Тема: Клітинні органели. Клітинне ядро, хромосоми, рибосоми. Синтез білка.

Мета: ознайомитися з будовою ядра клітини, хромосом і рибосом.

Матеріали і обладнання: мікроскоп, постійні та тимчасові біологічні препарати, соковита луска цибулі, розчин Люголю, предметні і покривні скельця, препарувальна голка, пінцет, скальпель, піпетки, таблиці, мікрофотографії.

Клітинне ядро – це інформаційний центр клітини. Головними функціями ядра є наступні:

- зберігання генетичної інформації;

- передавання генетичної інформації у цитоплазму (транскрипція);

- передавання генетичної інформації дочірнім клітинам (реплікація).

Частіше за все ядро розміщується у центрі клітини, окрім клітин рослин, де воно може бути зміщено до периферії за рахунок збільшення вакуолі. Воно може бути сферичним, яйцеподібним, рідше сегментованим, витягнутим у довжину або веретеноподібним, а також іншої форми. Діаметр варіює від 0, 5 мкм (у грибів) до 500 мкм (у яйцеклітин), в середньому – близько 5 мкм. Положення, форма і розміри ядра можуть змінюватися. Деякі клітини у зрілому віці можуть не мати ядра (еритроцити, специфічні клітини покритонасінних). Дуже великі клітини можуть мати велику кількість ядер (клітини м’язів людини – м'язове волокно).

Ядро складається з нуклеоплазми, хромосом, ядерець і ядерної оболонки. Нуклеоплазма містить рідку частину, ядерний матрикс (складається з колоїдних розчинів білків і інших речовин) і різноманітні включення (рис. 13, 14). Хромосоми – це витягнені у довжину нуклеопротеїдні структури (рис. 15, 16). Протягом клітинного циклу відбувається зміна 2-х фізіологічних форм хромосом: 1) транспортної – під час поділу клітини (хромосоми компактні, спіралізовані, їх легко ідентифікувати); 2) функціональної – в проміжках між поділами (хромосоми рихлі, розкручені, їх не можна розрізнити). Хромосоми складаються з хроматину, який містить близько 40% ДНК, 40% білків – гістонів, близько 20% негістонових хромосомних білків і невеликої кількості РНК.

Хромосоми під час поділу мають довжину 0, 2–20 мкм і на початку поділу складаються з 2-х ідентичних хроматид. Головний елемент кожної хроматиди – нуклеопротеїдна структура, яка, окрім білків, містить довгу подвійну спіраль ДНК.

Будова однієї хромосоми на різних ділянках неоднакова. В хромосомі розрізняють первинну перетяжку і два плеча. Первинна перетяжка, або центромера – найбільш спіралізована частина хромосоми. На ній розміщений кінетохор (гр. kinesis – рух, phoros – той, що несе), до якого під час поділу клітини кріпляться нитки веретена поділу.

Місце розташування центромери в кожної пари хромосом постійне, воно обумовлює їх форму (рис. 12).

Рис. 12 – Типи хромосом: а – метацентричні; б – субметацентричні;

в – аероцентричні; г – телоцентричні

Метацентричні хромосоми мають плечі майже однакової довжини; в субметацентричних плечі нерівні; акроцентричні хромосоми мають паличковидну форму з дуже коротким, майже непомітним другим плечем. Можуть виникати і телоцентричні хромосоми – як результат відриву одного плеча, коли центромера розташована на кінці хромосоми. В нормальному каріотипі такі хромосоми не зустрічаються.

Ядерце – це сферичні щільні ділянки клітинного ядра діаметром менше 1 мкм. Ядра містять 1-–7, у середньому 2 ядерця. Деякі клітини не мають ядерця (дріжджі). В ядерцях відбувається синтез рРНК (рибосомальна РНК). Головною складовою частиною є ядерцева ДНК, на якій відбувається копіювання рРНК за принципом комплементарності, також вони містять білок і РНК.

Ядерна оболонка складається з 2-х мембран, між якими міститься перинуклеарний простір. Ядерна оболонка зв’язана з ендоплазматичним ретикулумом. На ній можна чітко побачити ядерні пори. Через ядерні пори до ядра надходять рибосомальні білки і всі білки клітинного ядра, які синтезуються у цитоплазмі.

Рис. 13 – Ядро клітини. А – спостерігаємо чисельні вирости, які свідчать про високий рівень метаболізму; Б – видно зовнішню і внутрішню мембрани, темний гетерохроматин і зернистий світлий еухроматин

Рис. 14 – Будова клітинного ядра

Рис. 15 – Електронна мікрофотографія ДНК хромосоми людини

Рис. 16 – Порівняння хромосом тритона, людини і дрозофіли

Рибосоми здійснюють біосинтез білка і, таким чином, реалізують генетичну iнформацiю. Кожна клітина мiстить від десяткiв тисяч до мільйонів цих кулеоподібних рибонуклеопротеїдних часток розміром 20–30 нм. Рибосома складається з 2-х неоднакових субодиниць (рис. 17). Вони утворюються окремо і об’єднуються на мРНК (матрична РНК, або іРНК – інформаційна РНК). Декілька рибосом можуть бути пов’язані ланцюгом мРНК у полісому (полірибосому).

80S-рибосоми (S-константа седиментації в одиницях Сведберга), більші за розмірами, знаходяться у цитоплазмі еукаріотичної клітини. Вони можуть бути разом з мРНК – пов’язані з ендоплазматичним ретикулумом. Їх субодиниці синтезуються у клітинному ядрі. 70S-рибосоми містяться у цитоплазмі прокаріотичної клітини та у пластидах і мітохондріях еукаріотичної клітини. Рибосоми 70S і 80S розрізняються, окрім розмірів, за складом РНК і білка. Структурною основою кожної субодиниці є молекула рРНК. Рибосомальні білки схожі із гістонами.

Інформація про структуру білка закодована у ДНК, яка безпосередньо у його синтезі участі не бере, а слугує лише матрицею для синтезу мРНК. мРНК – це своєрідний " посередник", який переносить генетичну інформацію з ДНК до місця синтезу білка. Молекула мРНК за принципом комплементарності синтезується на одному з ланцюгів ДНК – відбувається процес транскрипції. Транскрипція відбувається наступним чином. ДНК розкручується, водородні зв’язки між азотистими основами на цій ділянці розриваються. На одному з ланцюгів ДНК йде синтез мРНК: вздовж ланцюга рухається фермент РНК–полімераза, яких з’єднує між собою нуклеотиди у ланцюг мРНК. Транскрипція може відбуватися одночасно на декількох генах однієї ДНК і на генах різних молекул ДНК. Синтезована мРНК відокремлюється від ДНК і через пори ядерної мембрани надходить до цитоплазми. До неї прикріплюються мала та велика субодиниці рибосоми.

У процесі синтезу білка рибосома захищає білок, що синтезується, від руйнівної дії клітинних ферментів, бо початкова частина синтезованої молекули знаходиться у каналоподібній структурі великої субодиниці рибосоми. Полісоми підвищують ефективність біосинтезу за рахунок того, що одночасно синтезується декілька поліпептидних ланцюгів.

Синтез білка (трансляція) починається зі стартового кодону АУГ (за генетичним кодом). Молекула мРНК триплет за триплетом просувається через рибосоми, таким чином, число амінокислот у білку, що утворюється, відповідає кількості триплетів мРНК. Вибудовування амінокислот у відповідності з кодонами мРНК здійснюється на рибосомах за допомогою тРНК (транспортна РНК). Кожна тРНК має акцепторний кінець, до якого приєднується активована амінокислота (активація відбувається за участі аміноацил–тРНК–синтетази). Така активована амінокислота здатна утворювати пептидний зв’язок. У протилежній частині тРНК знаходиться специфічний триплет (антикодон), який відповідає за прикріплення за принципом комплеметарності до відповідного триплету мРНК (кодону). Комплекс амінокислота–тРНК приєднується до кодону мРНК на малій субодиниці рибосоми. Потім до тієї ж рибосоми прикріплюється другий комплекс у відповідності з наступним кодоном. У рибосомі з’являються дві амінокислоти, між якими утворюється пептидний зв’язок. Перша тРНК, звільнившись від амінокислоти, залишає рибосому. Таким чином до дипептиду добудовується третя амінокислота, четверта та інші. Цей процес продовжується доти, поки рибосома не досягне одного з термінуючих кодонів: УАА, УАГ або УГА. На цьому синтез певної молекули білка закінчується.

Після завершення синтезу білка молекула мРНК під дією ферментів розпадається на окремі нуклеотиди. Кожний етап біосинтезу каталізується відповідними ферментами і забезпечується енергію за рахунок розщеплення АТФ. Синтезовані білки надходять до каналів ендоплазматичного ретикулуму, де відбувається їх дозрівання. Синтез однієї молекули білка триває 3–4 с.

Рис. 17 – Схема будови рибосоми: 1 – мала субодиниця; 2 – мРНК; 3 – тРНК; 4 – амінокислота; 5 – велика субодиниця; 6 – мембрана ендоплазматичного ретикулуму; 7 – поліпептидний ланцюг, що синтезується