посередником - інформаційної РНК (іРНК), нуклеотидний склад якої відображає склад та послідовність нуклеотидів генної ділянки ДНК. У рибосомі будується полипептидная ланцюг, послідовність амінокислот у якій визначається послідовністю нуклеотидів в иРНК, послідовністю їх триплетів. Тим самим центральна догма молекулярної біології підкреслює односпрямованість передачі: лише від ДНК до білка з допомогою проміжного ланки - иРНК (ДНК → иРНК → белок). Для деяких РНК-вірусів ланцюг передачі інформації може йти за схемою РНК → іРНК → білок. Це не змінює суті справи, тому що детермінуючим, визначальною ланкою тут є також нуклеїнова кислота. Зворотні шляхи детермінації від білка до нуклеїнової кислоти, ДНК або РНК невідомі.

Для того щоб надалі перейти до вивчення структур клітини, пов'язаних із усіма етапами синтезу білків, нам необхідно коротко зупинитися на основних процесах та компонентах, що визначають це явище.

В даний час на підставі сучасних уявлень про біосинтез білків можна дати наступну загальну принципову схемуцього складного та багатоступеневого процесу (рис. 16).

Головна, «командна» роль у визначенні специфічної структури білків належить дезоксирибонуклеїновій кислоті - ДНК. Молекула ДНК є надзвичайно довгою лінійною структурою, що складається з двох взаємозакручених полімерних ланцюгів. Складовими елементами - мономерами - цих ланцюгів є чотири сорти дезоксирибонуклеотидів, чергування або послідовність яких уздовж ланцюга унікальна та специфічна для кожної молекули ДНК та кожної її ділянки. Різні досить довгі ділянки молекули ДНК є відповідальними за синтез різних білків. Тим самим одна молекула ДНК може визначити синтез великої кількостіфункціонально та хімічно різних білків клітини. За синтез кожного типу білків відповідальний лише певний ділянку молекули ДНК. Таку ділянку молекули ДНК, пов'язану із синтезом одного будь-якого білка в клітині, часто позначають терміном «цистрон». Нині поняття цистрон розглядають як еквівалентне поняттю ген. В унікальній структурі гена - у певному послідовному розташуванні його нуклеотидів уздовж ланцюга - міститься вся інформація про структуру одного відповідного білка.

Із загальної схеми білкового синтезу видно (див. рис. 16), що початковим пунктом, з якого починається потік інформації для біосинтезу білків у клітині, є ДНК. Отже, саме ДНК містить той первинний запис інформації, яка повинна зберігатися і відтворюватися від клітини до клітини з покоління до покоління.

Коротко торкаючись питання місце зберігання генетичної інформації, тобто. про локалізації ДНК у клітині, можна сказати таке. Вже давно відомо, що, на відміну від інших компонентів білоксинтезуючого апарату, ДНК має особливу, дуже обмежену локалізацію: місцем її знаходження в клітинах вищих (еукаріотичних) організмів буде клітинне ядро. У нижчих (прокаріотичних) організмів, які не мають оформленого клітинного ядра, ДНК також відмішана від решти протоплазми у вигляді одного або кількох компактних нуклеотидних утворень. У повній відповідності з цим ядро еукаріотів або нуклеоїд прокаріотів здавна розглядається як вмістище генів, як унікальний клітинний органоїд, що контролює реалізацію спадкових ознак організмів та їх передачу в поколіннях.

Головний принцип, що лежить в основі макромолекулярної структури ДНК, це так званий принцип комплементарності (рис. 17). Як згадувалося, молекула ДНК і двох взаємозакручених ланцюгів. Ці ланцюги пов'язані один з одним через взаємодію їх протилежних нуклеотидів. При цьому з структурних міркувань існування такої двотяжкової структури виявляється можливим тільки в тому випадку, якщо нуклеотиди обох ланцюгів, що протилежать, будуть стерично комплементарні, тобто. будуть своєю просторовою структурою доповнювати один одного. Такими взаємодоповнювальними – комплементарними – парами нуклеотидів є пара А-Т(аденін-тимін) та пара Г-Ц(Гуанін-цитозин).

Отже, згідно з цим принципом комплементарності, якщо в одному ланцюзі молекули ДНК ми маємо якусь послідовність чотирьох сортів нуклеотидів, то в другому ланцюзі послідовність нуклеотидів буде однозначно детермінована, так що кожному А першого ланцюга буде відповідати Т у другому ланцюгу, кожному Т першого ланцюга - А у другому ланцюгу, кожному Г першого ланцюга - Ц у другому ланцюгу і кожному Ц першого ланцюга - Г у другому ланцюгу.

Зазначений структурний принцип, лежачий основу двотяжного будови молекули ДНК, дозволяє легко зрозуміти точне відтворення вихідної структури, тобто. точне відтворення інформації, записаної в ланцюгах молекули у вигляді певної послідовності чотирьох сортів нуклеотидів. Справді, синтез нових молекул ДНК у клітині відбувається лише з основі вже існуючих молекул ДНК. При цьому два ланцюги вихідної молекули ДНК починають з одного з кінців розходитися, і на кожній з однотяжних ділянок, що розійшлися, починає збиратися з присутніх в середовищі вільних нуклеотидів другий ланцюг у точній відповідності з принципом комплементарності. Процес розбіжності двох ланцюжків вихідної молекули ДНК продовжується, і відповідно обидва ланцюги доповнюються комплементарними ланцюгами. В результаті (як видно на рис. 17) замість однієї виникають дві молекули ДНК, точно ідентичні вихідній. У кожній «дочірній» молекулі ДНК один ланцюг цілком походить від вихідної, а інший є заново синтезованим.

Необхідно підкреслити, що потенційна здатність до точного відтворення закладена в двотяжкій комплементарній структурі ДНК як такої, і відкриття цього, безумовно, становить одне з головних досягнень біології.

Однак проблема відтворення (редуплікації) ДНК не вичерпується констатацією потенційної здатності її структури до точного відтворення своєї нуклеотидної послідовності. Справа в тому, що ДНК сама по собі зовсім не є самовідтворюючою молекулою. Для здійснення процесу синтезу - відтворення ДНК за описаною вище схемою - необхідна діяльність спеціального ферментативного комплексу, що має назву ДНК-полімерази. Саме цей фермент здійснює послідовно йде від одного кінця молекули ДНК до іншого процес розбіжності двох ланцюгів з одночасною полімеризації на них вільних нуклеотидів за комплементарним принципом. Таким чином, ДНК, подібно до матриці, лише задає порядок розташування нуклеотидів у ланцюгах, що синтезуються, а сам процес веде білок. Робота ферменту в ході редуплікації ДНК є на сьогодні однією з найцікавіших проблем. Ймовірно, ДНК-полімераза як би активно повзе вздовж двотяжної молекули ДНК від одного її кінця до іншого, залишаючи позаду роздвоєний редуплікований «хвіст». Фізичні принципи такої роботи цього білка поки не зрозумілі.

Однак ДНК та окремі її функціональні ділянки, що несуть інформацію про структуру білків, самі безпосередньої участі у процесі створення білкових молекул не беруть. Першим етапом на шляху реалізації цієї інформації, записаної в ланцюгах ДНК, є так званий процес транскрипції, або «переписування». У цьому процесі на одному ланцюгу ДНК, як на матриці, відбувається синтез хімічно спорідненого полімеру – рибонуклеїнової кислоти (РНК). Молекула РНК є одним ланцюгом, мономерами якого є чотири сорти рибонуклеотидів, які розглядаються як невелика модифікація чотирьох сортів дезоксирибонуклеотидів ДНК. Послідовність розташування чотирьох сортів рибонуклеотидів у ланцюгу РНК, що утворюється, в точності повторює послідовність розташування відповідних дезоксирибонуклеотидів одного з двох ланцюгів ДНК. Таким шляхом нуклеотидна послідовність генів копіюється як молекул РНК, тобто. інформація, записана у структурі даного гена, повністю переписується на РНК. З кожного гена може зніматися велика теоретично необмежену кількість таких «копій» - молекул РНК. Ці молекули, переписані в багатьох примірниках як «копії» генів і, що несуть ту ж інформацію, що і гени, розходяться по клітині. Вони вже безпосередньо входять у зв'язок із білоксинтезуючими частинками клітини та беруть «особисту» участь у процесах створення білкових молекул. Іншими словами, вони переносять інформацію від місця, де вона зберігається, до місця її реалізації. Відповідно, ці РНК позначають як інформаційні (іРНК) або матричні (мРНК).

З'ясовано, що ланцюг іРНК синтезується, прямо використовуючи відповідну ділянку ДНК як матрицю. Синтезований ланцюг мРНК при цьому точно копіює за своєю нуклеотидною послідовністю один з двох ланцюгів ДНК (приймаючи, що урацилу (У) РНК відповідає його похідне тімін (Т) в ДНК). Це відбувається на основі того ж таки структурного принципу комплементарності, який визначає редуплікацію ДНК (рис. 18). Виявилося, що коли відбувається синтез мРНК на ДНК у клітині, то як матриця для утворення ланцюга мРНК використовується лише один ланцюг ДНК. Тоді кожному Г цього ланцюга ДНК буде відповідати Ц в ланцюгу РНК, що будується, кожному Ц ланцюга ДНК - Г в ланцюгу РНК, кожному Т ланцюга ДНК - А в ланцюгу РНК і кожному А ланцюга ДНК - У в ланцюгу РНК. У результаті виходить ланцюг РНК буде суворо комплементарна матричної ланцюга ДНК і, отже, ідентична за послідовністю нуклеотидів (приймаючи Т = У) другого ланцюга ДНК. Отже відбувається «переписування» інформації з ДНК РНК, тобто. транскрипція. «Переписані» поєднання нуклеотидів ланцюга РНК вже безпосередньо визначають розстановку відповідних амінокислот, що кодуються ними, в ланцюгу білка.

Тут, як і при розгляді редуплікації ДНК, як один з найбільш істотних моментів процесу транскрипції необхідно вказати на його ферментативний характер. ДНК, що є матрицею в цьому процесі, повністю визначає розташування нуклеотидів в ланцюгу мРНК, що синтезується, всю специфічність утворюваної РНК, але сам хід процесу здійснюється особливим білком - ферментом. Цей фермент називається РНК-полімеразою. Його молекула має складну організацію, що дозволяє йому активно просуватися вздовж молекули ДНК, одночасно синтезуючи ланцюжок РНК, комплементарний до одного з ланцюгів ДНК. Молекула ДНК, що служить матрицею, при цьому не витрачається і не змінюється, зберігаючись у колишньому вигляді і завжди готова для такого переписування з неї необмежену кількість копій - мРНК. Потік цих мРНК від ДНК до рибосом і становить той потік інформації, який забезпечує програмування білоксинтезуючого апарату клітини, всієї сукупності її рибосом.

Таким чином, розглянута частина схеми описує потік інформації, що йде від ДНК у вигляді молекул мРНК до внутрішньоклітинних частинок, що синтезують білки. Тепер ми звернемося до потоку іншого - до потоку того матеріалу, з якого повинен створюватися білок. Елементарними одиницями - мономерами - білкової молекули є амінокислоти, яких налічується близько 20. Для створення (синтезу) білкової молекули вільні амінокислоти, присутні в клітині, повинні бути залучені у відповідний потік, що надходить у білоксинтезуючу частинку, і вже там розставлені в , що диктується інформаційною РНК. Таке залучення амінокислот - будівельного матеріалу до створення білка - здійснюється шляхом приєднання вільних амінокислот до спеціальних молекул РНК щодо невеликого розміру. Ці РНК, що служать для приєднання до них вільних амінокислот, не будучи інформаційними, несуть іншу – адапторну – функцію, сенс якої буде видно далі. Амінокислоти приєднуються до одного з кінців невеликих ланцюжків трансферних РНК (тРНК) по одній амінокислоті на одну молекулу РНК. Для кожної такої амінокислоти у клітині існують свої специфічні молекули адапторних РНК, що приєднують лише ці амінокислоти. У такому навішеному на РНК вигляді амінокислоти і надходять до білоксинтезуючих частинок.

Центральним моментом процесу біосинтезу білка є злиття цих двох внутрішньоклітинних потоків - потоку інформації та потоку матеріалу - в білоксинтезуючих частинках клітини. Ці частки називаються рибосомами. Рибосоми являють собою ультрамікроскопічні біохімічні «машини» молекулярних розмірів, де з амінокислотних залишків, що надходять, згідно з планом, укладеним в інформаційній РНК, збираються специфічні білки. Хоча на рис. 19 зображено лише одну частинку, кожна клітина стримає тисячі рибсом. Кількість рибосом визначає загальну інтенсивність синтезу білка в клітині. Діаметр однієї рибосомної частки близько 20 нм. За своєю хімічною природою рибосома - рибонуклеопротеїд: вона складається з особливої рибосомної РНК (це третій відомий нам клас РНК на додаток до інформаційних та адапторних РНК) та молекул структурного рибосомного білка. Разом це поєднання кількох десятків макромолекул утворює ідеально організовану і надійну «машину», що має властивість прочитувати інформацію, укладену в ланцюзі мРНК, і реалізувати її у вигляді готової білкової молекули специфічної будови. Оскільки істота процесу полягає в тому, що лінійна розстановка 20 різних амінокислот у ланцюзі білка однозначно детермінується розташуванням чотирьох різних нуклеотидів у ланцюзі хімічно зовсім іншого полімеру - нуклеїнової кислоти (мРНК), то цей процес, що відбувається в рибосомі, прийнято позначати терміном «транс або «переклад», - переклад як би з чотирилітерного алфавіту ланцюгів нуклеїнових кислот на двадцятилітерний алфавіт білкових (поліпептидних) ланцюгів. Як видно, у процесі трансляції беруть участь усі три відомі класи РНК: інформаційна РНК, яка є об'єктом трансляції; рибосомна РНК, яка відіграє роль організатора білоксинтезуючої рибонуклеопротеїдної частинки - рибосоми; та адапторні РНК, які здійснюють функцію перекладача.

Мал. 19. Схема функціонуючої рибосоми

p align="justify"> Процес синтезу білка починається при утворенні сполук амінокислот з молекулами адапторних РНК, або тРНК. При цьому спочатку відбувається енергетична «активація» амінокислоти за рахунок її ферментативної реакції з молекулою аденозинтрифосфату (АТФ), а потім «активована» амінокислота з'єднується з кінцем відносно короткого ланцюжка тРНК, прирощення хімічної енергії активованої амінокислоти запасається при цьому у вигляді енергії хімічного зв'язку та тРНК.

Поруч із вирішується і друге завдання. Справа в тому, що реакцію між амінокислотою та молекулою тРНК веде фермент, що позначається як аміноацил-тРНК-синтетаза. Для кожної з 20 амінокислот є свої спеціальні ферменти, що здійснюють реакцію за участю тільки даної амінокислоти. Таким чином, існує не менше 20 ферментів (аміноацил-тРНК-синтетазу), кожен з яких специфічний для однієї певної амінокислоти. Кожен із цих ферментів може вести реакцію не з будь-якою молекулою тРНК, а лише з тими, які несуть строго певне поєднання нуклеотидів у своєму ланцюзі. Таким чином, завдяки існуванню набору таких специфічних ферментів, що розрізняють, з одного боку, природу амінокислоти і, з іншого - нуклеотидну послідовність тРНК, кожна з 20 амінокислот виявляється «приписаною» тільки до певних тРНК з даним характерним нуклеотидним поєднанням.

Схематично деякі моменти процесу біосинтезу білка, наскільки ми їх представляємо на сьогоднішній день, наведено на рис. 19. Тут передусім видно, що молекула інформаційної РНК з'єднана з рибосомою чи, як то кажуть, рибосома «запрограмована» інформаційної РНК. У кожен момент безпосередньо у самій рибосомі перебуває лише відносно короткий відрізок ланцюга мРНК. Але саме цей відрізок за участю рибосоми може взаємодіяти із молекулами адапторних РНК. І тут знову головну роль відіграє принцип комплементарності.

У цьому полягає пояснення механізму того, чому даному триплету ланцюга мРНК відповідає строго певна амінокислота. Необхідною проміжною ланкою, або адаптором, при «впізнанні» кожною амінокислотою свого триплету на мРНК є адапторна РНК (ТРНК).

На рис. 19 видно, що в рибосомі, крім молекули тРНК з навішеною амінокислотою, знаходиться ще одна молекула тРНК. Але, на відміну від розглянутої вище молекули тРНК, ця молекула тРНК своїм кінцем приєднана до кінця перебуває і в процесі синтезу білкового (поліпептидного) ланцюжка. Таке становище відбиває динаміку подій, які у рибосомі у процесі синтезу білкової молекули. Цю динаміку можна уявити наступним чином. Почнемо з якогось проміжного моменту, відбитого на рис. 19 і характеризується наявністю вже почала будуватися білкового ланцюжка, приєднаної до неї тРНК і щойно увійшла в рибосому і зв'язалася з триплетом нової молекули тРНК з відповідною їй амінокислотою. Мабуть, сам акт приєднання молекули тРНК до розташованого в даному місці рибосоми триплету мРНК призводить до такої взаємної орієнтації і тісного контакту між амінокислотним залишком і ланцюгом білка, що будується, що між ними виникає ковалентний зв'язок. Зв'язок виникає таким чином, що кінець білкового ланцюга, що будується (на рис. 19 приєднаний до тРНК) переноситься від цієї тРНК на амінокислотний залишок надійшла аміноацил-тРНК. Через війну «права» тРНК, зігравши роль «донора», виявиться вільним, а білковий ланцюг - перекинутої на «акцептор», тобто. на «ліву» (що надійшла) аміноацил-тРНК. У результаті білковий ланцюг виявиться подовженим однією амінокислоту і приєднаної до «лівої» тРНК. Після цього відбувається перекидання «лівої» тРНК разом із пов'язаним із нею триплетом нуклеотидів мРНК вправо, тоді колишня «донорна» молекула тРНК виявиться витісненою звідси і піде з рибосом. На її місці з'явиться нова тРНК з ланцюгом білка, що будується, подовженим на один амінокислотний залишок, а ланцюг мРНК буде просунуто щодо рибосоми на один триплет вправо. В результаті просування ланцюга мРНК на один триплет праворуч у рибосомі з'явиться наступний вакантний триплет (УУУ), і до нього негайно за комплементарним принципом приєднається відповідна тРНК з амінокислотою (фенілаланіл-тРНК). Це знову викличе утворення ковалентного (пептидного) зв'язку між ланцюгом білка, що будується, і фенілаланіновим залишком і слідом за цим просування ланцюга мРНК на один триплет вправо з усіма наслідками, що звідси випливають, і т.д. Таким шляхом здійснюється послідовно, триплет за триплетом, протягування ланцюга інформаційної РНК через рибосому, внаслідок чого ланцюг іРНК «прочитується» рибосомою цілком, від початку до кінця. Одночасно і пов'язано з цим відбувається послідовне, амінокислота за амінокислотою, нарощування білкового ланцюжка. Відповідно до рибосому одна за одною надходять молекули тРНК з амінокислотами та виходять молекули тРНК без амінокислот. Опиняючись у розчині поза рибосомою, вільні молекули тРНК знову з'єднуються з амінокислотами і знову несуть їх у рибосому, самі ж таким чином циклічно звертаючись без руйнування та зміни.

Лекція №.

Кількість годин: 2

Центральна догма молекулярної біології

1) Т ранскрипція

2) Трансляція

На початку 50-х Ф. Крик сформулював центральну догму молекулярної біології. Відповідно до цієї концепції генетична інформація від ДНК до білків передається через РНК за схемою: ДНК – РНК – білок.

Перший етап біосинтезу відбувається в ядрі і зветься транскрипції (переписування).

Транскрипція- Біосинтез молекул РНК на матриці ДНК. Цей процес каталізується ферментом РНК-полімеразою. Фермент дізнається знак початкутранскрипції - промотор- І приєднується до нього. Промотор орієнтований таким чином, що РНК-полімераза проходить через цю генетичну ділянку в певному напрямку. Фермент розплітає подвійну спіраль ДНК і копіює, починаючи з промотора, один з її ланцюгів. У міру руху РНК-полімерази ланцюг РНК, що росте, відходить від матриці і подвійна спіраль ДНК позаду ферменту відновлюється. У процесі транскрипції синтезується про-м-РНК - попередник зрілої м-РНК, що у трансляції. Про-м-РНК має великі розміриі містить фрагменти, які не кодують синтез поліпептидного ланцюга. Ці фрагменти отримали назву інтронів, що кодують фрагменти називаються екзонами.Процес вирізування інтронів та зрощування у строгому порядку екзонів називається сплайсинг.У процесі зрощування утворюється зріла м-РНК. Транспорт м-РНК з ядра в цитоплазму здійснюється через ядерні пори. Зрілі еукаріотичні м-РНК зазвичай кодують лише один поліпептидний ланцюг.

Наступний етап біосинтезу відбувається в цитоплазмі на рибосомах і зветься трансляція.

Трансляція- синтез поліпептидних ланцюгів білків на матриці м-РНК згідно з генетичним кодом. У процесі трансляції інформація про будову білка перекладається з нуклеотидного коду м-РНК у певну послідовність амінокислот у білках, що синтезуються. Біосинтез білка здійснюється складним макромолекулярним комплексом. Амінокислоти доставляють у рибосоми т-РНК. При синтезі білка м-РНК входить до складу полірибосоми (на ній одночасно ведуть синтез від кількох до 100 рибосом).

Таким чином, транскрипція та трансляція просторово роз'єднані. Транскрипція протікає в ядрі, а трансляція – у цитоплазмі.

Клітина як така має величезним числом різноманітних функцій, частина з них – загальноклітинні, частина – спеціальні, притаманні спеціальних клітинних типів. Головними робочими механізмами виконання цих функцій є білки або їх комплекси з іншими біологічними макромолекулами, такими як нуклеїнові кислоти, ліпіди і полісахариди. Так, відомо, що процеси транспорту в клітині різноманітних речовин, починаючи з іонів, закінчуючи макромолекулами, визначаються роботою спеціальних білків або ліпопротеїнових комплексів у складі плазматичної та інших клітинних мембран. Практично всі процеси синтезу, розпаду, перебудови різних білків, нуклеїнових кислот, ліпідів, вуглеводів відбувається внаслідок активності специфічних кожної окремої реакції білків-ферментів. Синтези окремих біологічних мономерів, нуклеотидів, амінокислот, жирних кислот, цукрів та інших. також здійснюються великою кількістю специфічних ферментів – білків. Скорочення, що призводить до рухливості клітин або переміщення речовин і структур всередині клітин, здійснюється також спеціальними скоротливими білками. Багато реакцій клітин у відповідь на вплив зовнішніх факторів (вірусів, гормонів, чужорідних білків та ін.) починається із взаємодії цих факторів зі спеціальними клітинними білками-рецепторами.

Білки - це основні компоненти практично всіх клітинних структур. Безліч хімічних реакцій усередині клітини визначається безліччю ферментів, кожен із яких веде одну чи кілька окремих реакцій. Структура кожного окремо взятого білка суворо специфічна, що виявляється у специфічності їхньої первинної структури – у послідовності амінокислот уздовж поліпептидного, білкового ланцюга. Причому специфічність цієї амінокислотної послідовності безпомилково повторена у всіх молекулах даного клітинного білка.

Така правильність у відтворенні однозначної послідовності амінокислот у білковому ланцюгу детермінується структурою ДНК тієї генної ділянки, яка зрештою відповідає за структуру та синтез даного білка. Ці уявлення є основним постулатом молекулярної біології, її «догмою». Інформація про майбутню молекулу білка передається до місць його синтезу (в рибосоми) посередником – інформаційної РНК (іРНК), нуклеотидний склад якої відбиває склад і послідовність нуклеотидів генної ділянки ДНК. У рибосомі будується полипептидная ланцюг, послідовність амінокислот у якій визначається послідовністю нуклеотидів в иРНК, послідовністю їх триплетів. Тим самим центральна догма молекулярної біології підкреслює односпрямованість передачі: тільки від ДНК до білка, з допомогою проміжного ланки, иРНК (ДНК® іРНК ® білок). Для деяких РНК-вірусів ланцюг передачі інформації може йти за схемою РНК - іРНК - білок. Це не змінює суті справи, тому що детермінуючим, визначальною ланкою тут є також нуклеїнова кислота. Зворотні шляхи детермінації від білка до нуклеїнової кислоти, ДНК або РНК невідомі.

В даний час на підставі сучасних уявлень про біосинтез білків можна дати наступну загальну принципову схему цього складного та багатоступеневого процесу (рис. 16).

Головна, «командна», що у визначенні специфічної структури білків належить дезоксирибонуклеїновій кислоті – ДНК. Молекула ДНК є надзвичайно довгою лінійною структурою, що складається з двох взаємозакручених полімерних ланцюгів. Складовими елементами – мономерами – цих ланцюгів є чотири сорти дезоксирибонуклеотидів, чергування чи послідовність яких уздовж ланцюга унікальна та специфічна для кожної молекули ДНК та кожної її ділянки. Різні досить довгі ділянки молекули ДНК є відповідальними за синтез різних білків. Тим самим одна молекула ДНК може визначити синтез великої кількості функціонально та хімічно різних білків клітини. За синтез кожного типу білків відповідальний лише певний ділянку молекули ДНК. Таку ділянку молекули ДНК, пов'язану із синтезом одного будь-якого білка в клітині, часто позначають терміном «цистрон». Нині поняття цистрон розглядають як еквівалентне поняттю ген. В унікальній структурі гена – у певному послідовному розташуванні його нуклеотидів уздовж ланцюга – укладено всю інформацію про структуру одного відповідного білка.

Коротко торкаючись питання місце зберігання генетичної інформації, тобто. про локалізації ДНК у клітині, можна сказати таке. Вже давно відомо, що, на відміну від інших компонентів білоксинтезуючого апарату, ДНК має особливу, дуже обмежену локалізацію: місцем її знаходження в клітинах вищих (еукаріотичних) організмів буде клітинне ядро. У нижчих (прокаріотичних) організмів, які не мають оформленого клітинного ядра, ДНК також відмішана від решти протоплазми у вигляді одного або декількох компактних нуклеотидних утворень. У повній відповідності з цим ядро еукаріотів або нуклеоїд прокаріотів здавна розглядається як вмістище генів, як унікальний клітинний органоїд, що контролює реалізацію спадкових ознак організмів та їх передачу в поколіннях.

Основний принцип, що лежить в основі макромолекулярної структури ДНК – це так званий принцип комплементарності (рис. 17). Як згадувалося, молекула ДНК і двох взаємозакручених ланцюгів. Ці ланцюги пов'язані один з одним через взаємодію їх протилежних нуклеотидів. При цьому з структурних міркувань існування такої двотяжкової структури виявляється можливим тільки в тому випадку, якщо нуклеотиди обох ланцюгів, що протилежать, будуть стерично комплементарні, тобто. будуть своєю просторовою структурою доповнювати один одного. Такими взаємодоповнювальними – комплементарними – парами нуклеотидів є пара А-Т (аденін-тимін) та пара Г-Ц (гуанін-цитозин).

Отже, згідно з цим принципом комплементарності, якщо в одному ланцюзі молекули ДНК ми маємо якусь послідовність чотирьох сортів нуклеотидів, то в другому ланцюзі послідовність нуклеотидів буде однозначно детермінована, так що кожному А першого ланцюга буде відповідати Т у другому ланцюгу, кожному Т першого ланцюга - А у другому ланцюзі, кожному Г першого ланцюга – Ц у другому ланцюгу і кожному Ц першого ланцюга – Г у другому ланцюгу.

Видно, що зазначений структурний принцип, що лежить в основі двотяжкової будови ДНК, дозволяє легко зрозуміти точне відтворення вихідної структури, тобто. точне відтворення інформації, записаної у ланцюгах молекули у вигляді певної послідовності із 4 сортів нуклеотидів. Справді, синтез нових молекул ДНК у клітині відбувається лише з основі вже існуючих молекул ДНК. При цьому два ланцюги вихідної молекули ДНК починають з одного з кінців розходитися, і на кожній з однотяжних ділянок, що розійшлися, починає збиратися з присутніх в середовищі вільних нуклеотидів другий ланцюг у точній відповідності з принципом комплементарності. Процес розбіжності двох ланцюжків вихідної молекули ДНК продовжується, і відповідно обидва ланцюги доповнюються комплементарними ланцюгами. В результаті, як видно на схемі, замість однієї виникають дві молекули ДНК, точно ідентичні вихідній. У кожній «дочірній» молекулі ДНК один ланцюг, як видно, цілком походить від вихідного, а інший є заново синтезованим.

Головне, що ще раз необхідно підкреслити, це те, що потенційна здатність до точного відтворення закладена в двотяжкій комплементарній структурі ДНК як такої, і відкриття цього, безумовно, становить одне з головних досягнень біології.

Однак проблема відтворення (редуплікації) ДНК не вичерпується констатацією потенційної здатності її структури до точного відтворення своєї нуклеотидної послідовності. Справа в тому, що ДНК сама по собі зовсім не є самовідтворюючою молекулою. Для здійснення процесу синтезу – відтворення ДНК за описаною вище схемою необхідна діяльність спеціального ферментативного комплексу, що має назву ДНК-полімерази. Очевидно, саме цей фермент здійснює послідовно йде від одного кінця молекули ДНК до іншого процес розбіжності двох ланцюгів з одночасною полімеризації на них вільних нуклеотидів за комплементарним принципом. Таким чином, ДНК, подібно до матриці, лише задає порядок розташування нуклеотидів у ланцюгах, що синтезуються, а сам процес веде білок. Робота ферменту в ході редуплікації ДНК є на сьогодні однією з найцікавіших проблем. Очевидно, ДНК-полимераза хіба що активно повзе вздовж двутяжной молекули ДНК від її кінця до іншого, залишаючи позаду роздвоєний редуплицированный «хвіст». Фізичні принципи такої роботи цього білка поки не зрозумілі.

Однак ДНК та окремі її функціональні ділянки, що несуть інформацію про структуру білків, самі безпосередньої участі у процесі створення білкових молекул не беруть. Першим етапом на шляху реалізації цієї інформації, записаної в ланцюгах ДНК, є так званий процес транскрипції, або «переписування». У цьому процесі ланцюга ДНК, як у матриці, відбувається синтез хімічно спорідненого полімеру – рибонуклеиновой кислоти (РНК). Молекула РНК є одним ланцюгом, мономерами якого є чотири сорти рибонуклеотидів, які розглядаються як невелика модифікація чотирьох сортів дезоксирибонуклеотидів ДНК. Послідовність розташування чотирьох сортів рибонуклеотидів у ланцюгу РНК, що утворюється, в точності повторює послідовність розташування відповідних дезоксирибонуклеотидів одного з двох ланцюгів ДНК. Таким шляхом нуклеотидна послідовність генів копіюється як молекул РНК, тобто. інформація, записана у структурі даного гена, повністю переписується на РНК. З кожного гена може зніматися велика теоретично необмежену кількість таких «копій» – молекул РНК. Ці молекули, переписані в багатьох примірниках як «копії» генів і отже несуть ту ж інформацію, що й гени, розходяться по клітині. Вони вже безпосередньо входять у зв'язок із білоксинтезуючими частинками клітини та беруть «особисту» участь у процесах створення білкових молекул. Іншими словами, вони переносять інформацію від місця, де вона зберігається, до місця її реалізації. Відповідно, ці РНК позначають як інформаційні або матричні РНК, скорочено мРНК (або іРНК).

З'ясовано, що ланцюг інформаційної РНК синтезується, прямо використовуючи відповідну ділянку ДНК як матрицю. Синтезований ланцюг мРНК при цьому точно копіює за своєю нуклеотидною послідовністю один з двох ланцюгів ДНК (приймаючи, що урацилу (У) РНК відповідає його похідне тімін (Т) в ДНК). Це відбувається на основі того ж таки структурного принципу комплементарності, який визначає редуплікацію ДНК (рис. 18). Виявилося, що коли відбувається синтез мРНК на ДНК у клітині, то як матриця для утворення ланцюга мРНК використовується лише один ланцюг ДНК. Тоді кожному Г цього ланцюга ДНК буде відповідати Ц в ланцюзі РНК, що будується, кожному Ц ланцюга ДНК - Г в ланцюгу РНК, кожному Т ланцюга ДНК - А в ланцюгу РНК і кожному А ланцюга ДНК - У в ланцюгу РНК. У результаті виходить ланцюг РНК буде суворо комплементарна до матричного ланцюга ДНК і, отже, ідентична за послідовністю нуклеотидів (приймаючи Т = У) другого ланцюга ДНК. Отже відбувається «переписування» інформації з ДНК РНК, тобто. транскрипція. «Переписані» поєднання нуклеотидів ланцюга РНК вже безпосередньо визначають розстановку відповідних амінокислот, що кодуються ними, в ланцюгу білка.

Тут, як і при розгляді редуплікації ДНК, як один з найбільш істотних моментів процесу транскрипції необхідно вказати на його ферментативний характер. ДНК, що є матрицею в цьому процесі, цілком визначає розташування нуклеотидів в ланцюгу мРНК, що синтезується, всю специфічність утворюваної РНК, але сам хід процесу здійснюється особливим білком - ферментом. Цей фермент називається РНК-полімеразою. Його молекула має складну організацію, що дозволяє йому активно просуватися вздовж молекули ДНК, одночасно синтезуючи ланцюжок РНК, комплементарний до одного з ланцюгів ДНК. Молекула ДНК, що служить матрицею, при цьому не витрачається і не змінюється, зберігаючись у колишньому вигляді і завжди готова для такого переписування з неї необмеженої кількості «копій» - мРНК. Потік цих мРНК від ДНК до рибосом і становить той потік інформації, який забезпечує програмування білоксинтезуючого апарату клітини, всієї сукупності її рибосом.

Таким чином, розглянута частина схеми описує потік інформації, що йде від ДНК у вигляді молекул мРНК до внутрішньоклітинних частинок, що синтезують білки. Тепер ми звернемося до потоку іншого – до потоку того матеріалу, з якого має створюватися білок. Елементарними одиницями – мономерами – білкової молекули є амінокислоти, яких є 20 різних сортів. Для створення (синтезу) білкової молекули вільні амінокислоти, присутні в клітині, повинні бути залучені у відповідний потік, що надходить у білоксинтезуючу частинку, і вже там розставлені в ланцюжок певним унікальним чином, що диктується інформаційною РНК. Таке залучення амінокислот – будівельного матеріалу до створення білка – здійснюється через приєднання вільних амінокислот до спеціальних молекул РНК щодо невеликого розміру. Ці РНК, що служать для приєднання до них вільних амінокислот, не будуть інформаційними, а несуть іншу адапторну – функцію, сенс якої буде видно далі. Амінокислоти приєднуються до одного з кінців невеликих ланцюжків трансферних РНК (тРНК) по одній амінокислоті на одну молекулу РНК.

Для кожного сорту амінокислоти у клітині існують свої специфічні, що приєднують лише цей сорт амінокислоти молекули адапторних РНК. У такому навіщеному на РНК вигляді, амінокислоти і надходять до білоксинтезуючих частинок.

Центральним моментом процесу біосинтезу білка є злиття цих двох внутрішньоклітинних потоків – потоку інформації та потоку матеріалу – у білоксинтезуючих частинках клітини. Ці частки називаються рибосомами. Рибосоми являють собою ультрамікроскопічні біохімічні «машини» молекулярних розмірів, де з амінокислотних залишків, що надходять, згідно з планом, укладеним в інформаційній РНК, збираються специфічні білки. Хоча на цій схемі (рис. 19) зображено лише одну частинку, кожна клітина стримає тисячі рибсом. Кількість рибосом визначає загальну інтенсивність синтезу білка в клітині. Діаметр однієї рибосомної частки близько 20 нм. За своєю хімічною природою рибосома – рибонуклеопротеїд: вона складається з особливої рибосомної РНК (це третій відомий нам клас РНК на додаток до інформаційних та адапторних РНК) та молекул структурного рибосомного білка. Разом це поєднання кількох десятків макромолекул утворює ідеально організовану і надійну «машину», що має властивість прочитувати інформацію, укладену в ланцюзі мРНК, і реалізувати її у вигляді готової білкової молекули специфічної будови. Оскільки істота процесу полягає в тому, що лінійна розстановка 20 сортів амінокислот у ланцюгу білка однозначно детермінується розташуванням чотирьох сортів нуклеотидів у ланцюгу хімічно зовсім іншого полімеру – нуклеїнової кислоти (мРНК), то цей процес, що відбувається в рибосомі, прийнято позначати термін або «переклад» - переклад як би з 4-літерного алфавіту ланцюгів нуклеїнових кислот на 20-літерний алфавіт білкових (поліпептидних) ланцюгів. Як видно, у процесі трансляції беруть участь усі три відомі класи РНК: інформаційна РНК, що є об'єктом трансляції, рибосомна РНК, що грає роль організатора білоксинтезуючої рибонуклеопротеїдної частинки – рибосоми, та адапторні РНК, що здійснюють функцію перекладача.

Але водночас вирішується і друге завдання. Справа в тому, що реакцію між амінокислотою та молекулою тРНК веде фермент, що позначається як аміноацил-тРНК-синтетаза. Для кожного з 20 сортів амінокислот існують свої спеціальні ферменти, що здійснюють реакцію за участю тільки даної амінокислоти. Таким чином, існує не менше 20 ферментів (аміноацил-тРНК-синтетазу), кожен з яких специфічний для одного сорту амінокислоти. Кожен із цих ферментів може вести реакцію не з будь-якою молекулою тРНК, а лише з тими, які несуть строго певне поєднання нуклеотидів у своєму ланцюзі. Таким чином, завдяки існуванню набору таких специфічних ферментів, що розрізняють, з одного боку, природу амінокислоти і, з іншого – нуклеотидну послідовність тРНК, кожен із 20 сортів амінокислот виявляється «приписаним» лише певним тРНК з цим характерним нуклеотидним поєднанням.

Схематично деякі моменти процесу біосинтезу білка, наскільки ми їх представляємо на сьогоднішній день, наведено на рис. 19.

Тут передусім видно, що молекула інформаційної РНК з'єднана з рибосомою чи, як то кажуть, рибосома «запрограмована» інформаційної РНК. У кожен момент безпосередньо у самій рибосомі перебувають лише щодо короткий відрізок ланцюга мРНК. Але саме цей відрізок за участю рибосоми може взаємодіяти із молекулами адапторних РНК. І тут знову головну роль відіграє принцип комплементарності, що вже двічі розбирався вище.

У цьому полягає пояснення механізму того, чому даному триплету ланцюга мРНК відповідає строго певна амінокислота. Видно, що необхідною проміжною ланкою, або адаптором, при «впізнанні» кожною амінокислотою свого триплету на мРНК є адапторна РНК (тРНК).

Далі на схемі (див. рис. 19) видно, що в рибосомі крім розглянутої щойно молекули тРНК з навішеною амінокислотою знаходиться ще одна молекула тРНК. Але, на відміну від розглянутої вище молекули тРНК, ця молекула тРНК своїм кінцем приєднана до кінця білкового (поліпептидного) ланцюжка, що знаходиться в процесі синтезу. Таке становище відбиває динаміку подій, які у рибосомі у процесі синтезу білкової молекули. Цю динаміку можна уявити наступним чином. Почнемо з якогось проміжного моменту, відбитого на схемі і характеризується наявністю вже білкового ланцюжка, що вже почав будуватися, приєднаного до нього тРНК і щойно увійшла в рибосому і що зв'язалася з триплетом нової молекули тРНК з відповідною їй амінокислотою. Мабуть, сам акт приєднання молекули тРНК до розташованого в даному місці рибосоми триплету мРНК призводить до такої взаємної орієнтації і тісного контакту між амінокислотним залишком і ланцюгом білка, що будується, що між ними виникає ковалентний зв'язок. Зв'язок виникає таким чином, що кінець білкового ланцюга, що будується, на схемі приєднаний до тРНК, переноситься від цієї тРНК на амінокислотний залишок надійшла аміноацил-тРНК. В результаті «правий» тРНК, зігравши роль «донора», виявиться вільним, а білковий ланцюг – перекинутим на «акцептор» - «лівий» (надійшли) аміноацил-тРНК, в результаті білковий ланцюг виявиться подовженим на одну амінокислоту і приєднаною до «лівої» »ТРНК. Слідом за цим відбувається перекидання «лівої» тРНК разом із пов'язаним з нею триплетом нуклеотидів мРНК «вправо», тоді колишня «донорна» молекула тРНК виявиться витісненою звідси і піде з рибосом, на її місці з'явиться нова тРНК з ланцюгом білка, що будується, подовженим на один амінокислотний залишок, а ланцюг мРНК буде просунутий щодо рибосоми на один триплет вправо. В результаті просування ланцюга мРНК на один триплет праворуч у рибосомі з'явиться наступний вакантний триплет (УУУ), і до нього негайно за комплементарним принципом приєднається відповідна тРНК з амінокислотою (фенілаланіл-тРНК). Це знову викличе утворення ковалентного (пептидного) зв'язку між ланцюгом білка, що будується, і фенілаланіновим залишком і слідом за цим просування ланцюга мРНК на один триплет вправо з усіма наслідками, що звідси випливають, і т.д. Таким шляхом здійснюється послідовно, триплет за триплетом, протягування ланцюга інформаційної РНК через рибосому, внаслідок чого ланцюг іРНК "прочитується" рибосомою цілком, від початку до кінця. Одночасно і пов'язано з цим відбувається послідовне, амінокислота за амінокислотою, нарощування білкового ланцюжка. Відповідно до рибосому одна за одною надходять молекули тРНК з амінокислотами та виходять молекули тРНК без амінокислот. Опиняючись у розчині поза рибосомою, вільні молекули тРНК знову з'єднуються з амінокислотами і знову несуть їх у рибосому, самі ж таким чином циклічно звертаючись без руйнування та зміни.

КлітиннеЯДРО

1. Загальна характеристика інтерфазного ядра. Функції ядра

1. Загальна характеристика інтерфазного ядра

Ядро - це найважливіша складова частина клітини, яка є практично у всіх клітинах багатоклітинних організмів. Більшість клітин має одне ядро, але бувають двоядерні та багатоядерні клітини (наприклад, поперечно-смугасті м'язові волокна). Двоядерність та багатоядерність обумовлені функціональними особливостями або патологічним станом клітин. Форма та розміри ядра дуже мінливі та залежать від виду організму, типу, віку та функціонального стану клітини. У середньому обсяг ядра становить приблизно 10% загального обсягу клітини. Найчастіше ядро має округлу або овальну форму розміром від 3 до 10 мкм у діаметрі. Мінімальний розмір ядра становить 1 мкм (у деяких найпростіших), максимальний – 1 мм (яйцеклітини деяких риб та земноводних). У деяких випадках спостерігається залежність форми ядра від форми клітини. Ядро зазвичай займає центральне положення, але диференційованих клітинах може бути зміщено до периферійному ділянці клітини. У ядрі зосереджена майже вся ДНК еукаріотичної клітини.

Основними функціями ядра є:

1) Зберігання та передача генетичної інформації;

2) Регуляція синтезу білка, обміну речовин та енергії у клітині.

Отже, ядро не лише вмістилищем генетичного матеріалу, а й місцем, де цей матеріал функціонує і відтворюється. Тому порушення будь-якої з цих функцій призведе до загибелі клітини. Все це вказує на провідне значення ядерних структур у процесах синтезу нуклеїнових кислот та білків.

Одним із перших учених, які продемонстрували роль ядра в життєдіяльності клітини, був німецький біолог Хаммерлінг. Як експериментальний об'єкт Хаммерлінг використовував великі одноклітинні морські водорості Acetobulariamediterranea та А.crenulata. Ці близькі види добре відрізняються один від одного за формою «капелюшки». В основі стеблинки знаходиться ядро. В одних експериментах капелюшок відокремлювали від нижньої частини стеблинки. В результаті було встановлено, що для нормального розвитку капелюшка необхідне ядро. В інших експериментах стеблинка з ядром одного виду водорості з'єднувався з стеблиною без ядра іншого виду. У химер, що утворилися, завжди розвивався капелюшок, типовий для того виду, якому належало ядро.

Загальний план будови інтерфазного ядра однаковий у всіх клітин. Ядро складається з ядерної оболонки, хроматину, ядерців, ядерного білкового матриксу та каріоплазми (нуклеоплазми).Ці компоненти зустрічаються практично у всіх клітинах, що не діляться, еукаріотичних одно- і багатоклітинних організмів.

2. Ядерна оболонка, будова та функціональне значення

Ядерна оболонка (каріолема, каріотека) складається із зовнішньої та внутрішньої ядерних мембран товщиною по 7 нм. Між ними розташовується перинуклеарний простіршириною від 20 до 40 нм. Основними хімічними компонентами ядерної оболонки є ліпіди (13-35%) та білки (50-75%). У складі ядерних оболонок виявляються також невеликі кількості ДНК (0-8%) та РНК (3-9%). Ядерні оболонки характеризуються відносно низьким вмістом холестерину та високим – фосфоліпідів. Ядерна оболонка безпосередньо пов'язана з ендоплазматичною мережею та вмістом ядра. По обидва боки до неї прилягають сетеподібні структури. Сетеподібна структура, що вистилає внутрішню ядерну мембрану, має вигляд тонкої оболонки і називається ядерною ламіною.Ядерна ламін підтримує мембрану і контактує з хромосомами та ядерними РНК. Сетеподібна структура, що оточує зовнішню ядерну мембрану, набагато менш компактна. Зовнішня ядерна мембрана усіяна рибосомами, що у синтезі білка. У ядерній оболонці є численні пори діаметром близько 30-100 нм. Кількість ядерних пір залежить від типу клітини, стадії клітинного циклу та конкретної гормональної ситуації. Так що інтенсивніше синтетичні процеси в клітині, тим більше часу є в ядерній оболонці. Ядерні пори досить лабільні структури, т. Е. Залежно від зовнішнього впливу здатні змінювати свій радіус і провідність. Отвір пори заповнений складноорганізованими глобулярними та фібрилярними структурами. Сукупність мембранних перфорацій та цих структур називають ядерним поровим комплексом. Складний комплекс пір має октагональну симетрію. По межі округлого отвору в ядерній оболонці розташовуються три ряди гранул, по 8 штук у кожному: один ряд лежить засіб побудови концептуальних моделей сторони ядра, інший - засіб побудови концептуальних моделей сторони цитоплазми, третій розташований в центральній частині пір. Розмір гранул близько 25 нм. Від гранул відходять фібрилярні відростки. Такі фібрили, що відходять від периферичних гранул, можуть сходитися в центрі і створювати перегородку, діафрагму, поперек пори. У центрі отвору часто можна побачити так звану центральну гранулу.

Ядерно-цитоплазматичний транспорт

Процес транслокації субстрату через ядерну пору (для випадку імпорту) складається з кількох стадій. На першій стадії комплекс, що транспортується, заякорюється на зверненій в цитоплазму фібрилі. Потім фібрилла згинається і переміщає комплекс до входу в канал ядерної доби. Відбувається власне транслокація та звільнення комплексу до каріоплазми. Відомий і зворотний процес - перенесення речовин із ядра в цитоплазму. Це насамперед стосується транспорту РНК, що синтезується виключно в ядрі. Також існує інший шлях перенесення речовин із ядра до цитоплазми. Він пов'язаний з утворенням виростів ядерної оболонки, які можуть відокремлюватися від ядра у вигляді вакуолей, а потім їх вміст виливається або викидається в цитоплазму.

Таким чином, обмін речовин між ядром і цитоплазмою здійснюється двома основними шляхами: через пори та шляхом відшнурування.

Функції ядерної оболонки:

1. Бар'єрна.Ця функція полягає у відділенні вмісту ядра від цитоплазми. В результаті виявляються просторово роз'єднані процеси синтезу РНК/ДНК від синтезу білка.

2. Транспортні.Ядерна оболонка активно регулює транспорт макромолекул між ядром та цитоплазмою.

3. Організуюча.Однією з основних функцій ядерної оболонки є участь у створенні внутрішньоядерного порядку.

3. Будова та функції хроматину та хромосом

Спадковий матеріал може перебувати в ядрі клітини у двох структурно-функціональних станах:

1. Хроматин.Це деконденсований, метаболічно активний стан, призначений для забезпечення процесів транскрипції та редуплікації в інтерфазі.

2. Хромосоми.Це максимально конденсований, компактний, метаболічно неактивний стан, призначений для розподілу та транспортування генетичного матеріалу до дочірніх клітин.

Хроматин.У ядрі клітин виявляються зони щільної речовини, які добре забарвлюються основними барвниками. Ці структури отримали назву "хроматин" (від грец. «хромо»)– колір, фарба). Хроматин інтерфазних ядер є хромосомами, що знаходяться в деконденсованому стані. Ступінь деконденсації хромосом може бути різним. Зони повної деконденсації називаються еухроматином.При неповній деконденсації в інтерфазному ядрі видно ділянки хромованого конденсованого, званого гетерохроматином.Ступінь деконденсації хроматину в інтерфазі відбиває функціональне навантаження цієї структури. Чим "дифузніше" розподілений хроматин в інтерфазному ядрі, тим інтенсивніше в ньому синтетичні процеси. Зменшеннясинтезу РНК у клітинах зазвичай супроводжується збільшенням зон конденсованого хроматину.Максимальна конденсація конденсованого хроматину досягається під час мітотичного поділу клітин. У цей час хромосоми не виконують жодних синтетичних функцій.

У хімічному відношенні хроматин складається з ДНК (30-45%), гістонів (30-50%), негістонних білків (4-33%) та невеликої кількості РНК.ДНК еукаріотичних хромосом є лінійними молекулами, що складаються з тандемно (один за одним) розташованих репліконів різного розміру. Середній розмірреплікону близько 30 мкм. Реплікони – ділянки ДНК, які синтезуються як незалежні одиниці. Реплікони мають початкову та термінальну точки синтезу ДНК. РНК є всі відомі клітинні типи РНК, що знаходяться в процесі синтезу або дозрівання. Гістони синтезуються на полісомах у цитоплазмі, причому цей синтез починається дещо раніше від редуплікації ДНК. Синтезовані гістони мігрують з цитоплазми в ядро, де зв'язуються з ділянками ДНК.

У структурному відношенні хроматин є комплексними нитчастими молекулами дезоксирибонуклеопротеїду (ДНП), які складаються з ДНК, асоційованої з гістонами. Хроматинова нитка є подвійною спіралью ДНК, що оточує гістоновий стрижень. Вона складається з одиниць, що повторюються, - нуклеосом. Кількість нуклеосом величезна.

Хромосоми(від. грец. хромо і сома) - це органоїди клітинного ядра, які є носіями генів і визначають спадкові властивості клітин та організмів.

Хромосоми є паличкоподібні структури різної довжини з досить постійною товщиною. У них є зона первинної перетяжки, яка ділить хромосому на два плечі.Хромосоми з рівними називають метацентричними, з плечами неоднакової довжини - субметацентричними.Хромосоми з дуже коротким, майже непомітним другим плечем називаються акроцентричними.

В області первинної перетяжки знаходиться центроміра, що є пластинчастою структурою у вигляді диска. До центроміру прикріплюються пучки мікротрубочок мітотичного веретена, що йдуть у напрямку до центріолів. Ці пучки мікротрубочок беруть участь у русі хромосом до полюсів клітини при мітозі. Деякі хромосоми мають вторинну перетяжку. Остання зазвичай розташована поблизу дистального кінця хромосоми і відокремлює невелику ділянку, супутник. Вторинні перетяжки називають ядерцевими організаторами. Тут локалізовано ДНК, відповідальну за синтез р-РНК. Плечі хромосом закінчуються тіломерами, кінцевими ділянками. Тіломірні кінці хромосом не здатні з'єднуватись з іншими хромосомами або їх фрагментами. На відміну від них, розірвані кінці хромосом можуть приєднуватися до таких же розірваних кінців інших хромосом.

Розміри хромосом у різних організмів варіюють у межах. Так, довжина хромосом може коливатися від 02 до 50 мкм. Найдрібніші хромосоми виявляються у деяких найпростіших грибів. Найбільш довгі – у деяких прямокрилих комах, у амфібій та у лілейних. Довжина хромосом людини знаходиться в межах 15-10 мкм.

Число хромосом у різних об'єктів також значно коливається, але характерно для кожного виду тварин чи рослин. У деяких радіолярій число хромосом сягає 1000-1600. Рекордсменом серед рослин по числу хромосом (близько 500) є папороть ужевник, 308 хромосом біля тутового дерева. Найменша кількість хромосом (2 на диплоїдний набір) спостерігається у малярійного плазмодія, кінської аскариди. У людини число хромосом становить 46,у шимпанзе, таргана та перцю– 48, плодова мушка дрозофіла – 8, домашня муха – 12, сазана – 104, ялини та сосни – 24, голуба – 80.

Каріотип (від грец. каріон - ядро, ядро горіха, оператори - зразок, форма) - сукупність ознак хромосомного набору (число, розмір, форма хромосом), характерні для того чи іншого виду.

Особи різної статі (особливо у тварин) одного і того ж виду можуть відрізнятися за кількістю хромосом (відмінність найчастіше на одну хромосому). Навіть у близьких видів хромосомні набори відрізняються один від одного або за кількістю хромосом, або за величиною хоча б однієї або кількох хромосом.Отже структура каріотипу може бути таксономічною ознакою.

У другій половині 20 століття практику хромосомного аналізу стали впроваджуватися методи диференціального фарбування хромосомВважається, що здатність окремих ділянок хромосом до фарбування пов'язана зі своїми хімічними відмінностями.

4. Ядрішко. Каріоплазма. Ядерний білковий матрикс

Ядрішко (нуклеолу) – обов'язковий компонент клітинного ядра еукаріотних організмів. Однак є деякі винятки. Так ядерця відсутні у високоспеціалізованих клітинах, зокрема деяких клітинах крові. Ядрішко є щільним тільцем округлої форми величиною 1-5 мкм. На відміну від цитоплазматичних органоїдів ядерце немає мембрани, яка оточувала б його вміст. Розмір ядерця відбиває ступінь його функціональної активності, яка широко варіює у різних клітинах. Ядро є похідним хромосоми. До складу ядерця входять білок, РНК та ДНК. Концентрація РНК у ядерцях завжди вища за концентрацію РНК в інших компонентах клітини. Так концентрація РНК у ядерці може бути у 2-8 разів вищою, ніж у ядрі, і в 1-3 рази вищою, ніж у цитоплазмі. Завдяки високому вмісту РНК, ядерця добре забарвлюються основними барвниками. ДНК у ядерці утворює великі петлі, які звуться «ядерцеві організатори». Від них залежить утворення та кількість ядерців у клітинах. Ядрішко неоднорідне за своєю будовою. У ньому виявляються два основні компоненти: гранулярний та фібрилярний. Діаметр гранул близько 15-20 нм, товщина фібрил– 6-8 нм. Фібрилярний компонент може бути зосереджений у центральній частині ядерця, а гранулярний – по периферії. Часто гранулярний компонент утворює нитчасті структури – нуклеолонеми завтовшки близько 0,2 мкм. Фібрилярний компонент ядерців є рибонуклеопротеїдними тяжами попередників рибосом, а гранули - дозрівають субодиниці рибосом. Функція ядерця полягає в утворенні рибосомних РНК (рРНК) та рибосом, на яких відбувається синтез поліпептидних ланцюгів у цитоплазмі. Механізм утворення рибосом наступний: на ДНК ядерцевого організатора утворюється попередник рРНК, який у зоні ядерця одягається білком. У зоні ядерця відбувається складання субодиниць рибосом. У активно функціонуючих ядерцях синтезується 1500-3000 рибосом на хвилину. Рибосоми з ядерця через пори в ядерній оболонці надходять на мембрани ендоплазматичної мережі. Кількість та утворення ядерців пов'язане з активністю ядерцевих організаторів. Зміни числа ядерців можуть відбуватися за рахунок злиття ядерців або при зсувах хромосомному балансі клітини. Зазвичай у ядрах міститься кілька ядерців. У ядрах деяких клітин (ооцити тритонів) міститься велика кількістьядерців. Це явище отримало назву ампліфікації.Воно полягає в організації систем управління якістю, що відбувається надреплікація зони ядра організатора, численні копії відходять від хромосом і стають додатково працюючими ядерцями. Такий процес необхідний накопичення величезної кількості рибосом на яйцеклітину. Завдяки цьому забезпечується розвиток ембріона на ранніх стадіяхнавіть за відсутності синтезу нових рибосом. Надчислені ядерця після дозрівання яєчної клітини зникають.

Доля ядерця при розподілі клітин. У міру згасання синтезу р-РНК у профазі відбувається розпушення ядерця і вихід готових рибосом до каріоплазми, а потім і цитоплазми. При конденсації хромосом фібрилярний компонент ядерця і частина гранул тісно асоціюють з їх поверхнею, утворюючи основу мітотичних матриксу хромосом. Цей фібрилярно-гранулярний матеріал переноситься хромосомами у дочірні клітини. У ранній телофазі з деконденсацією хромосом відбувається вивільнення компонентів матриксу. Його фібрилярна частина починає збиратися в дрібні численні асоціати - пред'ядро, які можуть поєднуватися один з одним. У міру відновлення синтезу РНК пред'ядро перетворюються на нормально функціонуючі ядерця.

Каріоплазма(Від грец.< карион > – горіх, ядро горіха), або ядерний сік, у вигляді безструктурної напіврідкої маси оточує хроматин та ядерця. Ядерний сік містить білки та різні РНК.

Ядерний білковий матрикс (ядерний скелет) - каркасна внутрішньоядерна система, яка служить підтримки загальної структури інтерфазного ядра об'єднання всіх ядерних компонентів. Є нерозчинним матеріалом, що залишається в ядрі після біохімічних екстракцій. Він не має чіткої морфологічної структури і складається на 98% білків.

Лекція №.

Кількість годин: 2

Центральна догма молекулярної біології

1) Т ранскрипція

2) Трансляція

Перший етап біосинтезу відбувається в ядрі і зветься транскрипції (переписування).

Транскрипція- Біосинтез молекул РНК на матриці ДНК. Цей процес каталізується ферментом РНК-полімеразою. Фермент дізнається знак початкутранскрипції - промотор- І приєднується до нього. Промотор орієнтований таким чином, що РНК-полімераза проходить через цю генетичну ділянку в певному напрямку. Фермент розплітає подвійну спіраль ДНК і копіює, починаючи з промотора, один з її ланцюгів. У міру руху РНК-полімерази ланцюг РНК, що росте, відходить від матриці і подвійна спіраль ДНК позаду ферменту відновлюється. У процесі транскрипції синтезується про-м-РНК - попередник зрілої м-РНК, що у трансляції. Про-м-РНК має великі розміри та містить фрагменти, що не кодують синтез поліпептидного ланцюга. Ці фрагменти отримали назву інтронів, що кодують фрагменти називаються екзонами.Процес вирізування інтронів та зрощування у строгому порядку екзонів називається сплайсинг.У процесі зрощування утворюється зріла м-РНК. Транспорт м-РНК з ядра в цитоплазму здійснюється через ядерні пори. Зрілі еукаріотичні м-РНК зазвичай кодують лише один поліпептидний ланцюг.