Организация потока генетической информации в клетке

1.

О
Оррггаанни
иззаац
ци
ияя ппооттооккаа ггееннеетти
иччеессккоой
йи
фооррм
иннф
маац
ци
ии
и
n Строение и функции ядра.
o Строение хромосом.
p Клеточный и митотический циклы.
q Способы деления клетки.
cБлагодаря
потоку генетической информации, клетка имеет оп-
ределенную структуру и выполняет определенные функции в течение
клеточного цикла, а также передает информацию дочерним клеткам.
В потоке генетической информации участвуют: ядро (ДНК хромосом, иРНК, переносящие информацию в цитоплазму), аппарат трансляции (рибосомы (рРНК), тРНК, ферменты, регуляторные белки), геномы
митохондрий и хлоропластов.
1

2.

Поток информации в клетке осуществляется в двух направлениях:
ДНК
транскрипция
трансляция
репликация ДНК (S-период интерфазы)
деление материнской клетки и образование
дочерних клеток (митоз)
полипептид
Основная
часть
генетической
информации находится в ядре, объем
которого составляет около 10% от общего объема клетки.
Ядро
состоит
нуклеоплазмы
из
оболочки
(внутреннего
и
содержи-
мого ядра).
2

3.

Оболочка ядра состоит из наружной
и внутренней мембран, а также содержит
ядерную пластинку. Наружная мембрана
связана
с
ЭР,
на
ней
расположены
рибосомы. Синтезированные здесь белки,
переносятся в межмембранное (перинуклеарное) пространство, которое связано с
ЭР.
Внутренняя
мембрана
содержит
белки, выступающие в качестве сайтов связывания ядерной пластинки,
контактирует с хроматином и ядерными РНК.
Ядерная пластинка – тонкая сетеподобная структура, состоящая из
промежуточных филаментов (диаметр 10 нм). К ядерной пластинке прикреплены поровые комплексы и белки ядерного матрикса. Ядерные поры
(их около 3-4 тыс.) обеспечивают транспорт веществ в цитоплазму и из
нее. Они образованы 9 глобулярными и 4 кольцевыми комплексами из
белков – нуклеопоринов, и имеют размеры около 130 нм. Диаметр канала
ядерной поры может меняться в пределах 6-12 нм.
3

4.

Нуклеоплазма – содержимое клеточного ядра, состоит из ядерного
матрикса, хроматина и ядрышка.
Ядерный матрикс (скелет) – нерастворимый материал, остающийся в ядре после биохимических экстракций. Он состоит из белков и РНК,
формирующих каркас ядра. Белки связывают определенные последовательности ДНК, образующие основание петель хроматина. Благодаря
точкам прикрепления хроматина, матрикс участвует в образовании хромосом, определяет локализацию генов, регулирует транскрипцию и репликацию ДНК.
4

5.

Хроматин: основными компонентами являются ДНК, гистоны и негистоновые белки (ДНП). Соотношение ДНК и белка составляет ~1:1,3, а основная масса белков хроматина представлена гистонами. Различают 2
вида хроматина: гетерохроматин (интенсивно окрашенные гранулы) и
эухроматин (светлые мелкозернистые участки).
Эухроматин характеризуется меньшей по сравнению с гетерохроматином компактизацией ДНК, в нем находятся активно функционирующие
гены. В процессе митоза, спирализуясь, хроматин образует хромосомы.
Ядрышко – высокоорганизованная шаровидная структура ядра.
Содержит большие петли ДНК, выступающие из хромосом, при этом каждая петля содержит кластер генов рРНК (клетки человека содержат
около 200 таких генов, распределенных в виде кластеров по пяти хромосомам). Каждый кластер – это район ядрышкового организатора.
Морфологически в ядрышке различают 3 основные зоны:
5

6.

1) фибриллярный центр содержит ДНК из области ядрышкового организатора, здесь происходит транскрипция генов рРНК.
2) плотный фибриллярной компонент - растущие цепи предшественников рРНК и связанных с ними белками, участвующие в процессинге первичного транскрипта.
3) гранулярный компонент – частицы предшественников субъединиц
рибосом, которые затем переносятся
специфическими белками от ядрышка
к оболочке ядра и далее к цитоплазме.
Функции ядра: хранение, передача и реализация генетической информации, регуляция
процессов
жизнедеятельности клетки.
6

7.

d Метафазная хромосома состоит из 2-х хроматид, соединенных друг с
другом в области первичной перетяжки (центромеры), которая делит
хромосому на 2 плеча. Длина хромосом 0,2-5,0 мкм, ширина 0,2-2,0 мкм.
Хроматида – одна непрерывная молекула ДНК, имеющая в комплексе с белками 4 уровня упаковки (компактизации). Каждая хромосома
имеет белковый каркас – структуру, аналогичную ядерному матриксу.
7

8.

Центромера – область конституционного гетерохроматина, удерживающая
хроматиды вместе и содержащая кинетохор. Это двухслойная структура, состоящая из наружной и внутренней пластинки,
специальной группы белковых микротрубочек (у человека от 20 до 40 кинетохорных нитей). Эти нити отходят от обеих сторон хромосом и взаимодействуют с нитями митотического веретена.
Некоторые хромосомы имеют вторичные перетяжки, отделяющие
спутники. Спутник – конденсированный участок гетерохроматина в районе
ядрышкового организатора акроцентрических хромосом. Спутники не содержат генов и являются полиморфными участками.
Теломеры – концевые участки плеч. Это повторяющиеся (от 650 до
25000 раз) последовательности (ТТАГГГ) замкнутые в петлю. Петли теломер предотвращают слипание концов разных хромосом и делают их
8

9.

недоступными для ферментов репарации. В некоторых типах клеток эта
последовательность может продлеваться специальным ферментом теломеразой, который компенсирует потерю отдельных нуклеотидов после репликации. Причиной укорачивания теломер является невозможность замены первого РНК-праймера
на ДНК при репликации ее 3' конца.
Многие соматические клетки лишены
теломеразы, поэтому их теломеры
постепенно укорачиваются в процессе онтогенеза. У постоянно размножающихся клеток существует сложный механизм регуляции теломеразной активности. Для опухолевых
клеток характерно резкое повышение активности теломераз, обеспечивающих их иммортализацию.
Существуют также политенные (гигантские) хромосомы (в клетках
слюнных желез некоторых насекомых) и хромосомы типа «ламповых
щеток» (в овоцитах млекопитающих).
9

10.

Кариотип – совокупность набора хромосом соматической клетки
организма определенного вида, характеризующаяся определенным числом, формой и набором генов. Кариотип человека содержит 22 пары аутосом и пару половых: Х и Х у женщины и Х и Y у мужчины.
Идиограмма (систематизированный кариотип) – попарное расположение хромосом в порядке убывания их размеров.
1960 г. Денверская классификация хромосом человека основана на
различиях формы, положения центромеры, значении центромерных индексов, наличии вторичных перетяжек и спутников. Согласно этой классификации хромосомы человека распределяют на 7 групп (от A до G).
10

11.

A
B
1
2
3
4
5
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
19.
20.
21.
22.
У
Х
C
6
7
8
D
9
10
11
12
E
13
14
15
16
17
18
F
19
20
21
22
Х
G
Y
1971 г. Парижская классификация хромосом человека основана на
методах окрашивания (бэндинга), позволяющих выявить комплекс поперечных полос (бэндов) на хромосоме.
11

12.

G-окрашивание – обработка трипсином и окрашивание красителем
Гимзы. В световой микроскоп в хромосомах видны светлые и темные
полосы (G-сегменты).
R-окрашивание обработка хромосом горячим фосфатным буфером и окрашивание красителем Гимза либо флуорохромом оранжевым
акридином. Маркируются G-отрицательные участки хроматина.
С-окрашивание – окрашивание раствором гидроокиси бария при
60o С в красителе Гимза. Выявляет центромерные районы хромосом и
участки структурного гетерохроматина.
Т-окрашивание – анализ теломер хромосом и районов ядрышковых организаторов при окрашивании азотнокислым серебром.
Для унификации цитогенетических исследований разработана Международная цитогенетическая номенклатура хромосом человека (ISCN,
1978). Эта номенклатура подробно описывает каждую хромосому: ее порядковый номер, плечо (р - короткое плечо, q - длинное плечо), район,
полосу и даже субполосу. Например, 3р12 обозначает 3-ю хромосому,
короткое плечо, район 1, полосу 2.
12

13.

e Клеточный цикл – совокупность периодов существования клетки от момента ее появления путем деления материнской клетки до ее
собственного деления или гибели.
Клеточный цикл соматических клеток может включать периоды:
• рост и дифференцировка;
• выполнение специфических функций;
• период покоя;
• подготовка клетки к делению;
• старение;
• деление;
• смерть.
Митотический цикл – совокупность согласованных во времени
событий, происходящих в процессе роста и подготовки клетки к делению (интерфаза) и в течение самого деления (митоз).
Продолжительность клеточного цикла сильно варьирует в разных
типах клеток. При дроблении эмбриона – 30 минут, в клетках культивируемых на искусственной питательной среде она примерно составляет 22
часа.
13

14.

Регуляция клеточного цикла:
1. Система контроля в сверочных точках (точках рестрикции), основанная на взаимодействии специальных белков (циклин-зависимых
киназ и циклинов) регулирующих запуск пролиферативных процессов.
2. Внешние факторы контролируют рост и деление клеток. Это
достаточное количество субстратов для роста, наличие свободного
пространства, секреция окружающими клетками факторов, стимулирующих или угнетающих рост и деление и т.д. К таким факторам относятся "митогенетические лучи" и "раневые гормоны".
Характеристика периодов интерфазы:
Период G1 – клетка, растет, в ней увеличивается число рибосом,
ускоряется синтез белков и нуклеотидов ДНК, накапливается АТФ, происходит удвоение центросом. В точке рестрикции проверяется размер
клетки (ЯЦО) и наличие повреждений генетического материала. Продолжительность периода – 10 часов. 2n1хр2с.
Клетки, не прошедшие проверку могут задерживаться в G1 периоде или подвергаться апоптозу.
14

15.

Период Gо характерен для соматических клеток, которые дифференцированы для выполнения специфических функций и никогда не
будут делиться (нейроны). Для некоторых клеток при определенных
условиях существует возможность возврата из Gо в G1 (гепатоциты).
В S период происходит репликация ДНК (кроме центромерных
участков), каждая хроматида достраивает себе подобную. Продолжается синтез РНК, АТФ и белков-гистонов. Клетка продолжает выполнять
свои функции. Длится период 7,5 часа. 2n2хр4c.
В период G2 в клетке усиливается образование лизосом, синтезируются субъединицы белков тубулинов, происходит удвоение митохондрий, накапливается АТФ. В конце периода все синтетические процессы затухают, меняется вязкость цитоплазмы. Продолжительность
периода 3,5 часа. 2n2хр4с.
В сверочной точке в конце G2 периода проверяется полноту прошедшей репликации ДНК и наличие удвоения центросом. Клетки не
прошедшие проверку останавливают свой клеточный цикл.
15

16.

16

17.

fСуществует 2 способа деления эукариотических клеток: амитоз и митоз.
А
Ам
мииттоозз – прямое деление интерфаз-
ного ядра путем перетяжки, без образования хромосом. Амитоз может сопровождаться делением клетки, а также ограничиться делением ядра без разделения цитоплазмы, что ведет к образованию безъядерных, дву- и многоядерных клеток. Амитоз встречается в специализированных,
обреченных на гибель или опухолевых клетках. Клетка, претерпевающая амитоз, в дальнейшем не способна вступить в митотический цикл.
М
Мииттоозз – (mitos – нить) непрямое деление клетки, при котором
делению ядра клетки предшествует образование нитей веретена деления и спирализация хромосом. Продолжительность митоза – 0,5-3 ч. В
результате митоза из одной материнской клетки образуется две дочерние с точно таким же набором генетической информации.
17

18.

Характеристика фаз митоза:
Профаза:
хроматина,
спирализация
расхождение
цен-
тросом к полюсам клетки, формирование
веретена
деления,
растворение ядрышек. 2n2хр4с
Прометафаза: фрагментация ядерной оболочки, увеличение объема ядра, формирование
кинетохоров и их прикрепление
к нитям митотического веретена.
Хромосомы устремляются к экватору клетки. 2n2хр4с
18

19.

Метафаза: хромосомы максимально спирализованы, располагаются в одной экваториальной плоскости
(метафазная
пластинка).
2n2хр4с
В этой фазе клетка проходит
проверочную точку на прикрепление
нитей веретена деления к кинетохорам.
Анафаза:
репликация
цен-
тромерных участков ДНК, деление
хромосом на две хроматиды, сокращение нитей веретена деления,
расхождение хроматид к полюсам.
2n1хр2с у каждого полюса.
19

20.

Телофаза:
формирование
оболочек ядер будущих дочерних
клеток,
деспирализация
хромо-
сом, появление ядрышек, исчезновение митотического аппарата.
Митоз заканчивается цитокинезом. Деление цитоплазмы в животных клетках происходит путем
кольцевой перетяжки. Образуется 2
клетки, в которых набор генетического материала 2n1хр2с.
20

21.

Значение митоза:
• равномерное распределение дочерних хромосом и содержащейся в них генетической информации между дочерними клетками,
• поддержание постоянства кариотипа и генетической преемственности в клеточных поколениях,
• обеспечение роста, развития и регенерации организмов.
Разновидности митоза:
1. Эндомитоз – удвоение хромосом без деления ядра, что приводит к образованию полиплоидных клеток.
2. Политения – многократная репликация хроматид без их расхождения – образуются гигантские многохроматидные (политенные) хромосомы.
3. Мейоз.
Нарушения митоза:
1. Повреждение веретена деления (геномные мутации).
2. Повреждение хромосом (хромосомные мутации).
3. Нарушение цитокинеза.
21

22.

Мейоз – деление соматических клеток половых желез, в результате
чего образуются гаметы. Мейоз протекает в 2 этапа – мейоз I и мейоз II.
Профаза I состоит из 5 стадий:
¾ лептотена
происходит
(leptos
–
спирализация
тонкий):
хромо-
сом, они видны в виде тонких нитевидных структур; 2n2хр4с
¾ зиготена (zygon – парный): происходит конъюгация гомологичных
хромосом, образуются биваленты и
синаптемальный комплекс, гомологи плотно присоединены друг к другу по всей длине; 1nбив4хр4с
¾ пахитена (pahys – толстый): происходит кроссинговер обмен одинаковыми участками несестринских хроматид гомологичных хромосом, образуются
хиазмы (места перекреста); 1nбив4хр4с
22

23.

¾ диплотена (diplos – двойной):
между центромерами хромосом возникают силы отталкивания, синаптемальные
комплексы
разрушаются,
но хромосомы остаются соединенными в области хиазм; 1nбив4хр4с
¾ диакинез: продолжается спирализация
хромосом,
разрушается
ядерная оболочка и ядрышки, центросомы
расходятся
к
полюсам
клетки, формируется митотический
аппарат. 1nбив4хр4с
Метафаза I: на экваторе клетки расположены биваленты, прикрепленные центромерами к нитям
веретена деления. 1nбив4хр 4с
23

24.

Анафаза I: хиазмы распадаются, биваленты
делятся на две гомологичные хромосомы, нити веретена деления сокращаются, хромосомы, состоящие из двух хроматид расходятся к полюсам. Расхождение хромосом отцовского и материнского происхождения носит независимый характер 1n2хр2с у полюсов клетки.
Телофаза I не отличается от таковой митоза,
за исключением того, что не происходит деспирализация хромосом. В результате мейоза I образуются 2 гаплоидные дочерние клетки – 1n2хр2c.
После окончания мейоза I наступает интеркинез – короткая интерфаза при которой не происходит репликации ДНК и удвоения хроматид.
24

25.

Мейоз II протекает по типу митоза, но есть некоторые особенности.
В профазу II не происходит спирализация хромосом. Набор генетического материала - 1n2хр2с.
В метафазе II на экваторе клетки располагается гаплоидный набор хромосом, каждая из которых состоит из двух хроматид. 1n2хр2с.
В анафазу II к полюсам клетки отходят хроматиды (дочерние
хромосомы),
и
содержание
генетического
материала
становится
1n1хр1с у каждого полюса. В телофазе II образуются клетки с 1n1хр1с.
В результате мейоза из 1 диплоидной материнской клетки образуются 4 дочерние с гаплоидным набором хромосом.
Значение мейоза:
ƒ является механизмом образования гамет,
ƒ поддерживает постоянство кариотипа при половом размножении,
ƒ обеспечивает перекомбинацию генетического материала.
Нарушения мейоза:
1. Образование гамет с измененным набором хромосом.
2. Образование гамет с хромосомами измененной структуры.
25