7. Строение

Фрагмент полимерной цепочки ДНК

Полимерные формы нуклеиновых кислот называют полинуклеотидами. Цепочки из нуклеотидов соединяются через остаток фосфорной кислоты(фосфодиэфирная связь). Поскольку в нуклеотидах существует только два типа гетероциклических молекул, рибоза и дезоксирибоза, то и имеется лишь два вида нуклеиновых кислот —дезоксирибонуклеиновая(ДНК) ирибонуклеиновая(РНК).

Мономерные формы также встречаются в клетках и играют важную роль в процессах передачи сигналов или запасании энергии. Наиболее известный мономер РНК — АТФ, аденозинтрифосфорная кислота, важнейший аккумулятор энергии в клетке.

ДНК и РНК

• ДНК — Дезоксирибонуклеиновая кислота.Сахар —дезоксирибоза, азотистые основания:пуриновые—гуанин(G),аденин(A),пиримидиновые—тимин(T) ицитозин(C). ДНК часто состоит из двух полинуклеотидных цепей, направленных антипараллельно.

• РНК — Рибонуклеиновая кислота.Сахар —рибоза, азотистые основания: пуриновые —гуанин(G),аденин(A), пиримидиновыеурацил(U) ицитозин(C). Структура полинуклеотидной цепочки аналогична таковой в ДНК. Из-за особенностей рибозы молекулы РНК часто имеют различные вторичные и третичные структуры, образуякомплементарныеучастки между разными цепями.

• Биосинтез белка происходит в два этапа. В первый этап входит транскрипцияипроцессингРНК, второй этап включаеттрансляцию. Во время транскрипции ферментРНК-полимеразасинтезирует молекулу РНК, комплементарную последовательности соответствующего гена (участка ДНК).Терминаторв последовательности нуклеотидов ДНК определяет, в какой момент транскрипция прекратится. В ходе ряда последовательных стадий процессинга из мРНК удаляются некоторые фрагменты, и редко происходитредактированиенуклеотидных последовательностей. После синтеза РНК на матрице ДНК происходит транспортировка молекул РНК в цитоплазму. В процессе трансляции информация, записанная в последовательности нуклеотидов переводится в последовательность остатков аминокислот.

Процессинг РНК

Между транскрипцией и трансляцией молекула мРНК претерпевает ряд последовательных изменений, которые обеспечивают созревание функционирующей матрицы для синтеза полипептидной цепочки. К 5΄-концу присоединяется кэп, а к 3΄-концу поли-А хвост, который увеличивает длительность жизни иРНК. С появлением процессинга в эукариотической клетке стало возможно комбинированиеэкзоновгена для получения большего разнообразия белков, кодируемым единой последовательностью нуклеотидов ДНК, —альтернативный сплайсинг.

Трансляция

Трансляциязаключается в синтезе полипептидной цепи в соответствии с информацией, закодированной в матричнойРНК. Аминокислотная последовательность выстраивается при помощитранспортных РНК, которые образуют с аминокислотами комплексы — аминоацил-тРНК. Каждой аминокислоте соответствует своятРНК, имеющая соответствующий антикодон, «подходящий» к кодонумРНК. Во время трансляции рибосома движется вдольмРНК, по мере этого наращивается полипептидная цепь. Энергией биосинтез белка обеспечивается за счётАТФ.

• Готовая белковая молекула затем отщепляется от рибосомы и транспортируется в нужное место клетки. Для достижения своего активного состояния некоторые белки требуют дополнительнойпосттрансляционной модификации.

8. Генети́ческий код — свойственный всем живым организмамспособкодированияаминокислотнойпоследовательностибелковпри помощи последовательностинуклеотидов.

В ДНКиспользуется четыре нуклеотида —аденин(А),гуанин(G),цитозин(С),тимин(T), которые в русскоязычной литературе обозначаются буквамиА,Г,ЦиТ. Эти буквы составляюталфавитгенетическогокода. ВРНКиспользуются те же нуклеотиды, за исключениемтимина, который заменён похожим нуклеотидом —урацилом, который обозначается буквойU(Ув русскоязычной литературе). В молекулахДНКиРНКнуклеотидывыстраиваются в цепочки и, таким образом, получаются последовательности генетических букв.

Генетический код

Белки практически всех живых организмов построены из аминокислотвсего 20 видов. Эти аминокислоты называют каноническими. Каждый белок представляет собой цепочку или несколько цепочек аминокислот, соединённых в строго определённой последовательности. Эта последовательность определяет строение белка, а следовательно все его биологические свойства.

Реализация генетической информациив живых клетках (то есть синтез белка, кодируемогогеном) осуществляется при помощи двух матричных процессов:транскрипции(то есть синтезамРНКна матрицеДНК) итрансляциигенетического кода в аминокислотную последовательность (синтез полипептидной цепи намРНК). Для кодирования 20 аминокислот, а также сигнала «стоп», означающего конец белковой последовательности, достаточно трёх последовательных нуклеотидов. Набор из трёх нуклеотидов называетсятриплетом. Принятые сокращения, соответствующие аминокислотам икодонам, изображены на рисунке.

Транскри́пция (от лат. transcriptio — переписывание) — процесс синтеза РНК с использованием ДНК в качестве матрицы, происходящий во всех живых клетках. Другими словами, это перенос генетической информации с ДНК на РНК.

Транскрипция катализируется ферментом ДНК-зависимой РНК-полимеразой. Процесс синтеза РНК протекает в направлении от 5'- к 3'- концу, то есть по матричной цепи ДНК РНК-полимераза движется в направлении 3'->5'

Транскрипция состоит из стадий инициации, элонгации и терминации.

Инициация транскрипции

Инициация транскрипции — сложный процесс, зависящий от последовательности ДНК вблизи транскрибируемой последовательности (а у эукариоттакже и от более далеких участков генома —энхансеровисайленсеров) и от наличия или отсутствия различныхбелковых факторов.

Элонгация транскрипции

Момент перехода РНК-полимеразы от инициации транскрипции к элонгации точно не определен. Три основных биохимических события характеризуют этот переход в случае РНК-полимеразы кишечной палочки: отделение сигма-фактора, перваятранслокациямолекулыферментавдоль матрицы и сильная стабилизация транскрипционного комплекса, который кроме РНК-полимеразы включает растущую цепь РНК и транскрибируемую ДНК. Эти же явления характерны и для РНК-полимераз эукариот. Переход от инициации к элонгации сопровождается разрывом связей между ферментом,промотором, факторами инициации транскрипции, а в ряде случаев — переходом РНК-полимеразы в состояние компетентности в отношении элонгации (например,фосфорилированиеCTD-доменау РНК-полимеразы II). Фаза элонгации заканчивается после освобождения растущего транскрипта идиссоциациифермента от матрицы (терминация).

На стадии элонгации в ДНКрасплетено примерно 18 парнуклеотидов. Примерно 12 нуклеотидов матричной нити ДНК образует гибридную спираль с растущим концом цепи РНК. По мере движения РНК-полимеразы по матрице впереди нее происходит расплетание, а позади — восстановление двойной спирали ДНК. Одновременно освобождается очередное звено растущей цепи РНК из комплекса с матрицей и РНК-полимеразой. Эти перемещения должны сопровождаться относительным вращением РНК-полимеразы и ДНК. Трудно себе представить, как это может происходить в клетке, особенно при транскрипциихроматина. Поэтому не исключено, что для предотвращения такого вращения двигающуюся по ДНК РНК-полимеразу сопровождаюттопоизомеразы.

Элонгация осуществляется с помощью основных элонгирующих факторов, необходимых, чтобы процесс не останавливался преждевременно.

В последнее время появились данные, показывающие, что регуляторные факторы также могут регулировать элонгацию. РНК-полимераза в процессе элонгации делает паузы на определенных участках гена. Особенно четко это видно при низких концентрацияхсубстратов. В некоторых участках матрицы длительные задержки в продвижении РНК-полимеразы, т. н. паузы, наблюдаются даже при оптимальныхконцентрацияхсубстратов. Продолжительность этих пауз может контролироваться факторами элонгации.

Терминация

У бактерий есть два механизма терминации транскрипции:

• ро-зависимый механизм, при котором белок Rho (ро) дестабилизирует водородные связи между матрицей ДНКимРНК, высвобождая молекулу РНК.

• ро-независимый, при котором транскрипция останавливается, когда только что синтезированная молекула РНК формирует стебель-петлю, за которой расположено несколькоурацилов(…УУУУ), что приводит к отсоединению молекулы РНК от матрицы ДНК.

Терминация транскрипции у эукариот менее изучена. Она завершается разрезанием РНК, после чего к её 3' концу фермент добавляет несколько аденинов(…АААА), от числа которых зависит стабильность данного транскрипта.

9. Кариоти́п — совокупность признаков (число, размеры, форма и т. д.) полного набора хромосом, присущая клеткам данного биологического вида (видовой кариотип), данного организма (индивидуальный кариотип) или линии (клона) клеток. Кариотипом иногда также называют и визуальное представление полного хромосомного набора (кариограммы). В 1956 г. шведские цитологи Дж. Тийо и А. Леван изготовили культуры клеток из тканей легких, взятых у абортированных человеческих эмбрионов и, используя усовершенствованную методику обработки клеток, получили необычайно четкие препараты, в которых ясно было видно 46 хромосом.5 Несколькими месяцами позднее Ч. Форд и Дж. Хаммертон в Англии установили, что диплоидные предшественники половых клеток в семенниках мужчин (сперматогонии) также имеют по 46 хромосом, а гаплоидные (сперматоциты 1-го деления) — по 23 хромосомы. После этого были изучены многие клетки из разных органов и тканей человека и везде нормальное число хромосом оказалось равным 46. Женский кариотип отличается от мужского только одной половой хромосомой. Остальные 22 пары одинаковы у мужчин и женщин. Эти 22 пары хромосом называются аутосомами. Нормальный кариотип состоит из 44 аутосом (22 пары) и двух половых хромосом — XX у женщин и XY у мужчин, т. е. женский кариотип имеет две большие половые хромосомы, а мужской — одну большую и одну маленькую. В половых клетках человека находится одинарный (гаплоидный) набор хромосом — 23, а в соматических клетках — двойной (диплоидный) набор — 46.

10. Митотический цикл, совокупность процессов, в результате которых из одной клетки образуются две новые. Митотический цикл охватывает период митоза и часть интерфазы. -- периода между делениями, когда происходит подготовка к следующему митозу. Митотический цикл -- часть жизненного цикла клетки; в быстро делящихся клеточных популяциях (например, у бластомеров дробящегося яйца) митотический цикл почти совпадает с жизненным циклом клетки.

Митоз - это непрямое деление клетки, в результате которого исходная клетка дает начало двум новым, имеющим совершенно одинаковый набор генов.

Митоз длится 1-2 часа и протекает в четыре фазы, из которых самыми продолжительными являются первая и последняя.

Фазы митоза.

Профаза. Наблюдается конденсация хроматиновых нитей, то есть их упаковка. Образуются хорошо заметные в световой микроскоп (при специальном подкрашивании) утолщенные хромосомы. Синтез РНК и белков заканчивается. Разрушается оболочка ядра. Образуется веретено деления.

Метафаза. Все хромосомы перемещаются в центр клетки, располагаясь по ее экватору. Каждая хромосома состоит из двух хорошо различимых дочерних хроматид, образованных дочерними ДНК, появившихся в результате редупликации материнской. Любая пара дочерних хроматид связывается между собой тонким перехватом, называемым центромерой. Это участок материнской ДНК, в котором редупликация еще не прошла. К каждой центромере присоединена своя нить веретена деления.

Анафаза. Дочерние хроматиды отделяются друг от друга в результате редупликации центромер и быстро расходятся к противоположным полюсам клетки. Теперь на каждом полюсе находится свой набор хроматид. Оба этих набора содержат одинаковые гены, так как все дочерние хроматиды, образованные в ходе редупликации материнской ДНК являются копиями друг друга.

Телофаза. На полюсах клетки хроматиды раскручиваются в хроматиновые нити. Возобновляется синтез РНК и белков. Вокруг каждого набора из дочерних хроматид формируются свои ядерные оболочки. Клетка перешнуровывается по экватору. Образуются две новые клетки[1. c.112].

В результате митотического деления появляются две клетки генетически абсолютно одинаковые. Это возможно только благодаря двум процессам:

редупликации ДНК, в основе которой лежит принцип комплиментарности.

расхождении каждой пары дочерних хроматид в новые клетки.

Митотическое деление клеток встречается:

при бесполом размножении растений грибов и животных,

при эмбриональном и постэмбриональном развитии всех многоклеточных организмов из оплодотворенной яйцеклетки,

при заживлении ран, образовании клеток крови, нарастании клеток кожного и кишечного эпителия и др. процессах.

В результате облучения очень большого количества однотипных клеток установлено, что при воздействии разных видов излучений длительность обратимого угнетения клеточного деления и процент клеток, у которых деление полностью прекратилось, возрастают по мере увеличения дозы излучения. С увеличением дозы излучений все большее число клеток теряет способность к размножению или по крайней мере у них временно прекращается процесс деления. Одним из показателей нарушения этой способности клеток к размножению как у одноклеточных, так и у клеток тканей высших организмов является возникновение гигантских форм клеток.

Некоторые радиационно-биохимические изменения появляются уже после воздействия относительно малых доз, другие изменения наступают лишь в результате воздействия средних или высоких доз излучений. Среди нарушений обмена веществ, возникающих при воздействии ионизирующих излучений, на первое место следует поставить нарушение самого радиочувствительного субстрата--нуклеиновых кислот. Лучевые поражения в виде угнетения синтеза нуклеиновых кислот нельзя рассматривать как непосредственную причину угнетения клеточного деления или разрыва хромосом, которые могут привести к их грубым морфологическим нарушениям, определяемым при митозах после облучения. Нарушения других видов обмена, например углеводного, дают право говорить об его очень низкой радио чувствительности. Изменения углеводного обмена после облучения, в частности угнетение анаэробного гликолиза, становятся заметными, как правило, лишь после воздействия в дозах порядка 5000--20000 р.; нарушение клеточного дыхания обычно наблюдается в результате воздействия еще больших доз--от 20000 до 100000 р.

При воздействии малых доз излучении наблюдается угнетение клеточного деления. При больших дозах клетки окончательно теряют способность к размножению. Временное угнетение митозов и полная стерильность не могут быть обусловлены единым механизмом, несмотря на то, что оба эти явления на первый взгляд могут показаться вполне родственными.

От качества излучений, кроме функциональных изменений, зависят также определенные виды лучевых хромосомных аберраций. В клеточных популяциях с митотическим делением клеток после облучения сначала отмечается кратковременное увеличение частоты митозов, а затем падение до определенной минимальной величины.

Для первичного и вторичного эффекта излучений характерны определенные типы хромосомных изменений.

Механизм хромосомных изменений при первичном и вторичном эффекте различен. Хромосомные изменения, типичные для первичного эффекта, возникают главным образом в тех клетках, которые во время облучения имели митотическую активность и находились в стадии метафаза. У определенного числа этих клеток наблюдаются митозы, частота которых снижается в результате облучения. У других митотически делящихся клеток, достигших или прошедших стадию метафазы, митозы продолжаются, но в более замедленном темпе.

С делением клеток (митозом) связано определённое излучение, которое обнаружил и измерял А.Г. Гурвич. Он назвал его “митогенетическим”. Было установлено, что если под это излучение попадают другие клетки, то и их митоз увеличивается, то есть стимулируется их рост.

Пролиферация (от лат. proles — отпрыск, потомство и fero — несу) — разрастание ткани организма путём размножения клеток. Механизм пролиферации отличается от других механизмов изменения объёма клетки (клеток), например, отёка или апоптоза. Термин в медицине впервые ввел немецкий ученый Вирхов для обозначения новообразования клеток путем их размножения делением^[1]. Регулировать интенсивность пролиферации можно стимуляторами и ингибиторами, которые могут вырабатываться и вдали от реагирующих клеток (например, гормонами), и внутри них. Непрерывно пролиферация происходит в раннем эмбриогенезе и по мере дифференцировки периоды между делениями удлиняются. Некоторые клетки, например нервные, не способны к пролиферации.

11. Размножение — присущее всем живым организмам свойство воспроизведения себе подобных, обеспечивающее непрерывность и преемственность жизни^[1]

Для организмов, обладающих клеточным строением, в основе всех форм размножения лежит деление клетки ^[1]

Разные способы размножения подразделяются на три основных типа: бесполое, вегетативное и половое^[1]