Будова ядра

ПЛАН

ВСТУП

1. Історія відкриття

2. ПОНЯТТЯ ПРО ГЕНЕТИЧНИЙ АПАРАТ КЛІТИНИ

2.1. Будова ядра

2.2. Структура та морфологія хромосом

2.3. Хімічний склад хромосом

2.4. Еухроматин і гетерохроматин

2.5. Політенні хромосоми

2.6. Каріотип

3. МОЛЕКУЛЯРНІ ОСНОВИ СПАДКОВОСТІ

3.1.Особливості будови ДНК

ВИСНОВОК

5. Перелік використаних інформаційних джерел

ВСТУП

Рушійними факторами еволюції є нерозривно пов’язані між собою спадковість, мінливість і добір, що вперше було доведено Ч. Дарвіном (1859).

Наука про спадковість і мінливість живих організмів в онтогенетичному філогенетичному їх розвитку та методи управління цими процесами названа генетикою (від грецького genesis –походження). За відносно короткий період свого розвитку вона вийшла на передній край природознавства. Різноманітність життєвих форм і процесів може осмислена як єдине ціле лише в рамках генетики.

Для сучасної генетики характерним є, з одного боку, вплив на неї принципів і методів досліджень точних наук (математики, кібернетики, фізики, хімії), а також всезростаючий зв'язок її з іншими біологічними науками, з другого боку, сама генетика надзвичайно швидко диференціюється і окремі її розділи перетворюються в окремі науки. Так, за короткий період поряд із загальною генетикою, генетикою рослин і тварин виникли: цитогенетика, генетика мікроорганізмів, генетика вірусів, генетика хлоропластів, генетика мітохондрій, математична генетика, біохімічна генетика, космічна генетика, еволюційна генетика тощо.

Важливою рисою становлення сучасної генетики є те, що значний прогрес у вивченні спадковості і мінливості не заперечив, анітрохи не зменшив значення відкриттів, зроблених від її зародження до сьогодення. Навпаки, попередні відкриття ставали фундаментом для подальшого бурхливого розвитку, якого не переживала жодна наука за такий історично короткий період.

1. Історія відкриття

В 1831 році англійський природознавець Роберт Браун вивчав різні види рослин, зразки яких він зібрав під час подорожі до Австралії. Браун був дуже уважним до деталей, а клітини рослин особливо цікавили його. Розглядаючи їх під мікроскопом, він побачив дещо цікаве: кожна клітина містила круглий і непрозорий елемент. Він назвав його ядром.

Дізнавшись про спостереження Брауна, німецький фізіолог Теодор Шванн почав шукати подібні елементи в клітинах пуголовків і знайшов. Кожна клітина містила ядро. Це був революційний прорив — свідчення того, що всі види життя пов'язані між собою. В одній із книг Шванн описав різні типи клітин, взяті від різноманітних організмів і визначив їх за фактом наявності ядра.

Усвідомлення того, що є елемент спільний для всіх організмів, не тільки для рослин, а й для тварин, поєднало рослинне і тваринне царство у щось спільне, щось, що мало однакові риси.

2. ПОНЯТТЯ ПРО ГЕНЕТИЧНИЙ АПАРАТ КЛІТИНИ

Клітина - це елементарна структурно-функціональна життєва одиниця. Вона визначає структуру та розвиток живих істот.

Ще в 1855р. Р.Вірхов висунув фундаментальне положення - «кожна клітина від клітини», в якому сконцентровано уявлення про само відтворення клітини. Компоненти клітини, структурно-функціональна єдність яких забезпечує збереження, реалізацію та передачу спадкової інформації при розмноженні є генетичним апаратом клітини. Тривалий час вважали, що лише ядро є місцем локалізації генетичного матеріалу еукаріот. Лише на початку ХХ ст. Було знайдено ще такі органоїди цитоплазми як пластиди та мітохондрії, які також несуть певну кількість спадкової інформації. Генетичний матеріал організму-це сукупність носіїв його спадкової інформації-молекул ДНК і РНК.

Схематичне зображення організації генетичного апарату клітини предсталене на рис. 2

Будова ядра

Ядро –обовязкова частина будь-якої клітини як рослинної, так і тваринної. Від цитоплазми ядро відділене ядерною оболонкою, складається з двохмембран зовнішня ядерна мембрана зв’язана каналами ЕПС.

Ядерний сік, або каріоплазма, у виді неоструктурної маси оточує хромосоми і ядерця. Він кисліший за цитоплазму, що було визначено шляхом мікроін’єкції індикаторів.В ядерному сокові містяться ферменти, які беруть участь в синтезі нуклеїнових кислот, рибосом.

Ядерце - це постійна частина типового інтерфазного ядра, але відсутня під час поділу. За фізичними властивостями воно є найбільш щільною частиною ядра.В ньому міститься велика кількість РНК, кислих білків фосфопротеїнів. В ядерці відбувається синтез рибосом.

Хромосоми є основною функціональною частиною ядра.

2.2. Структура та морфологія хромосом

Хромосоми - це характерні структури генетичного матеріалу, який є обов’язковим компонентом ядра клітини. Вони мають особливу організацію, здатні до само відтворення і збереження своїх властивостей у кількох клітинних поколіннях. Кожна хромосома має певні морфологічні і генетичні особливості.

Хромосоми, знаходячись в ядрі, з давніх-давен цікавили дослідників як ймовірні носії закодованої спадкової інформації. Число, форма і розмір хромосом постійні у кожного індивідума і, загалом, у кожного виду. Прослідкувавши, як передають від покоління до покоління гени, контролюючи певні ознаки, можна упевнетись, що характер її передачі співпадає з характером передачі хромосом.

Хромосоми - (греч. chroma-колір, фарба, soma-тіло) -це окремі, добре помітні в оптичний мікроскоп структури, що формуються в профазі мітозу та мейозу завдяки спіралізації хроматину. Основу хромосоми становить одна безперервна дволанцюгова молекула ДНК. Довжина хромосом становить від 0, 2 до 20мкм.

Кожна хромосома складається з двох хроматид, які є структурними елементами хромосом в певній фазі клітинного циклу. Хроматини утворюються в інтерфазі внаслідок реплікації ДНК та хромосом.в анафазі сестринськи хроматини розходяться до протилежних полюсів клітини і стають самостійними хромосомами (рис. 2, 3).

Рис. 2. Хромосома після реплікації ДНК

Рис. 3. Електронна мікрофотографія метафазної хромосоми

Тіло хромосоми розділяється первинною перетяжкою на два плеча. Первинна перетяжка (центромера, кінетохор) є світлішою, неспіралізованою ділянкою хромосоми. Центромера виконує функцію механічного центру хромосоми. Вона визначае орієнтацію хромосоми у мітозі і їх правильне розташування до полюсів. Якщо порушити тонким пучком ультрафіолетових промінів цю ділянку, то хромосоми втрачають рухомість в анафазі мітозу чи мейозу [10].

Зони хромосоми, що розміщені від центромери до половини довжини кожного плеча, називаються проксимальними. Зони другої половини плечей хромосоми, що знаходяться на дальшій віддалі від центромер, називаються дистальними.

Деякі хромосоми, крім первинної, мають ще й вторинну перетинку (нитку супутника), за допомогою якої утримується сегмент хромосоми – супутник. Деякі вторинні перетинки пов’язанні з утворенням ядерець – це ядерцеві організатори, в яких локалізуються гени, що відповідають за синтез р-РНК в ядерцях. Зустрічаються хромосоми, які на одному плечі мають подвійні (тандемні) супутники, що приєднуються двома вторинними перетяжками.

Кінцеві (термінальні) ділянки хромосоми називають – теломерами. Вони часто збагачені гетеро хроматином і забезпечують цілісність хромосом та перешкоджають злипанню їх кінців.

Структура хромосом починає проглядатися в профазі. На початку профази хромосоми мають вигляд тонких ниток. На цих нитках помітні темно забарвлені зернятка, або хромомери. Потім в профазі хромосоми потовщуються і метафазі являють собою вкорочені і потовщені утворення.При цьому вже в профазі спостерігається повздовжнє подвоєння хромосом – вони складаються з двох хроматид.

Хромосоми в інтерфазі складаються з ниток, які були названі хроматидами (від грецького – chroma – колір і eidos – подібний). Хроматиди утворені з нуклеїдних ниток хромонем, число яких у хроматид різноманітне від 2-1600 (у політенній хромосомі). Товщина кожної з них становить від 20-200 А. Хромонеми, в свою чергу, складаються з більш дрібних субодиниць – хромофібрил. Хромофібрили видно лише в електронному мікроскопі вони являють собою елементарні лінійні субодиниці і складаються з ДНК.

ДНК в хромосомах упаковано в нуклепротеїди, до складу яких входять також гістонові та негістонові білки (рис. 4).

Рис. 4. Організація ДНК в метафазній хромосомі

2.3. Хімічний склад хромосом

Вивчення молекулярної будови хромосом призвело до висновку, що в основі їх лежать ДНК, РНК і білки.

На сьогодні, все з більшою ясністю стає відомо, що ДНК належить головна роль в передачі спадкових властивостей. Хімічна назва ДНК – дезоксирибонуклеїнова кислота; РНК – рибонуклеїнова кислота. Про будову ДНК і РНК детальніше буде далі.

Крім нуклеїнових кислот, в склад хромосом входять білки – пістони; деякі ферментативні білки, наприклад, ДНК = полімераза, яка регулює реплікацію молекули ДНК в момент її синтезу. Також в хромосомах знайшли ліпіди і неорганічні комплекси: Са, Мg, Fe та інші. Вся ця конструкція хромосом на молекулярному рівні повністю ще не відома. Але є припущення, що віссю хромосом є ДНК в комплексі з білком, який отримав назву залишковий, тому що при видаленні гістонів конструкція хромосомів не руйнується. Одні дослідники припускають, що молекула ДНК в хромосомі нерозривна, інші ж допускають, що вона розривається ділянками іншої природи (білковими містками або неорганічними комплексами). Молекулярна, субмолекулярна і мікроскопічна структура хромосоми як єдиної цілої системи залишається до цих пір не ясною.

2.4. Еухроматин і гетерохроматин

Хромосоми по своїй осі не однорідні як хімічно так і фізично та генетично при фіксації основними фіксаторами різні ділянки, а й інколи цілі хромосоми дають різні реакції. Одні ділянки інтенсивно забарвлюються – їх називають гетерохроматиновими, інші – слабше забарвлюються, вони названі еухроматиновими (рис. 5).

Рис. 5. Мікрофотографія еухроматинових та гетерохроматинових ділянок.

Гетерохроматинові і еухроматинові ділянки мають різні генетичні властивості. Перші майже не містять генів і спадково інертні, тоді як другі – складаються з генів і спадково активні. Штучне переміщення еухроматинових ділянок до інертних спричинює зміни прояву генів, які в них містяться. Гетерохроматинові ділянки розкидані по всій довжині хромосоми, але частіше розташовані поблизу центромери. В них частіше виникають розриви. Ніж у еухроматинових ділянках чи на межі з останніми [2, 3].

Існують деякі види хромосом, які в основному складаються з гетерохроматину. До таких хромосом належать В- і У-хромосоми. Ці хромосоми, а також гетерохроматинові ділянки звичайних хромосом протягом всього клітинного циклу і особливо в інтерфазі можуть знаходитись у конденсованому – пікнотичному стані. У щитівок у такому стані можуть знаходитись цілі набори хромосом. Є припущення, що гетерохроматинові ділянки хромосом мають сильно спаралізований стан. Еухроматинові ділянки в інтерфазі деспіралізуються, що може вказувати на їх більш високу метаболітичну активність.

2.5. Політенні хромососми

Дуже цінною знахідкою для вчених цитологів та генетиків стала гігантська хромосома, яку вперше виявив італійський цитолог Є.Бальбіані в 1881р. у слинних залозах личинок хіраномуса. Пізніше така структура була виявлена в клітинах найпростіших, комах та синергідах деяких рослин, наприклад, у гороху. Найбільш типові гігантські хромосоми можна зустріти в слинних залозах мухи.

Утворюються такі хромосоми за рахунок того, що в клітинах алюмних залоз протягом періоду личинки не відбувається цитокінез, а реплікація хромосом здійснюється без їх розходження. Внаслідок такого ендомітозу хромосома набуває вигляду пучка хромонем, за що одержала назву політ енної.

Кожна гігантська хромосома може нараховувати до 800 хромонемних ниток, а завдяки соматичній кон’югації їх кількість збільшується вдвоє. При кон’югації гомологів хромонеми збігаються, утворюючи поперечні диски. Політенна хромосома в 100-200раз довша і в 1000раз товстіша від звичайних хромосом.

З відкриттям гігантських хромосом цитогенетика помітно збільшила можливості цитологічного контролю різноманітних генетичних процесів.

2.6. Каріотип

Сукупність набору хромосом клітини і, загалом, організму називають каріотипом. Каріотипування відіграє важливу роль у в ідентифікації хромосом. Для цього набір хромосом мета фазної клітини фотографують або змальовують за допомогою рисувального апарату. Після цього в результаті довгого ототожнення гомологічних хромосом складають каріограми організму.

Індивідуальна характеристика хромосом в каріотипі показує, що хромосомні набори індивідуальних видів різноманітні і відрізняються не лише по формі, а й по розміру. Аналіз каріотипів багатьох видів показав, що не існує в природі двох однакових каротипів, азначить і видів.

3. МОЛЕКУЛЯРНІ ОСНОВИ СПАДКОВОСТІ

3.1.Особливості будови ДНК

Розшифрування структури молекули ДНК, виконане американським вірусологом Дж. Уотсоном та англійським фізіологом Ф. Кріком в 1953р. допомогло їм створити молекулярну модель цього складного полімеру (рис. 6).

Рис. 6. Модель організації ДНК Уотсона-Кріка

Головні риси моделі були описані Уотсоном і Кріком, коли вони дійшли висновку, що ДНК – це високомолекулярний полімер, який складається з двох полінуклеїнових ланцюгів.Мономерами кожного ланцюга є дезоксирибонуклеотиди. Розмір кожного нуклеотиду в поздовжньому вимірі молекули дорівнює 3.4 А⁰.

Ці ланцюги утворюють право закручені спіралі, кожний виток якої містить по 10 основ. Ланцюги полімеру закручені в спіраль один навколо другого і навколо загальної осі. Фосфатні групи цих ланцюгів містяться із зовнішньої сторони, а азотисті основи – всередині спіралі.

Довжина одного витка спіралі дорівнює 32 А⁰, а її діаметр – 20 А⁰. Ланцюги спіралі утримуються між собою за допомогою водневих зв’язків, які утворюються між парами аденін – тимінового (А - Т) та гуанін – цитозинового (Г- Ц) дизоксорибонуклеотидів. Пари А – Т та Г – Ц є специфічними в складі подвійної спіралі бо в нормі саме між гуаніном та цитозіном та між аденіном і тиміном у складі спіралі утворюються водневі зв’язки.

Мономером молекули ДНК є дезоксирибонуклеотид, до складу якого входять залишок молекули фосфорної кислоти, цукор дизоксорибоза та одна з чотирьох азотистих основ. Ці основи у складі ДНК представлені пуринами (аденін та гуанін) і піримідинами (тимін та цитозин) (рис. 7).

Рис. 7. Нуклеотиди ДНК

Всі типи нуклеотидів: аденіновий, гуаніновий, цитозиновий та тиміновий чергуються будови ланцюга в найрізноманітніших послідовностях. Послідовність головних валентностей нитки ДНК утворюються ефірними зв’язками між фосфорною кислотою і дезоксирибозоюю. Ці зв’язки утворюються атомами вуглецю молекулами цукру в 3’ та 5’ положенні.

Одна з важливих особливостей ДНК описується правилом еквівалентності, сутність якого полягає в тому, що в молекулах дезоксирибонуклеїнових кислот молярні відношення пуринів до піримідинів (або навпаки) дорівнюють одиниці (рис. 8).

Рис. 8. Комплементарність нуклеотидів в подвійному ланцюгу ДНК.

Ця закономірність відкрита Е.Чаргафом в 1950р. відіграла важливу роль у створенні дволанцюгової моделі молекули ДНК.

Спираючись на створену модель, Уотсон і Крік дійшли висновку, що оскільки будова молекули полімеру монотонно повторюється цукрово-фосфатні послідовності, а мінливими виявляються тільки послідовності азотистих основ, що генетична інформація може бути закодованою лише за допомогою послідовностей азотистих основ, які входять до складу нуклеотидів у молекулах ДНК можуть спричиняти лише мутації. Отже, була виявлена специфічність взаємного розташування азотистих основ, яку почали розглядати як матеріальну основу генетичного коду.

Зміст

ВСТУП

1. Біологічна роль клітинного ядра

2. Історія відкриття

3. Тонка структура клітинного ядра

3.1 Хроматин

4. Еволюційне значення клітинного ядра

5. Джерела

ВСТУП

У клітинній біології, ядро (лат. nucleus) — клітинна органела, знайдена у більшості клітин еукаріотів і містить ядерні гени, які складають більшу частину генетичного матеріалу. Ядро має дві первинні функції: керування хімічними реакціями в межах цитоплазми і збереження інформації, потрібної для поділу клітини.

Окрім клітинного геному, ядро містить певні білки, які регулюють зчитування генетичної інформації. Зчитування гена на ядерному рівні залучає складні процеси транскрипції, обробки первинної мРНК і експорт зрілої мРНК до цитоплазми.

Структура ядра. Ядро складається з декіль­кох компонентів, що виконують різні функції: ядер­на оболонка, каріоплазма, хроматин, ядерце.

Ядро круглої, кулеподібної, але може бути й іншої форми: паличкоподібне, серпоподібне, лопатеве. Форма ядра залежить від форми самої клітини і від функцій, які вона виконує. У клітинах з високою фізіо­логічною активністю форма ядер складна, що збільшує співвідношення поверхні ядра до його об'є­му. Наприклад, сегментоядерні лейкоцити мають багатолопатеве ядро.

Розміри ядра здебільшого залежать від розмі­ру клітини; при збільшенні об'єму цитоплазми зрос­тає й об'єм ядра. Здебільшого об'єм ядра займає біля 10—50 % об'єму клітини. Співвідношення об'ємів ядра і цитоплазми називається ядерно-цитоплазматичним співвідношенням. Зміна цього є одним із чинників клітинного поділу або порушення обміну речовин.

Ядро звичайно має розмір 8-25 мікрометрів у діаметрі. Воно оточено подвійною мембраною, яка називається ядерною оболонкою. Крізь внутрішню і зовнішню мембрани на деяких інтервалах проходять ядерні пори. Ядерна оболонка регулює і полегшує транспорт між ядром і цитоплазмою, відокремлюючи хімічні реакції, що відбуваються в цитоплазмі, від реакцій, що трапляються в межах ядра. Зовнішня мембрана безперервна з гранулярним ендоплазматичним ретикулумом (англ. RER) і може мати зв'язані рибосоми. Простір між двома мембранами (який називається «перинуклеарним простором») безперервний з люменом RER. Ядерна сторона ядерної оболонки оточена мережею проміжних філаментів, яка називається ядерною ламіною.

Внутрішня частина ядра містить одне або декілька ядерець, оточених матрицею, яка називається нуклеоплазмою. Нуклеоплазма (каріолімфа, ядерний сік, каріоплазма) — гелеподібна рідина (подібна у цьому відношенні до цитоплазми), в якій розчинені багато речовин. Ці речовини включають нуклеотид-трифосфати, сигнальні молекули, ДНК, РНК та білки (ензими та філаменти).

Ядро звичайно має розмір 8-25 мікрометрів у діаметрі. Воно оточено подвійною мембраною, яка називається ядерною оболонкою. Крізь внутрішню і зовнішню мембрани на деяких інтервалах проходять ядерні пори. Ядерна оболонка регулює і полегшує транспорт між ядром і цитоплазмою, відокремлюючи хімічні реакції, що відбуваються в цитоплазмі, від реакцій, що трапляються в межах ядра. Зовнішня мембрана безперервна згранулярним ендоплазматичним ретикулумом (англ. RER) і може мати зв'язані рибосоми. Простір між двома мембранами (який називається «перинуклеарним простором») безперервний з люменом RER. Ядерна сторона ядерної оболонки оточена мережею проміжних філаментів, яка називається ядерною ламіною.

Внутрішня частина ядра містить одне або декілька ядерець, оточених матрицею, яка називаєтьсянуклеоплазмою.